注空氣采油油井產(chǎn)出氣體燃爆特性

于洪敏,左景欒,任韶然,吉亞娟,周樂平,林偉民

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100011;3.中國石油大學石油工程學院,山東東營 257061;4.遼寧賽福特安全評價有限公司,遼寧沈陽 110015;5.中原油田采油工程技術研究院,河南濮陽 457001)

注空氣采油油井產(chǎn)出氣體燃爆特性

于洪敏1,左景欒2,任韶然3,吉亞娟4,周樂平3,林偉民5

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中聯(lián)煤層氣有限責任公司,北京 100011;3.中國石油大學石油工程學院,山東東營 257061;4.遼寧賽福特安全評價有限公司,遼寧沈陽 110015;5.中原油田采油工程技術研究院,河南濮陽 457001)

注空氣采油工藝過程中存在產(chǎn)出氣爆炸等安全問題,在分析產(chǎn)出氣 -空氣混合物爆炸體積分數(shù)極限主要影響因素的基礎上,利用Le Chatlier公式和圖版計算混合物的爆炸體積分數(shù)極限,估算臨界氧含量,采用圓柱狀爆炸容器,在 20～90℃、0.2～1.2 MPa下對產(chǎn)出氣 -空氣混合物進行燃爆特性試驗,確定爆炸體積分數(shù)極限范圍、臨界氧含量及爆炸區(qū)域,制定油井氧含量的安全標準。結果表明:可燃產(chǎn)出氣的爆炸體積分數(shù)極限和臨界氧含量受溫度、壓力、氧含量、點火能量、位置和惰性氣體等因素的影響;爆炸范圍隨溫度、壓力和氧含量的升高而變寬,危險性增大;臨界氧含量隨溫度、壓力的升高而降低;高溫高壓模擬工況條件下,爆炸范圍和氧含量隨惰性氣體體積分數(shù)的增加迅速減小,惰性氣體體積分數(shù)和氧含量對爆炸體積分數(shù)下限影響較小,而對體積分數(shù)上限影響很大。

注空氣;提高采收率;產(chǎn)出氣 -空氣混合物;爆炸體積分數(shù)極限;安全氧含量;監(jiān)測控制

國內(nèi)外室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實踐證明,注空氣低溫氧化工藝具有煙道氣驅(qū) (N2,CO,CO2,輕烴組分)和熱效應作用,氣源豐富、成本低廉,是一項用于低滲透、輕質(zhì)油油藏提高采收率的新技術[1-2]。但是,注空氣工藝過程中存在很多安全問題,其中爆炸 (產(chǎn)出氣-空氣混合物體積分數(shù)達到爆炸范圍)是制約其發(fā)展的主要安全隱患[3]。國內(nèi)空氣驅(qū)起步較晚,未在油田得到較大規(guī)模的推廣與應用,理論和現(xiàn)場經(jīng)驗缺乏;注空氣提高采收率安全控制理論分析與技術研究尚不完善[4],尚未確定可靠、有效的產(chǎn)出氣中安全氧含量的參考限值;高溫高壓下注空氣采油過程中可燃性氣體 (或油井產(chǎn)出氣體)燃爆特性的室內(nèi)試驗研究較少。因此,筆者在對可燃氣體爆炸體積分數(shù)極限與臨界氧含量理論分析的基礎上,結合中原與勝利油田空氣或空氣泡沫驅(qū)先導性試驗區(qū)塊的工況條件,進行高溫高壓下產(chǎn)出氣 -空氣混合物燃爆特性的室內(nèi)試驗與安全性分析,為現(xiàn)場試驗提供安全氧含量監(jiān)測控制參考依據(jù)。

1 可燃氣體爆炸體積分數(shù)極限與臨界氧含量

可燃氣體 (產(chǎn)出氣)發(fā)生爆炸的 3個基本因素為可燃氣體 (液體蒸氣)、氧氣、點火能量,主要影響因素包括可燃氣體 (液體蒸氣)的種類及化學性質(zhì),井下可燃介質(zhì)與注入介質(zhì)接觸程度,點火源的形式、能量和點火位置、溫度、壓力以及其他未發(fā)現(xiàn)或影響較小的因素等?？扇細馀c氧氣的混合氣中可燃氣的體積分數(shù)高于爆炸體積分數(shù)下限 (爆炸所需最低可燃氣體積分數(shù)),低于爆炸體積分數(shù)上限 (爆炸所需最高可燃氣體積分數(shù),體積分數(shù)上限以上的混合氣不能認為是安全的),氧含量達到臨界氧含量 (爆炸與不爆的臨界點)以上,兩個條件同時具備則遇到足夠的點火能量就會發(fā)生燃燒或爆炸[5-7]。

