氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置的研制與試驗

李一博， 李永杰

（油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（西南石油大學），四川成都 610500）

井下燃爆是指氣體鉆井鉆遇含氣層位時發(fā)生可燃氣體燃爆的現象[1]。井下燃爆的條件是地層中的烴類氣體進入井筒與空氣混合，達到井筒環(huán)境條件下的燃爆界限，且鉆具摩擦形成的高溫足以點燃混合氣。井下燃爆經常發(fā)生在以空氣為循環(huán)介質的氣體鉆井中[2]，給氣體鉆井的井下安全帶來很大挑戰(zhàn)。國內外針對氣體鉆井井下燃爆問題已經進行了一些研究，但主要集中在排砂管線返出氣體的監(jiān)測方面，針對井下環(huán)境進行燃爆的試驗研究比較少，特別是不同壓力、溫度和混合氣體積分數下發(fā)生燃爆規(guī)律方面的研究鮮有報道。為此，筆者研制了現場快速直接測定地層烴類氣體燃爆界限的裝置，并給出了高效測量方法，開展了快速測量燃爆界限的試驗，驗證了該測量裝置的安全性和精確性，得到了溫度和壓力升高會使甲烷燃爆范圍變寬的規(guī)律。

1 燃爆界限測量裝置的研制

為滿足不同井眼條件下快速測量燃爆界限的要求，依據最優(yōu)原則選擇控制壓力、溫度和混合氣體積分數這3 個可變參數；為達到經濟高效的目的，以溫度為最先控制量，在調配好混合氣體積分數的條件下加壓進行燃爆試驗。在此基礎上，研制了氣體鉆井井下燃爆界限測量裝置，該裝置由高溫高壓可變容積燃爆測試筒（簡稱測試筒）和系統(tǒng)總成2 部分組成。

測試筒主要由氣腔、柱塞與推進機構、支架與底座等3 部分組成，如圖1 所示。氣腔為一個可以模擬地層或井下壓力、溫度的圓柱狀封閉空間，其直徑大于臨界熄火直徑，長度足夠形成連續(xù)傳播的火焰，而且氣腔足夠長，還能使測試中的壓力調節(jié)范圍足夠大；氣腔內有攪拌球和磁力驅動裝置，用于攪拌氣腔內的氣體，使之均勻混合。柱塞與推進機構改變體積，可以調節(jié)氣腔內的壓力及氣腔進氣與排氣的量。測試筒上有一套控制供給空氣和地層烴類氣體的供氣系統(tǒng)，可以通過安裝在其上的傳感器將數據輸送到計算機，通過計算機實現自動化控制，從而實現不同測試條件下的燃爆監(jiān)測與分析。

圖 1 測試筒的結構Fig.1 Structure of the test barrel

測試筒周圍是測試裝置的系統(tǒng)總成，包括：空氣和烴類氣體的自動控制供氣裝置，點火及溫度控制裝置，測試尾氣的處理及分析裝置，各相關傳感器和伺服控制機構，以及內置分析、控制軟件的計算機。測試裝置的系統(tǒng)總成如圖2 所示。

氣體鉆井井下燃爆界限測量裝置可以根據實際應用效果，將裝置主體和其他相關輔助機構集成為一個模塊。該模塊具有便攜、安全、高效、準確的特點，可以直接在井場提供服務。

2 井下燃爆界限測量方法

2.1 裝置使用方法

打開溫控箱，將氣腔加熱至設定溫度并待其溫度恒定，用空氣壓縮機向帶攪拌器的高壓氣瓶注入高壓空氣。如果進行氮氣或二氧化碳氣體測試，則注入一定量空氣后再向帶攪拌器的高壓氣瓶中注入高壓氮氣或二氧化碳氣體并連續(xù)攪拌，直至罐中氧氣的體積分數達到要求值。開動調速電機，驅動空心柱塞到達右死點，同時帶攪拌器的高壓氣瓶中的混合氣體通過空氣/氮氣進氣控制閥注入氣腔，使氣腔內的壓力達到標準大氣壓。

