李海奎,李磊兵,張 亮,王 蕾,王 芳,任韶然
(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266580;2.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程技術(shù)研究院,遼寧盤錦124010;3.中國石油煤層氣公司韓城分公司,陜西渭南715409;4.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧撫順113001)
空氣驅(qū)過程中爆炸極限影響因素及預(yù)測模型
李海奎1,李磊兵2,張亮1,王蕾3,王芳4,任韶然1
(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島266580;2.中國石油集團(tuán)長城鉆探工程技術(shù)研究院,遼寧盤錦124010;3.中國石油煤層氣公司韓城分公司,陜西渭南715409;4.遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部,遼寧撫順113001)
空氣驅(qū)作為一項富有創(chuàng)造性的提高采收率技術(shù),受到越來越多的重視。而爆炸風(fēng)險的存在嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,因此準(zhǔn)確掌握和控制可燃?xì)怏w的爆炸極限對空氣驅(qū)技術(shù)的消防預(yù)警和安全生產(chǎn)有著重要意義。為此,分析了可燃?xì)怏w爆炸極限的影響因素,結(jié)果表明:混合可燃?xì)怏w的組分會影響其爆炸極限,多組分可燃?xì)怏w的爆炸極限為各組分的調(diào)和平均值;爆炸極限范圍隨溫度升高而增大,呈線性變化;爆炸極限范圍也隨壓力的增加而增大,但呈對數(shù)變化;爆炸極限范圍隨惰性氣體體積分?jǐn)?shù)的增加而減小,不同惰性氣體抑爆效果不同。運用數(shù)值分析原理,結(jié)合經(jīng)驗公式,擬合出了不同影響因素下可燃?xì)怏w的爆炸極限預(yù)測模型和統(tǒng)一預(yù)測模型,模型的建立為確定空氣驅(qū)工藝中不同條件下油氣混合物的爆炸極限提供了參考。
空氣驅(qū) 爆炸極限 可燃?xì)怏w 溫度 壓力 惰性氣體 預(yù)測模型
目前,中國許多油田已進(jìn)入開發(fā)中后期,油井含水率相對較高,投入產(chǎn)出比較大,依靠常規(guī)注水技術(shù)挖潛越來越困難,油田現(xiàn)場規(guī)模化應(yīng)用的提高采收率技術(shù)主要有化學(xué)驅(qū)、熱采和氣驅(qū)[1-5]??諝怛?qū)技術(shù)由于適用范圍大、空氣來源廣、驅(qū)油機(jī)理多樣性等優(yōu)點受到中外專家的重視,但由于氧氣在一定條件下跟油氣混合存在爆炸風(fēng)險而限制了其發(fā)展[6-7]??扇?xì)怏w與氧氣(助燃?xì)怏w)在一定濃度范圍內(nèi)均勻混合,遇到點火源時會發(fā)生爆炸,該可燃?xì)怏w的濃度范圍被稱為爆炸極限,其最大值被稱為爆炸上限,最小值被稱為爆炸下限。整個空氣驅(qū)過程中都存在一定的爆炸風(fēng)險,如注氣井井筒內(nèi)油氣的回流、空氣壓縮機(jī)內(nèi)積炭的自燃、生產(chǎn)井井筒內(nèi)氧氣的突破、生產(chǎn)管線油氣的泄露。因此,準(zhǔn)確掌握和控制可燃?xì)怏w的爆炸極限,對于空氣驅(qū)技術(shù)的消防預(yù)警和安全生產(chǎn)有著重要意義。
研究結(jié)果[8]表明,爆炸極限受到多種內(nèi)外因素的影響,并非是一個固定值,工業(yè)生產(chǎn)中很難確定可燃?xì)怏w的安全濃度范圍。但若掌握了外界條件變化對爆炸極限的影響規(guī)律和計算方法,根據(jù)實際所測的氣體體積分?jǐn)?shù)并經(jīng)計算得到爆炸極限對工業(yè)生產(chǎn)仍有一定的指導(dǎo)意義。為此,筆者在充分考慮可燃?xì)怏w爆炸極限影響因素的基礎(chǔ)上,建立了可燃?xì)怏w在不同影響因素下的預(yù)測模型和統(tǒng)一預(yù)測模型,以期為空氣驅(qū)過程中確定油氣混合物的爆炸極限提供參考。