1.1 可燃氣體爆炸體積分數(shù)極限的理論計算

單組分氣體混合物 (如甲烷與空氣混合)的爆炸體積分數(shù)極限計算式為

多組分氣體 (如天然氣)爆炸體積分數(shù)極限介于單組分極限值之間,可用 Le Chatlier[8]公式估算式中,CL和 CU分別為單組分可燃氣體爆炸體積分數(shù)下限和體積分數(shù)上限,%;N為混合物完全燃燒所需氧原子數(shù);Cmin為多組分可燃性混合物爆炸體積分數(shù)極限,%;Vi為混合氣體中 i組分體積分數(shù),%;Ci為 i組分爆炸體積分數(shù)界限,%。

由公式 (1),(2)估算得到甲烷的爆炸體積分數(shù)極限與理論標準 (5% ～15%)相差較大。若混合氣體中含有惰性氣體,計算爆炸體積分數(shù)極限時可先求出混合物中由可燃氣體和惰性氣體分別組成的混合比,再根據(jù)混合氣比例圖版[9]查出其爆炸體積分數(shù)極限,然后將各組分的爆炸體積分數(shù)極限代入式(3)即可求得混合氣體的燃爆極限。

1.2 臨界氧含量估算

常溫常壓下理論臨界氧含量等于體積分數(shù)下限可燃物剛好完全反應所需氧含量,而可燃氣體爆炸體積分數(shù)上限臨界氧含量等于混合氣中實際氧含量?？扇細怏w與氧氣完全燃燒時化學反應式為

式中,n,m,λ分別為碳、氫、氧原子數(shù);q為混合物中可燃氣體組分數(shù)。

在可燃性氣體 (液體蒸氣)體積分數(shù)為爆炸體積分數(shù)下限 CL時反應為富氧狀態(tài),理論臨界氧含量C(O2)為

由阿馬格分體積定律可知,多元混合氣體中各氣體體積分數(shù)等于摩爾分數(shù),據(jù)此可求解出 n和 m,進而依據(jù)公式(4)和 (5)求得氧原子數(shù) N和臨界氧含量,判斷生產(chǎn)井是否安全。假設產(chǎn)出氣體中主要為CH4(42.5%)和 N2(40%),其他為 C2H6(5%),C3H8(1.5%),C4H10(1%),CO2(6%),O2(3%),根據(jù)上述計算方法可求得混合氣體爆炸體積分數(shù)下限為 8.88%,理論臨界氧含量為 10.35%。根據(jù)式 (4),(5)計算烷烴 (C1～C10)爆炸體積分數(shù)下限時的理論臨界氧含量為10%～11.9%,遠大于產(chǎn)出氣中的氧含量 3%,所以生產(chǎn)井不會發(fā)生爆炸。

2 產(chǎn)出氣 -空氣混合物燃爆特性試驗

2.1 試驗方法

為了分析注空氣 (低溫氧化)工藝過程中存在的風險因素,通過研究油井產(chǎn)出氣體的燃爆特性,形成爆炸體積分數(shù)極限測試方法,利用試驗結果估算氧含量安全限值,為現(xiàn)場提供合適的監(jiān)測及檢測方法。其中,中原和勝利油田目標區(qū)塊的油藏溫度為80～100℃,油井產(chǎn)出氣體套管壓力為 0.2～1.2 MPa,因此室內(nèi)試驗條件取 20～90℃,0.3～1.2MPa。

爆炸裝置主要包括圓柱狀爆炸容器 (24 L)、配氣裝置、點火裝置、溫度壓力監(jiān)測及安全控制系統(tǒng)(20 MPa安全閥、防爆片等),見圖 1。燃爆特性試驗通過點火引爆不同條件 (溫度、壓力、惰性氣體 N2等)下采出氣與空氣,測試其爆炸體積分數(shù)極限及氧含量安全極限。因甲烷在同類烴類化合物中耗氧量最小,導熱系數(shù)與爆炸范圍 (5%～15%)最大,其臨界氧含量理論上最低,則其臨界氧含量安全值也適用于天然氣或其他石油產(chǎn)物,故室內(nèi)試驗用甲烷作代表,獲得的爆炸體積分數(shù)極限與臨界氧含量可應用于實際。