烴類氣體氣瓶中的高壓氣體通過三通閥注入氣腔，根據預定烴類氣體的體積分數確定注入量。啟動吸球電磁鐵，將攪拌球由儲球室內吸出。啟動調速電機驅動空心柱塞左行，至端面到達儲球室中心位置，半遮蓋儲球室。吸球電磁鐵斷電，6 個電磁鐵排列的1 號電磁鐵啟動，攪拌球被吸到1 號電磁鐵位置。之后1 號電磁鐵斷電，2 號電磁鐵啟動，攪拌球移動到2 號電磁鐵位置。按上述順序依次操作，直至攪拌球移動到6 號電磁鐵位置。然后以相反順序操作，直至攪拌球又移動到1 號電磁鐵位置。攪拌球往復運動，直至左、右端全烴體積分數傳感器讀數一致且穩(wěn)定，停止攪拌。攪拌結束時，攪拌球停留在1 號電磁鐵位置。1 號電磁鐵斷電，吸球電磁鐵啟動，攪拌球被吸到緊靠柱塞端部的位置。將柱塞退至右死點，吸球電磁鐵斷電，攪拌球落回儲球室，將柱塞向左推進，封住儲球室。通過帶防爆安全功能的可控排氣閥微量放氣，調整氣腔內壓力至標準大氣壓。

圖 2 測試裝置的系統(tǒng)總成Fig.2 System assembly of the test device

關閉可控排氣閥，進行測試。必要時調整壓力、溫度等參數并點火，直至點燃。測試結束后，打開可控排氣閥排氣，尾氣通過安全排氣口排放，同時用氣體組分分析儀分析尾氣組分。此時，螺桿推動柱塞運行至左死點位置，使氣腔內尾氣完全排出，為下一次測試做好注氣準備。

氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置的全部測試流程如圖3 所示。

測量試驗中，由儲球室的攪拌球將氣腔內的混合氣體攪拌均勻。而在實際工況下，地層產出氣體與井筒中空氣的混合可能并不均勻，在現場應用中可能存在一定誤差。但對于埋深1 000.00 m 的地層而言，地層壓力10～20 MPa，井筒壓力只有1 MPa左右，地層侵入井筒內的烴類氣體與空氣的混合速度極快，在一些井段氣體混合程度較為均勻，因此氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置采用均勻混合氣體進行試驗的結果較為準確。

2.2 燃爆界限組合測量方法

2.2.1 常壓（定壓）燃爆界限點測量

以甲烷氣體為測試對象，介紹氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置在常壓下測量燃爆界限的方法。常壓燃爆下限點的測量依據二分法原理，使取值點在要求的精度內無限靠近實際燃爆下限點，在溫度恒定時依次通入空氣和甲烷氣體，攪拌均勻后啟動壓力恒定控制程序，設置氣腔內壓力p 為0.1 MPa，前2 次試驗中氣腔內混合氣體體積分數分別為富氧狀態(tài)下的必不燃全烴體積分數CN和富氧狀態(tài)下的必燃全烴體積分數CY，取CN和CY的中值CM并判斷CN與CY的差值是否滿足甲烷氣體體積分數測量的允許誤差(ε=0.5%)[3]，若滿足，則CM即為燃爆下限點，否則測試體積分數為CM時是否發(fā)生燃爆，根據結果對CY和CN進行賦值，并重復上述過程，具體流程如圖4 所示（圖4 中，Y 和N 分別代表發(fā)生燃爆和不發(fā)生燃爆）。

圖5 為利用二分法尋找常壓下燃爆下限點的示意圖（圖區(qū)中數字為試驗序號）。該方法可以根據燃爆情況調整注入氣腔混合氣的體積分數，高效測量該壓力和溫度下甲烷氣體的燃爆下限。

圖 3 點火測試流程示意Fig.3 Schematic diagram of the ignition test flow

圖 4 常壓燃爆界限點測量流程Fig. 4 Measurement process of normal pressure blasting limit point

圖 5 利用二分法尋找常壓下燃爆下限點的示意Fig. 5 Using the dichotomy to find the lower blasting limit at normal pressure