不同可燃?xì)怏w具有不同的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能,因此其爆炸極限也各不相同。由于C—C鍵比較牢固,C—C型碳?xì)浠衔锏姆肿硬灰资艿狡茐?,反?yīng)能力較差,因而其爆炸極限范圍較??;而C≡C鍵比較脆弱,C≡C型碳?xì)浠衔锏姆肿訕O易被破壞,其化學(xué)反應(yīng)能力強(qiáng),因而爆炸極限范圍較大;C=C型碳?xì)浠衔锏谋O限范圍則處于C—C型碳?xì)浠衔锱cC≡C型碳?xì)浠衔镏g。對于同一烴類化合物,隨碳原子個數(shù)增加,爆炸極限范圍隨之變小[7,9]。因此,當(dāng)混合可燃?xì)怏w中烴類組分體積分?jǐn)?shù)改變時,混合氣體的爆炸極限也相應(yīng)地發(fā)生改變。
研究常溫常壓下維持丙烷的體積分?jǐn)?shù)為10%時,甲烷體積分?jǐn)?shù)變化對甲烷、乙烷和丙烷混合氣體爆炸極限的影響規(guī)律,以及甲烷體積分?jǐn)?shù)一定(50%)時丙烷體積分?jǐn)?shù)變化對該混合氣體爆炸極限的影響規(guī)律。由圖1中的實驗值可知,混合氣體的爆炸極限相當(dāng)于各組分可燃?xì)怏w爆炸極限的調(diào)和平均值,當(dāng)組分體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時,混合氣體的爆炸極限趨向于體積分?jǐn)?shù)增加組分的爆炸極限。由多種可燃?xì)怏w組成的混合氣體,它的爆炸極限受到各個組分爆炸極限的影響,可用Lechatlier公式來估算[10],即
圖1 組分體積分?jǐn)?shù)變化對混合氣體爆炸極限的影響Fig.1 Influenceofcomponentvolumefractionon theexplosionlimitsofmixedgases
根據(jù)表1中可燃?xì)怏w的爆炸極限理論值[11-12],用Lechatlier公式計算混合氣體的爆炸極限,結(jié)果如圖1中的預(yù)測值所示。由誤差計算可知,爆炸下限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為3.4%,爆炸上限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為4.6%。模型預(yù)測值與實驗值之間存在一定的差別,這主要是因為可燃?xì)怏w的爆炸極限為經(jīng)驗值(表1),而非實測值;再者,實驗條件、人為操作等因素不可避免地造成誤差。由于計算誤差在可接受范圍之內(nèi),且模型預(yù)測的爆炸極限范圍比實驗值寬,完全可以通過模型預(yù)測值來定性地研究混合氣體的爆炸極限變化規(guī)律。
表1 常見的可燃?xì)怏w爆炸極限Table1 Explosionlimitsofcommonflammablegases %
式(1)適用于計算活化能、克分子燃燒熱、反應(yīng)速率相接近的可燃?xì)怏w組成的混合氣體的爆炸極限[13]。故在計算碳?xì)浠衔锘旌蠚怏w時比較準(zhǔn)確,而對其他可燃性混合氣體(如含硫氣藏等特殊油氣藏產(chǎn)出氣)的計算會出現(xiàn)一些偏差。
常溫常壓條件下可燃?xì)怏w的爆炸極限數(shù)據(jù)相對比較充分[14],但是油田生產(chǎn)現(xiàn)場工藝中經(jīng)常面臨高溫高壓環(huán)境,且生產(chǎn)現(xiàn)場在高溫高壓條件下可燃?xì)怏w發(fā)生意外爆炸的例子屢見不鮮,因此,測定不同溫度壓力條件下的可燃?xì)怏w爆炸極限具有非常重要的意義。
一般來說,溫度升高會增加爆炸的風(fēng)險,即溫度升高會擴(kuò)大混合氣體爆炸極限范圍。系統(tǒng)溫度升高,空間內(nèi)分子運動更劇烈,且活化分子數(shù)增多,可燃?xì)怏w分子更容易與氧氣分子發(fā)生碰撞反應(yīng),使原本不會爆炸的混合氣體變得具有爆炸風(fēng)險[15-16]。
天然氣中的甲烷通常被認(rèn)為是最具爆炸風(fēng)險的氣體(因其爆炸的臨界氧含量最低)。因此,實驗用甲烷來代表天然氣可燃?xì)怏w,用空氣作為助燃?xì)怏w,研究常壓條件下溫度對可燃?xì)怏w爆炸極限的影響規(guī)律。由實驗結(jié)果(圖2)可知,隨著溫度升高,爆炸下限減小,爆炸上限增大,可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍變大且具有很好的線性關(guān)系。Zabetakis根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù),提出了可燃?xì)怏w爆炸極限的預(yù)測模型,并利用Burgess-Wheeler法則進(jìn)行了修正[17]。