圖 1 產(chǎn)出氣 -空氣混合物燃爆特性試驗裝置流程圖Fig.1 Flow diagram of produced gas-air m ixture explosion exper iment

試驗前先檢查裝置氣密性,將爆炸容器抽真空達到要求壓力值,利用道爾頓氣體分壓定律 (即混合氣體絕對壓力等于各組分絕對壓力之和)配氣并計算混合氣體中氧氣和甲烷體積分數(shù),采用逐步逼近法充填氣體點火試爆直到爆炸,記錄此時的氣體組成,清理試驗裝置。試驗通過點火后的壓力溫度監(jiān)測系統(tǒng)確定氣體是否被點燃。爆炸時系統(tǒng)壓力瞬間上升 (2 s內(nèi)最大升至 5～9倍),系統(tǒng)溫度也急劇升高,最高瞬時溫度可達 400℃。

2.2 產(chǎn)出氣 -空氣混合物燃爆特性

初始溫度和壓力對爆炸時產(chǎn)出氣 (甲烷)爆炸體積分數(shù)下限和氧含量的影響如圖 2所示。從圖中可以看出:產(chǎn)出氣 (甲烷)的爆炸體積分數(shù)下限收斂于 4.76%,爆炸體積分數(shù)下限隨溫度和壓力的升高逐漸降低,但是幅度不大且越來越緩;在只有可燃氣體 (甲烷)和空氣的混合系統(tǒng)中,爆炸體積分數(shù)下限降低,氧含量必定升高 (爆炸體積分數(shù)下限附近氧過量);溫度升高到 90℃時,不同壓力下的曲線交于一點即最低爆炸體積分數(shù)下限,對應氧含量最高為 20%(氧過量),所以爆炸體積分數(shù)下限氧含量對安全標準制定影響不大。

初始溫度和壓力對爆炸時產(chǎn)出氣 (甲烷)爆炸體積分數(shù)上限和氧含量影響如圖 3所示。從圖中可以看出:90℃時甲烷爆炸體積分數(shù)上限最高為16.95%;隨著溫度和壓力的增大,產(chǎn)出氣 (甲烷)爆炸體積分數(shù)上限逐漸升高,對應的氧含量則逐漸降低,但變化趨勢越來越緩。原因是在爆炸體積分數(shù)上限附近氧含量不足,溫度和壓力升高使分子間距變小、運動劇烈、活化能增大,燃燒反應更易進行,所以爆炸范圍變寬,爆炸危險性增大。

綜上所述,甲烷爆炸體積分數(shù)極限的范圍可認定為 4.76%～16.95%。

圖 2 不同條件下產(chǎn)出氣 (甲烷)的爆炸體積分數(shù)下限及其對應氧含量Fig.2 Produced-gas(methane)lower explosion l im it and oxygen content in different conditions

圖 3 不同條件下產(chǎn)出氣 (甲烷)的爆炸體積分數(shù)上限及其對應氧含量Fig.3 Produced-gas(methane)upper explosion l im it and oxygen content in different conditions

惰性氣體可使產(chǎn)出氣 -空氣混合物中氧含量相對減少,有效縮小爆炸體積分數(shù)極限范圍?？紤]簡便實用和安全性,試驗惰性氣體選用氮氣 (惰化作用比CO2、水蒸氣差)以增大安全系數(shù)。加入惰性氣體使氧體積分數(shù)在最低臨界氧含量以下,無論可燃氣體(液體蒸氣)與惰性氣體含量如何變化,都不會爆炸。