二分法原理同樣適于貧氧情況下點燃的甲烷氣體最大體積分數的測量（即尋找燃爆上限點），只需改變注氣順序先向氣腔注入甲烷至壓力達到0.1 MPa再通入適量空氣，攪拌均勻后控制壓力在0.1 MPa，前2 次試驗氣腔內混合氣體體積分數分別為貧氧狀態(tài)下的必不燃全烴體積分數和貧氧狀態(tài)下的必燃全烴體積分數，再尋找中值、判斷誤差，并進行燃爆試驗。圖6 為利用二分法尋找常壓下燃爆上限點的示意圖（圖區(qū)中數字為試驗序號）。

圖 6 利用二分法尋找常壓下燃爆上限點的示意Fig. 6 Using the dichotomy to find the upper blasting limit at normal pressure

2.2.2 變壓燃爆界限點測量

根據常壓（定壓）燃爆界限點測量結果，可獲得某一溫度和壓力下的燃爆界限，以此為基礎，保持溫度不變，調整氣腔內甲烷氣體的體積分數至該溫度和壓力下燃爆上限以上或下限以下，氣腔內甲烷體積分數相對于燃爆界限的增減設置某一梯度ΔC，從原壓力開始進行點火測試，連續(xù)緩慢地推動柱塞使壓力連續(xù)升高，同時連續(xù)點火。如果點燃，則測到該條件下點燃的最低壓力，增大或減小氣腔甲烷氣體的體積分數后，重新進行增壓測試。如果柱塞到達左端極限位置仍未點燃，則驗證是否因增減梯度過大引起，直至因氣體密度過小而無法測量。

變壓燃爆界限點測量流程如圖7 所示。利用該方法測量不同壓力下的燃爆下限點時，根據定壓燃爆界限測量獲取某一溫度和壓力下的燃爆界限C，維持此溫度和壓力但氣腔內甲烷氣體體積分數相對燃爆下限減少0.5%，打開電機推動柱塞，通過減小氣腔體積的方式不斷增壓并持續(xù)點火，若增壓過程中發(fā)生燃爆則此壓力為該氣體體積分數下發(fā)生燃爆的最小壓力（即測得此壓力和溫度下的燃爆下限點），可繼續(xù)減小甲烷氣體的體積分數進行增壓測量。

已知某一溫度下壓力為0.1 MPa 時的燃爆下限，尋找其他壓力下燃爆下限的過程如圖8 所示。

圖 7 變壓燃爆界限點測量流程Fig. 7 Measurement process of variable pressure blasting limit point

圖 8 利用二分法尋找變壓下燃爆下限點的過程Fig. 8 The process of find the lower blasting limit under variable pressure by dichotomy

燃爆上限隨壓力改變的測量與燃爆下限的原理基本相同，只是將C 定義為某一溫度和壓力下的燃爆上限，燃爆發(fā)生后令C=C+ΔC，再次進行試驗。已知某一溫度下壓力為0.1 MPa 時的燃爆上限，尋找其他壓力下燃爆上限點的過程如圖9 所示。

圖 9 利用二分法尋找變壓下燃爆上限點的過程Fig. 9 The process of find the upper blasting limit under variable pressure by dichotomy

2.2.3 給定溫度-壓力變化范圍的燃爆上下限曲面測量

根據給定溫度和定壓燃爆界限點測量結果得出該壓力和溫度下的燃爆界限；然后改變壓力，繪制出燃爆界限隨壓力變化的曲線；最后通過改變最初的溫度條件，得到燃爆界限隨溫度和壓力變化的曲面，如圖10 所示。

圖 10 利用各溫度對應的變壓燃爆曲線制作的燃爆曲面Fig. 10 Using the variable pressure blasting curve corresponding to each temperature to plot a blasting curve surface

根據測得的數據，合理調整鉆井方案，可避免出現井下燃爆及其帶來的不良后果。

2.3 現場應用方法

現場應用中，排砂管線內的傳感器測量經過除塵、干燥后氣體各組分的體積分數，并根據測量結果配制出相同指標的烴類氣體。以配制出的氣體為研究對象，測量其在不同條件下的燃爆界限，最后根據大量試驗結果得出該氣體的燃爆曲面。根據排砂管線內傳感器的測量數據，動態(tài)調節(jié)配制出的烴類氣體，及時修正燃爆曲面，以便獲得精確的預測結果。