圖2 溫度對可燃?xì)怏w爆炸極限的影響Fig.2 Influenceoftemperatureontheexplosion limitsofmixedgases
Zabetakis修正公式是根據(jù)高至1200℃的爆炸實驗數(shù)據(jù)擬合得到,而油田在空氣驅(qū)過程中存在爆炸風(fēng)險的管線、空氣壓縮機(jī)等的溫度一般不會超過200℃,利用Zabetakis修正公式預(yù)測空氣驅(qū)過程中的爆炸極限誤差較大。筆者利用0~100℃的實驗數(shù)據(jù)對Zabetakis公式進(jìn)行進(jìn)一步修正,得到
根據(jù)式(2)和式(3)計算得到的常壓不同溫度下可燃?xì)怏w的爆炸極限如圖2預(yù)測值所示,其中爆炸下限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為0.4%,爆炸上限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為0.3%,均在誤差可接受范圍之內(nèi)。
為方便建立爆炸極限的統(tǒng)一預(yù)測模型,將式(2)和式(3)轉(zhuǎn)化為Zabetakis公式形式,即
其中
與溫度的影響相同,一般來說,壓力的上升也會增加爆炸風(fēng)險,即爆炸混合氣體初始壓力的上升會增大爆炸極限的范圍。壓力升高,混合氣體被壓縮,氣體分子間距變小,更容易發(fā)生碰撞,使可燃?xì)怏w燃燒的最初反應(yīng)更容易、更劇烈,混合氣體的爆炸風(fēng)險更大[16,18]。
以空氣作為助燃?xì)怏w,甲烷作為可燃?xì)怏w的代表,研究常溫條件下壓力對可燃?xì)怏w爆炸極限的影響。由實驗結(jié)果(圖3)可知,隨著壓力的上升,爆炸下限減小,爆炸上限增大,可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍變大但并非具有線性關(guān)系。Jones和Zabetakis等的研究結(jié)果[13,17]證明,可燃?xì)怏w的爆炸極限隨壓力呈對數(shù)變化。利用0~2MPa實驗數(shù)據(jù)建立了壓力影響下可燃?xì)怏w爆炸極限的預(yù)測模型,即
圖3 壓力對可燃?xì)怏w爆炸極限的影響Fig.3 Influenceofpressureontheexplosion limitsofmixedgases
根據(jù)式(6)和式(7)計算得到的常溫不同壓力條件下可燃?xì)怏w的爆炸極限如圖3預(yù)測值所示,爆炸下限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為0.8%,爆炸上限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為1.7%,均在誤差允許范圍之內(nèi)。
為方便建立爆炸極限的統(tǒng)一預(yù)測模型,將式(8)和式(9)轉(zhuǎn)化為Zabetakis公式形式,即
其中
爆炸混合氣體中惰性氣體(如N2,CO2,Ar和He等)的存在,會壓縮混合氣體的爆炸極限范圍。如果混合氣體中惰性組分的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一定比例,原本可燃可爆的混合氣體就會變成不易反應(yīng)的穩(wěn)定體系,不再具有爆炸風(fēng)險[16]。鑒于油田開發(fā)實際狀況,主要考察CO2和N2對爆炸極限的影響。
常溫常壓條件下,在甲烷與空氣的混合組分中,逐漸加入CO2或N2,進(jìn)行點火爆炸實驗,考察CO2和N2對爆炸極限的影響規(guī)律。實驗結(jié)果如圖4實驗值所示。王華等在煤礦開采過程瓦斯防爆安全的研究中[19]曾得出與圖4類似的結(jié)果。