不同惰性氣體和產(chǎn)出氣 (甲烷)配比下產(chǎn)出氣的爆炸范圍和對應氧含量如圖 4所示。從圖 4可以看出:隨著惰性氣體體積分數(shù) (氮氣量)的增加,氧含量逐漸下降,爆炸體積分數(shù)極限范圍迅速縮小;當惰性氣體體積分數(shù)達到一定時,爆炸范圍 (爆炸體積分數(shù)上下限)匯聚為一點即爆炸臨界點,而對應的氧含量也集中到一點即最低臨界氧含量,此時甲烷的體積分數(shù)稱為臨界可燃體積分數(shù) (5.26%～5.88%);隨著惰性氣體體積分數(shù)的增大,甲烷爆炸體積分數(shù)上限下降較快,體積分數(shù)下限變化不大,說明惰性氣體體積分數(shù)或氧含量對爆炸體積分數(shù)下限影響較小,而對體積分數(shù)上限影響很大。原因是體積分數(shù)下限附近氧始終處于過剩狀態(tài),爆炸與否主要取決于可燃氣體含量。爆炸體積分數(shù)上限值所對應的氧含量即最小氧含量,氧含量的變化將極大地影響爆炸體積分數(shù)上限(從臨界可燃體積分數(shù)到純氧中爆炸體積分數(shù)上限的范圍內(nèi))?？梢?增加惰性氣體體積分數(shù)主要是降低了混合氣體中氧含量,并縮小了爆炸體積分數(shù)極限范圍。當?shù)獨?/甲烷大于6∶1(臨界可燃體積比)時進入不爆范圍,此時最低臨界氧含量值為 90℃,0.8～1 MPa下爆炸體積分數(shù)極限對應氧含量12.35%,高于理論最低值 10%。

圖 4 不同氮氣和甲烷配比下產(chǎn)出氣的爆炸體積分數(shù)極限及對應氧含量Fig.4 Produced-gas explosion volume fraction l im it and oxygen content in different n itrogen-methane ratios

選取有代表性的 150組燃爆特性試驗數(shù)據(jù)作圖(圖 5,20～90℃,0.2～1.2 MPa)。圖 5中黑線圈閉部分為試驗測得的產(chǎn)出氣 (甲烷)和空氣混合物的爆炸區(qū)域。試驗發(fā)現(xiàn),在爆炸區(qū)域里,如果氧氣和產(chǎn)出氣 (甲烷)的配比不合適也不會發(fā)生爆炸,爆炸區(qū)域外的點都是不爆點。試驗室條件下,產(chǎn)出氣(甲烷)的爆炸體積分數(shù)極限為 4.76%(B點)～16.95%(C點),最低臨界氧含量為 12.35%(A點),但在純氧條件下,即氧含量超過 21%后產(chǎn)出氣(甲烷)的爆炸區(qū)域會變寬。

2.3 安全氧含量與監(jiān)測控制措施

由于爆炸體積分數(shù)極限與安全氧含量值的可變性,室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)直接作為現(xiàn)場生產(chǎn)標準不夠科學且存在風險。因此,結合爆炸體積分數(shù)極限主要因素的影響,考慮最接近油田現(xiàn)場工況條件的試驗數(shù)據(jù) (90℃,0.8～1.2 MPa)與現(xiàn)場實踐經(jīng)驗,確定出安全氧含量界限值為 8%,安全參考值為 5%～8%,可對現(xiàn)場實際操作起到一定的指導作用。在研究注空氣過程中爆炸等主要安全隱患及防護措施的基礎上,結合室內(nèi)試驗與現(xiàn)場經(jīng)驗及實踐[10-12],建議現(xiàn)場監(jiān)測方案與安全控制措施,從工藝上防止爆炸等安全隱患。

(1)安裝安全防爆防漏監(jiān)測系統(tǒng),采取注入氣體自動計量;注氣井安裝井口控制器,防止回流和過高壓力;加強注入井的壓力、溫度、注入量動態(tài)監(jiān)測,防止注入井內(nèi)壓力低于油藏壓力;加強生產(chǎn)井的壓力、溫度、采出量動態(tài)監(jiān)測;井下可采用封隔器和回流控制閥等裝置減少油氣進入注氣井;定期檢測井口油管,及時修井作業(yè)排除隱患等。

(2)確保工程前期各儀器設備安裝達到設計的安全標準,空氣壓縮機采用特殊高溫潤滑劑,降低爆炸危險;準備兩臺壓縮機,留有余量,保證注氣量恒定;注空氣前實施環(huán)空管柱充氮氣保護;停注空氣30 min后用注入水將井筒內(nèi)的空氣頂入地層;產(chǎn)出氣體可放空、回注或回收利用等,原油集輸采用單罐計量集輸管理。

(3)采用氣相色譜儀檢測產(chǎn)出氣的組成和各自含量,重點監(jiān)測與注氣井連通性極強的生產(chǎn)井中氣體排量和組分檢測 (重點是 O2,N2,CO2等);對井內(nèi)出現(xiàn)的異常高溫高壓情況要嚴密監(jiān)測、分析原因,及時調(diào)整注入方案并采取控制措施。

