空氣驅提高采收率燃性氣體安全因素分析

郭 亮，符 卉，雷 宏，張 博

（1.西安石油大學，陜西西安 710065；2.陜西延長油田股份有限公司西區(qū)采油廠，陜西延安 717500）

注空氣驅油是一項非常有效的提高原油采收率（EOR）技術。其中注空氣低溫氧化技術既適用于注水油田后期高含水的三次采油，也適用于注水困難的低滲油田的二次采油。隨著油氣田開發(fā)進入中后期，油井綜合含水率上升，油田開發(fā)難度加大，開采成本升高，如何保持油田高效生產成為開發(fā)面臨的主要課題。注氣采油作為提高原油采收率的重要方法之一越來越受到人們的重視[1]，對于低滲輕質油藏，注空氣提高采收率不僅具有傳統(tǒng)注氣直接產生的驅替效果，氧氣還會在注入過程中產生其他附加效果，空氣與原油接觸后會發(fā)生的低溫氧化反應，氧氣在這一反應過程中被消耗生成碳氧化物，同時產生的熱量會升高油層溫度，部分輕質組分便會因此蒸發(fā)[2]、[3]。注入的空氣經過低溫氧化反應后在油層內形成了新的混合氣體包括CO、CO2、N2以及輕烴組分氣體，被稱作煙道氣。而空氣驅的另一優(yōu)勢在于其成本低廉，且來源廣泛，因此實際應用價值巨大。

1 井下可燃氣體的爆炸極限影響因素

可燃氣體發(fā)生燃燒和爆炸的三個基本物質因素是：氧氣、可燃氣體以及點火能量。而燃燒爆炸，不僅需要氧氣和可燃氣的存在，還有一個重要條件即氧氣與可燃氣配比符合爆炸要求：在氧含量高于臨界氧含量的情況下，可燃氣在氧氣與可燃氣的混合物中濃度必須處于爆炸極限之外，即低于爆炸上限且高于爆炸下限，滿足這樣的條件，足夠的點火能量就會引發(fā)燃燒或爆炸。燃燒與爆炸[4]是可燃性氣體關聯(lián)緊密兩個特性，爆炸反應實質就是瞬時間發(fā)生的極其劇烈的燃燒反應。若密閉空間中發(fā)生燃燒，由此產生的大量高溫氣體會增大系統(tǒng)壓力，燃燒就會在某一瞬間轉變?yōu)楸ā?/p>

1.1 氧含量

可燃氣體在空氣和純氧氣中的爆炸極限范圍比較（見表1）。可見混合物中含氧量增加，爆炸極限范圍擴大，尤其是爆炸下限提高的更多。

1.2 可燃性氣體的種類及其化學性質

可燃氣體的爆炸極限亦會受分子結構和反應能力強弱的影響，對于碳氫化合物而言，C-C 型單鍵結構牢固，分子相對不易受到破壞使其反應能力相對較弱，爆炸極限范圍因此較小；C≡C 型三鍵結構碳鍵較為脆弱，分子結構較易破壞而化學反應能力強，爆炸極限范圍因此較大；C=C 型二鍵碳氫化合物爆炸范圍介于C-C 型單鍵和C≡C 型三鍵之間，見表2。對于同類烴化合物，爆炸極限范圍往往會隨碳原子數(shù)的增加而減小。除此之外導熱系數(shù)也會影響爆炸極限范圍，導熱系數(shù)高則導熱速度快，爆炸極限范圍因此增大

表1 可燃氣體在空氣和純氧中的爆炸板限范圍

表2 爆炸極限受各類可燃氣體化學性質的影響

1.3 初始溫度

爆炸性氣體混合物的原始溫度越高，爆炸極限的范圍會變的越大，即爆炸下限和爆炸上限會因此分別降低和增高。系統(tǒng)整體溫度升高，其中分子內能會增加，處于激發(fā)態(tài)的氣體分子數(shù)量會上升，原本不可燃的氣體混合物便會因此變的可燃、甚至可爆。因此，爆炸危險性同溫度成正比。

根據(jù)Burgess-Wheeler 法則，Zabetakis等人給出修正式：

式中：t—t℃時的溫度，℃；Lc—25℃時的爆炸下限，%；Lt—t℃時的爆炸下限，%。

1.4 初始壓力

爆炸極限會因混合物的原始壓力不同而變化，高壓情況下，爆炸極限范圍也會較低壓更大，主要體現(xiàn)在爆炸上限的顯著提高，而爆炸下限往往不會有明顯變化。反之，低壓情況下，爆炸極限的范圍較小，壓力低至一定程度時，爆炸下限與爆炸上限會趨于近似值，隨著壓力的進一步降低，會達到混合氣體的爆炸臨界壓力，此壓力下爆炸極限縮小為零，混合物則會進入不可爆炸狀態(tài)。