由圖4可知,隨惰性氣體體積分?jǐn)?shù)的增加,爆炸下限增大,爆炸上限減小,可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍變窄,爆炸上下限最終相聚于一點,稱之為爆炸極限臨界點。如果向混合氣體中繼續(xù)增加惰性氣體,則無論怎么改變混合氣體中可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)(保持惰性氣體體積分?jǐn)?shù)不變),都不會發(fā)生爆炸。爆炸上下限包絡(luò)內(nèi)的一尖形半島區(qū)域即為爆炸區(qū)域或爆炸極限范圍。
含有惰性氣體的可燃?xì)怏w的爆炸極限主要有2種計算方法:①配比計算法[10],將某種惰性氣體與某種可燃?xì)怏w視為一種組分,該組分的爆炸極限可根據(jù)惰性氣體與可燃組分之比查圖版得到,然后根據(jù)Lechatlier公式求得混合氣體的爆炸極限;②惰性氣體修正法[20],結(jié)果如圖4預(yù)測值1所示,因其未考慮到不同惰性氣體的影響,計算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差,最高達(dá)17%,故用該方法預(yù)測的可燃?xì)怏w爆炸極限值參考價值不大。
圖4 惰性氣體體積分?jǐn)?shù)變化對混合氣體爆炸極限的影響Fig.4 Influenceofinertgasvolumefractiononthe explosionlimitsofmixedgases
筆者根據(jù)不同CO2或N2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下可燃?xì)怏w的爆炸極限數(shù)據(jù),利用數(shù)值分析原理擬合出爆炸上、下限關(guān)于惰性氣體體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律的函數(shù),即
根據(jù)式(14)和式(15)計算得到的不同N2體積分?jǐn)?shù)下可燃?xì)怏w的爆炸極限如圖4a預(yù)測值2所示,爆炸下限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為4.9%,爆炸上限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為3.6%,均在誤差允許范圍之內(nèi)。根據(jù)式(16)和式(17)計算得到的不同CO2體積分?jǐn)?shù)下可燃?xì)怏w的爆炸極限如圖4b預(yù)測值2所示,爆炸下限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為1.1%,爆炸上限預(yù)測值與實驗值的最大誤差為2.5%,均在誤差允許范圍之內(nèi)。
為方便建立爆炸極限的統(tǒng)一預(yù)測模型,將式(14)—式(17)轉(zhuǎn)化為Zabetakis公式形式,即
其中
大量的爆炸極限實驗數(shù)據(jù)表明,溫度、壓力等爆炸極限影響因素之間的交互作用可以忽略[21-23],此結(jié)論同樣可以用數(shù)理統(tǒng)計的方法[24]證明。
對表2中的數(shù)據(jù)[23]進(jìn)行方差分析,得到表3所示結(jié)果。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法,取置信度為0.99,則統(tǒng)計量F大于λ(統(tǒng)計量F的置信度為0.99時的分位數(shù)或臨界值)的概率為0.01,即P{}F>λ=0.01,查相應(yīng)的F分布表,得λ1=2.70,λ2=2.36,λ3=2.12。溫度因素的F值69.50693>>λ1,壓力因素的F值135.7136>>λ2,而溫壓交互作用的 F值1.565941<λ3,說明溫度、壓力對爆炸極限的影響顯著,而溫壓交互作用對爆炸極限的影響并不顯著,與溫度、壓力相比可以忽略。
表2 不同溫度、壓力下甲烷的爆炸上限Table2 Upperexplosionlimitsofmethaneunderdifferent temperatureandpressure
表3 方差分析結(jié)果Table3 Analysisresultsofvariance
因此,不考慮溫度、壓力、惰性氣體各因素之間的交互作用,建立單組分可燃?xì)怏w的爆炸極限預(yù)測模型為