(4)制定嚴格的檢修制度,定期對工藝設備進行檢修、清理、除垢等,及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患;成立安全管理工作領導小組,執(zhí)行有關安全、環(huán)保及井控規(guī)定;正確履行注入、觀察、生產(chǎn)和監(jiān)控程序,建立、健全各項管理制度并認真實施,確保各個環(huán)節(jié)安全運行、各項操作嚴格按規(guī)程進行。

(5)當監(jiān)測到生產(chǎn)井內(nèi)氧氣體積分數(shù)超過 5%,啟動安全預警措施;氧氣體積分數(shù)達到 8%(國外有些公司設為 5%)時,油井關井,注入井停注,必要時壓井;氧氣體積分數(shù)小于 5%時油井恢復生產(chǎn);氧氣體積分數(shù)小于 3%時注入井恢復注入措施。

3 結 論

(1)可燃產(chǎn)出氣的爆炸體積分數(shù)極限和臨界氧含量受溫度、壓力、氧含量、點火能量位置和惰性氣體等因素的影響;爆炸范圍隨溫度、壓力和氧含量的升高而變寬,爆炸危險性增大;臨界氧含量隨溫度、壓力的升高而降低。

(2)高溫高壓模擬工況條件下,氧含量和爆炸范圍隨惰性氣體體積分數(shù)的增加迅速減小,當達到惰性氣體 /可燃氣體的臨界可燃體積比 (6∶1)時,爆炸范圍匯于爆炸臨界點,對應于最低臨界氧含量;惰性氣體體積分數(shù)或氧含量對爆炸體積分數(shù)下限影響較小,而對體積分數(shù)上限影響很大。

(3)試驗測得可燃產(chǎn)出氣 (甲烷)爆炸體積分數(shù)極限為 4.76%～16.95%,初始壓力 1 MPa、初始溫度 90℃時臨界氧含量最小值為 12.35%,略大于目前公認的理論臨界氧含量最小值 10%。

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Explosion characteristics of oil well produced gas by air injection for improved oil recovery

YU Hong-min1,ZUO Jing-luan2,REN Shao-ran3,JI Ya-juan4,ZHOU Le-ping3,L IN Wei-min5
(1.Petroleum Exploration&Production Research Institute,SINOPEC,Beijing100083,China;2.China United Coalbed M ethane Com pany Lim ited,Beijing100011,China;3.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Dongying257061,China;4.L iaoning Safety Assessment Com pany Lim ited,Shenyang110015,China;5.Petroleum Engineering Technical Institute,Zhongyuan O ilfield,Puyang457001,China)

The produced gas(hydrocarbon)-airmixture explosion may occur during air injection process for improved oil recovery( IOR).The theoretical explosion volume fraction l imit and critical oxygen contentwere calculated first by for mula Le Chatlier and the chart based on influential factors analysis of hydrocarbon-air mixture explosion volume fraction limit.Then the hydrocarbon-airmixture explosion characteristics experiments were conducted within cylindrical container at 20-90℃and 0.2-1.2 MPa,to determine the range of explosion volume fraction limit,the critical oxygen content and explosion region,and to develop the oxygen content safety standard.The results show that the explosion volume fraction limit and critical oxygen content of flammable produced gas are influenced bymany factors such as temperature,pressure,oxygen content,ignition energy,position and inert gas.The explosion range becomesmore broad and dangerouswith the increase of temperature,pressure and oxygen content.The criticaloxygen content decreaseswith the temperature and pressure increasing.Then under the simulated conditionwith high temperature and pressure,the range of explosion volume fraction limit and criticaloxygen content decrease rapidlywith the increase of inert gas volume fraction,and the inert gas volume fraction or oxygen content hasmore effect on the explosion volume fraction upper limit than the lower limit.

air injection;improved oil recovery;produced gas-air mixture;explosion volume fraction limit;safety oxygencontent;monitoring and control

TE 357

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.06.019

1673-5005(2010)06-0099-05

2010-02-17

中國石油化工集團公司先導性科技項目(P06041和 P06051);山東省泰山學者建設工程基金項目(TSXZ2006-15)

于洪敏 (1981-),男 (漢族),山東昌邑人,工程師,博士,主要從事提高采收率研究。

(編輯 李志芬)