地層條件下油氣混合氣安全氧含量實驗研究*

劉 欣，李鵬亮，屈 波，檀為建，田 鑫，王培森，耿 彤

(1.中國石油集團工程設計有限責任公司 華北分公司，河北 任丘 062550； 2.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081)

0 引言

注空氣采油技術廣泛地應用于中低滲透油藏的開采，是1種便捷高效的三次采油方法[1-4]。在注空氣采油的過程中，氮氣對原油起驅替作用，氧氣可以與原油發生化學反應，放出一定的熱量，從而改善原油的流動性，提高油層的采收率。與其他開采技術相比，注空氣采油操作簡便，成本低廉。此外，相比其他驅替介質，空氣的流動阻力要小得多，可以很好地解決中低滲透油藏流動阻力大、其他介質難以注入等問題[5]。

在注空氣采油的過程中，原油中的輕質組分會揮發出來，在井筒內與空氣形成可燃性混合氣體，遇到點火源有發生爆炸的危險。可燃氣體的爆炸特性與溫度和壓力有著密切的聯系。當混合氣體溫度升高，其分子內能增加，導致活性分子增加，使原來不燃不爆的混合物變為可燃可爆，所以溫度升高使爆炸的危險性增加。而當系統壓力增加，分子間間距縮小，碰撞幾率增加，使反應更容易進行；反之，壓力降低，氣體分子間距拉大，發生爆炸的可能性會變小。

在大部分地層條件下，溫度能達到100℃左右，壓力可以達到10 MPa。前人的研究[6-12]主要集中在常溫常壓下可燃氣體的爆炸特性，而在地層條件下，可燃性氣體處于高溫高壓狀態。因此，需要對地層高溫高壓環境下可燃氣體的爆炸特性尤其是安全含氧量進行研究。

本文研發了1種用于測試地層高溫高壓環境下油氣混合氣體安全含氧量的實驗裝置，通過對采油現場井筒內的氣體進行取樣分析，選取一定組分的混合氣體，對其在不同溫度和壓力條件下的安全氧含量進行了實驗研究，將實驗結果與理論分析結果進行了對比分析。研究結果可為采油現場的安全控制提供參考，以期確保注空氣采油過程中的安全性。

1 理論分析

采油現場實測可燃混合氣體組分如表1所示。從表1可以看出，可燃性氣體中甲烷占比最大。根據文獻[13-14]數據，對實測可燃性混合氣體在常溫常壓下的安全氧含量進行了估算。

表1 實測可燃氣體混合物組分Table 1 Measured composition of combustible gas mixture

實測氣體中的可燃組分為混合氣體，用爆炸三角形作圖計算其安全氧含量時只能將其簡化成1種單一氣體，這在理想氣體是允許的。根據萊徹斯特公式求出混合氣體在空氣和氧氣中的爆炸上限和爆炸下限。

作圖法求可燃氣體的安全氧含量如圖1所示。畫出等邊三角形，其頂點F，O，N分別表示可燃性氣體、氧氣、氮氣，令X1=4.72，X2=14.68，X11=4.92，X22=60.98，以點的形式將混合可燃組分在空氣中的爆炸極限X1，X2畫在空氣線FA上；再以點的形式將混合可燃組分在氧氣中的爆炸極限X11，X22畫在氧氣線FO上；分別連接X1，X11和X2，X22，并延長，其延長線相交于點C；過C點繪制平行于燃料軸的直線，可求得安全含氧量為12.68%。

圖1 作圖法求可燃氣體的安全氧含量示意Fig.1 Calculation of safe oxygen content of combustible gas by drawing method

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

本研究參照標準E2079-07進行實驗設計[15]。圖2給出了地層高溫高壓環境下油氣混合氣安全氧含量測試系統的總體結構圖。該系統主要由氣體注入系統、反應釜、點火系統、安全保護系統、數據采集系統等部分組成，其中，反應釜采用高強鈦合金材料加工而成，釜體容積1 L。采用電點火頭進行點火，點火能量約為10 J。