除可燃?xì)怏w組分、溫度、壓力、惰性氣體等因素外,混合氣體的爆炸極限仍受其他因素的影響:①容器中氣體的混合程度,可燃可爆系統(tǒng)通常都是由多種氣體混合組成,它們的混合程度會對爆炸極限產(chǎn)生一定的影響??偟膩碚f,混合不均的氣體爆炸極限值略小。②點火源,一般來說,點火源越靠近容器中心、放出的點火能量越大以及火花塞與混合氣體接觸得越充分,相應(yīng)系統(tǒng)的爆炸極限就越大。③爆炸容器,可燃?xì)怏w的爆炸極限也會受到其所處爆炸容器(形狀、大小和材質(zhì))的影響。一般來講,容器形狀越不規(guī)則,容積越小,其所對應(yīng)的爆炸極限就越小。
若點火源能量、位置不同,爆炸容器形狀、大小不同以及氣體混合程度發(fā)生變化,測得的可燃?xì)怏w爆炸極限就會有所不同,而這些因素對爆炸極限的影響程度很難定量描述。為確保安全和簡化實驗,只需測得最危險的工況條件(如可燃?xì)怏w混合均勻、點火源能量足夠大且與可燃?xì)怏w接觸充分等)下的爆炸極限,來代替不同工況條件下的爆炸極限。
式(26)和式(27)充分考慮了影響爆炸極限的溫度、壓力、惰性氣體(主要是CO2和N2)等因素,氣體混合程度、爆炸容器等因素考慮在可燃?xì)怏w常溫常壓下的爆炸極限內(nèi),故模型預(yù)測值有一定的應(yīng)用和參考價值。
而對于多組分可燃?xì)怏w,可先根據(jù)Lechatlier公式計算其常溫常壓下的爆炸極限值,然后將其視為單組分可燃?xì)怏w代入單組分預(yù)測模型進(jìn)行計算。由于單組分預(yù)測模型未考慮惰性氣體對不同可燃?xì)怏w抑爆效果的差異,對多組分可燃?xì)怏w爆炸極限的預(yù)測值可能會有所偏差,但惰性氣體對可燃2氣體爆炸極限的影響趨勢相近[20],其預(yù)測值仍有一定的參考價值。
空氣驅(qū)是一項富有創(chuàng)造性的提高采收率技術(shù),但爆炸風(fēng)險的存在嚴(yán)重制約了該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用??扇?xì)怏w的爆炸極限是一個濃度的范圍,并且不是一個固定值,受到多種因素的影響,如可燃?xì)怏w種類、溫度、壓力、惰性氣體體積分?jǐn)?shù)以及氣體混合程度、點火源等。
混合氣體的爆炸極限相當(dāng)于各組分可燃?xì)怏w爆炸極限的調(diào)和平均數(shù),可用Lechatlier公式進(jìn)行計算;溫度上升,可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍變大,且具有很好的線性關(guān)系,可用修正的Zabetakis公式計算;壓力上升,可燃?xì)怏w的爆炸極限范圍變大,呈對數(shù)關(guān)系變化;隨惰性氣體體積分?jǐn)?shù)增加,爆炸極限范圍變小,不同惰性氣體抑爆效果不同。
符號解釋:
C——多組分可燃性混合氣體的爆炸極限,%;V1,V2,V3,…,Vn——各組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù),%;C1, C2,C3,…,Cn——各組分氣體的爆炸極限,%;——常壓不同溫度下可燃?xì)怏w的爆炸下限,%;t——溫度,℃;——常壓不同溫度下可燃?xì)怏w的爆炸上限,%;αL——爆炸下限溫度系數(shù)——常溫常壓下可燃?xì)怏w的爆炸下限,%;αU——爆炸上限溫度系數(shù);——常溫常壓下可燃?xì)怏w的爆炸上限,%;——常溫不同壓力下可燃?xì)怏w的爆炸下限,%;p——壓力,MPa;——常溫不同壓力下可燃?xì)怏w的爆炸上限,%;βL——爆炸下限壓力系數(shù);βU——爆炸上限壓力系數(shù);——常溫常壓下可燃?xì)怏w在N2影響下的爆炸上限和下限,%;φN2——混合氣體中 N2的體積分?jǐn)?shù),%;——常溫常壓下可燃?xì)怏w在CO2影響下的爆炸上限和下限——混合氣體中CO2的體積分?jǐn)?shù),%;γU1,γU2——可燃?xì)怏w在N2和CO2影響下的爆炸上限惰性系數(shù);γL1,γL2——可燃?xì)怏w在N2和CO2影響下的爆炸下限惰性系數(shù);——溫度t壓力p下的爆炸下限,%;——溫度t壓力p下的爆炸上限,%。
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編輯劉北羿
Influentialfactorsandmodelpredictionfor explosionlimitsduringairflooding
LiHaikui1,LiLeibing2,ZhangLiang1,WangLei3,WangFang4,RenShaoran1