后續(xù)生產過程中，將排砂管線內傳感器的實時測量數據與燃爆裝置所得出的燃爆曲面結合，判斷氣體鉆井過程中可能發(fā)生燃爆的階段，適時將空氣改為氮氣、鉆井液等，以保證鉆井安全。

3 井下燃爆試驗

為檢驗氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置的安全性和精確度，以甲烷氣體為試驗對象，配制了甲烷氣體和空氣的混合氣，在不同壓力和溫度下，進行混合氣井下燃爆界限測定試驗。壓力一定、溫度不定時的試驗數據及結果見表1，壓力不定、溫度基本穩(wěn)定時的試驗數據及結果見表2。

表 1 壓力一定、溫度不定時的試驗數據及結果Table 1 Test data and results with constant pressure and variable temperature

表 2 壓力不定、溫度基本穩(wěn)定時的試驗數據及結果Table 2 Test data and results with variable pressure and nearly constant temperature

從表1 可以看出：37.0 ℃溫度下，體積分數4.75% 的甲烷氣體發(fā)生燃爆，而在38.0 ℃ 溫度下體，積分數4.73%的甲烷氣體不發(fā)生燃爆，但當溫度升至83.0 ℃時就會發(fā)生燃爆；37.0 ℃溫度下，體積分數14.80%的甲烷氣體發(fā)生燃爆，而甲烷氣體體積分數達到15.00%時，即使溫度升高也不會發(fā)生燃爆，但加入少量空氣后溫度稍微升高即發(fā)生燃爆。分析上述試驗結果可知，壓力恒定為0.1 MPa、溫度為38.0 ℃時的燃爆界限為4.75%～14.80%，與已知甲烷氣體燃爆范圍（5%～15%[4]）的最大誤差為0.25%；壓力一定時，甲烷體積分數處于某一溫度下的燃爆界限以外且不超過某一范圍時，溫度升高可在該體積分數下發(fā)生燃爆，換言之，壓力一定時，溫度越高，發(fā)生燃爆甲烷氣體體積分數的范圍越大。

從表2 可以看出，每個試驗所對應的溫度相差不大，但壓力相差較為明顯。當壓力為0.35 MPa、溫度為87 ℃時，體積分數4.20%以下的甲烷氣體不會發(fā)生燃爆；但溫度變化不大，壓力升至0.45 MPa 時，體積分數3.55%的甲烷氣體就會發(fā)生燃爆。同樣，在86 ℃、0.10 MPa 條件下，體積分數15.78%以上的甲烷氣體不會發(fā)生燃爆，但壓力升至0.40 MPa 時，體積分數25.00%的甲烷氣體即使溫度只有69 ℃也會發(fā)生燃爆。分析上述試驗結果可知，溫度一定時，甲烷氣體體積分數處于某一壓力下的燃爆界限以外且不超過某一范圍時，溫度升高，可在該體積分數下發(fā)生燃爆，換句話說，溫度一定時，壓力越高，發(fā)生燃爆甲烷氣體體積分數的范圍越大。

綜合上述試驗結果，壓力為0.1 MPa 下測得的甲烷氣體的燃爆界限與目前已知甲烷氣體燃爆范圍（5%～15%）相比存在0.25%的最大誤差，符合甲烷氣體檢測±0.50%的允許誤差[3]。在一定范圍內，溫度和壓力升高，會使可燃氣體燃爆體積分數的范圍增大。

4 結論與認識

1）研制了一種現場條件下快速精確測定井下可燃氣體燃爆界限的裝置，可實現不同壓力、溫度和混合氣體積分數下的燃爆界限測量，為氣體鉆井提供了安全保障。

2）給出了燃爆界限的組合測量流程，提供了壓力、溫度和體積分數的控制方法，提高了氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置的使用效率。

3）通過甲烷氣體的燃爆界限測量試驗，驗證了氣體鉆井井下燃爆界限快速測量裝置的安全性和有效性，發(fā)現了隨著溫度和壓力升高，可燃氣體的燃爆界限在某一范圍內也會增大的規(guī)律。