1.5 惰性氣體的影響

不利于燃燒的惰性氣體會顯著改變混合燃氣的爆炸極限，包括氮氣、二氧化碳、水蒸氣、氬、氦等。爆炸極限范圍會隨著惰性氣體在混合物中的體積分數(shù)的增加而減小，在其體積分數(shù)提高到某一直時，混合物亦會進入不可爆炸狀態(tài)。一般情況下，惰性氣體對爆炸混合物爆炸上限的影響大于對爆炸下限的影響。

除上述因素造成的影響，可燃氣與空氣混合的均勻程度、點火源的形式及其所處系統(tǒng)中的位置、爆炸空間的幾何形狀與大小等也會對爆炸極限形成影響。

2 可燃氣體爆炸極限與臨界氧含量

2.1 爆炸極限

單組分可燃氣體混合物的爆炸極限算式如下，（2）和（3）式：

式中：CL—單組分燃性氣體濃度爆炸下限，%；CU—單組分燃性氣體濃度爆炸上限，%；N—混合物燃燒完全所需要的氧原子總數(shù)。

式（4）可估算多組分可燃氣體混合物的爆炸極限，其數(shù)值介于單組分可燃氣體混合物的極限值之間：

式中：Cmin—多組分可燃氣體混合物爆炸極限，%；V1，V2，V3，…，Vn—混合氣體中的各組分氣體所占的體積分數(shù)，%；C1，C2，C3，…，Cn—混合氣體中各組分氣體各自的爆炸界限，%。

影響氣體爆炸的因素很多，實際生產條件下的爆炸極限應在估算的基礎上通過具體實驗測試得出。

2.2 臨界氧含量的計算

可燃性氣體與氧氣發(fā)生完全燃燒時，化學反應式見式（5）：

式中：λ—氧原子數(shù)；m—氫原子數(shù)；n—碳原子數(shù)。

在可燃性氣體體積分數(shù)為爆炸下限L 時，此時反應為富氧狀態(tài)，若體積分數(shù)為L，理論臨界氧含量（也叫理論最小氧體積分數(shù)）見式（6）：

式中：C（O2）—可燃性氣體的理論臨界氧含量，%；L—可燃性氣體的爆炸下限也為其體積分數(shù)，%；N—每摩爾可燃氣體完全燃燒時所需要的氧分子個數(shù)。

經計算烷烴爆炸下限時需要的理論臨界氧含量（見表3）。

表3 25℃時烷烴爆炸下限理論氧含量

對于井下高溫高壓條件下氧的安全限值則需要進一步結合壓力、溫度、惰性氣體等上述對爆炸極限產生主要影響的幾大因素對臨界氧含量進行研究分析。

3 結論

（1）燃性氣體的燃爆極限和臨界氧含量受初始溫度、壓力、氧含量、點火能量的大小位置和惰性氣體等因素的影響，氣體的爆炸范圍會隨著壓力、溫度和氧含量的升高而變寬，爆炸危險性增大；臨界氧含量會隨著溫度、壓力的升高而降低，研究可燃性氣體的爆炸理論能為實驗研究和現(xiàn)場應用提供理論指導。

（2）烷烴物質中，其他烷烴類化合物的理論臨界氧含量皆高于甲烷。大多數(shù)石油產物常溫常壓的理論臨界氧含量約為10%左右，氧含量在低于這個值時不會發(fā)生爆炸。

（3）由于產出氣相的成分比較復雜，而不同油井產出氣的含量及成分也不一樣，因此，在燃爆特性實驗中選用甲烷代表可燃氣體進行實驗。理論和實驗研究都表明，利用甲烷進行實驗具有很好的代表性和保守性，測定的甲烷臨界氧含量安全值完全可用于天然氣或其他石油產物。

［1］王杰祥，張琪，李愛山，張紅玲，劉均榮，張紅.注空氣驅油室內實驗研究［J］.石油大學學報，2003，27（4）：73-75.

［2］張霞林，張義堂，吳永彬，等.油藏注空氣提高采收率開采技術［J］.西南石油大學學報，2007，29（6）：80-84.

［3］Watts B.C.，Hall T.E，Petri D.J—The Horse Creek Air Injection Project：An Overview ［DB/0L］.SPE 38359-MS，1997-05-18.

［4］張增亮.可燃氣體（液體蒸氣）的爆炸極限與最大允許氧含量的對比研究［J］.中國安全科學學報，2005，（12）:64-68.