(1.SchoolofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina),QingdaoCity,ShandongProvince,266580,China;2.Engineering&TechnologyResearchInstituteofGreatwallDrillingEngineeringCo.,Ltd.,CNPC,PanjinCity,LiaoningProvince,124010,China;3.PetroChinaCBMHanchengBranch,WeinanCity,Shannxi Province,715409,China;4.CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,F(xiàn)ushunCity,LiaoningProvince,113001,China)
Airflooding,asacreativeEORtechnique,isreceivingmoreandmoreattention.Theexistenceofexplosionrisk severelyconstrainsthedevelopmentandapplicationofthistechnique.Thus,itisofgreatimportancetoobtainaclear knowledgeandcontroloftheexplosionlimitsofcombustiblegasesforfirewarningandproductionsafetyoftheairflooding technique.Forthisreason,thefactorsthatinfluencetheexplosionlimitsofthecombustiblegaseswereanalyzed,andtheresultsshowthat:thecomponentsofthemixcombustiblegasescaninfluenceonitsexplosionlimits,andthecombustiblegaseswithmulti-componenthaveanexplosionlimitswhicharetheharmonicmeanofthosecomponents;theexplosionlimits increaselinearlywiththeraiseoftemperature,butincreaselogarithmicallywiththeraiseofpressure;theexplosionlimits decreasewiththeincreasingvolumefractionofinertgases,anddifferentkindsofinertgaseshavevariousinfluencesonexplosionproof.Thecalculationmodelswithdifferentfactorsandunifiedpredictionmodeloftheexplosionlimitsofthecombustiblegaseswerematchedbyusingmechanismofnumericalanalysisandcombinationofempiricalformula,andthatwill providereferenceforpredictingtheexplosionlimitsofoil-gasmixtureunderdifferentconditionsinairfloodingtechnique.
airflooding;explosionlimits;combustiblegases;temperature;pressure;inertgases;predictionmodels
TE357.7
A
1009-9603(2015)01-0111-07
2014-11-28。
李???990—),男,山東沂水人,在讀碩士研究生,從事注氣提高采收率研究。聯(lián)系電話:15610500319,E-mail:lihaikuiupc@hotmial.com。
教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃“復(fù)雜油藏開發(fā)和提高采收率的理論與技術(shù)”(IRT1294)。