2.2 實驗方法及步驟

本實驗擬測定地層高溫高壓環境下油氣混合氣體的安全氧含量。在進行實驗測試時，根據分壓法依次充入可燃氣體、氮氣和空氣，點火后觀察是否發生燃爆。

實驗前，首先打開反應釜一側的電極，安裝電點火頭；然后向反應釜注入一定壓力的空氣，關閉所有閥門，測試整個系統的氣密性；確認氣密性良好之后，打開進氣閥、空氣調節閥、排氣閥，向整個回路輸送干燥空氣，清洗整個回路；然后關閉空氣調節閥、進氣閥、排氣閥，啟動空氣壓縮機和氣體增壓泵準備注氣。

按分壓法依次向反應釜注入可燃氣體和氮氣，再由空氣注入系統向反應釜補充空氣，直到反應釜的壓力達到所需壓力時為止，關閉進氣閥。待混合均勻，靜置10 min后點火，根據反應釜內壓力和溫度變化情況判斷是否爆炸，記錄實驗結果。重復以上步驟，直至實驗結束。

圖2 爆炸測試系統示意Fig.2 Schematic diagram of explosion test system

本實驗系統主要根據反應釜內超壓值判斷是否發生燃爆，并輔以溫度變化差值來進行綜合判斷。由于實驗采用電點火頭點火，因此首先要考慮電點火頭燃燒產生的壓力升值和溫度變化情況。為了使結果判斷更為準確，本數據采集系統使用2個壓力傳感器和1個溫度傳感器來采集數據。根據實驗測試結果，電點火頭燃燒產生的超壓值不高于0.05 MPa，而其爆炸前后溫度差值在10℃以內。因此，超壓值大于0.05 MPa即判定發生燃爆。由于爆炸極限附近溫度變化比較小，其受環境影響比較大，所以將其作為輔助的判斷依據，主要以超壓值的大小判斷是否發生燃爆現象。

2.3 實驗材料及條件

根據現場實測可燃性氣體組分，在本實驗研究中配置了由94.9%甲烷、2.1%乙烷和3%丙烷組成的可燃性氣體。實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件Table 2 Experimental conditions

3 結果與討論

在測試1 MPa，40℃條件下的安全氧含量時，采用逐漸增加氮氣含量的方法來進行實驗研究，具體結果如表3所示。從表3中可以看出，當可燃氣體濃度為2.4%時，隨著氮氣濃度增加，混合氣中的氧氣含量降低，當加入氮氣濃度為40%時，不會發生燃爆。此時，保持氮氣濃度為40%，增加可燃氣體濃度至2.8%和3.2%，則又會發生燃爆。保持可燃氣體濃度為3.2%，增加氮氣濃度至50%時，則又不會發生燃爆。按照相同的方法相繼增加可燃氣體和氮氣的濃度，當可燃氣體濃度為3.6%，氮氣濃度為50%時，會發生燃爆。繼續增加可燃氣體濃度至4%和5%，則不會發生燃爆。由此判定，當可燃氣體濃度為3.6%，氮氣濃度為50%時，所對應的氧氣濃度為安全氧含量，即9.74%。由此可以看出，隨著氮氣的加入，可燃氣體的爆炸下限有所升高。

表3 1 MPa，40℃條件下安全氧含量實驗結果Table 3 Experimental results of safe oxygen content at 1 MPa and 40℃

圖3給出了1 MPa，40℃條件下，可燃氣濃度為2.4%時反應釜內超壓值隨加入氮氣濃度的變化情況。從圖3中可以看出，隨著氮氣濃度的增加，點火后產生的超壓值逐漸減小，由氮氣濃度為10%時的3.1 MPa減小到氮氣濃度為40%時的0.04 MPa，從劇烈的爆炸轉化為緩慢的燃燒，直到不發生燃爆。由此說明，氮氣的加入可以抑制可燃氣體的燃燒性能，并且濃度越大，抑制效果越明顯。當不再發生燃爆時，所對應的氧氣濃度即為安全氧含量。

圖3 1 MPa，40℃，2.4%可燃氣條件下超壓值隨加入氮氣濃度的變化規律Fig.3 The change of overpressure value with nitrogen concentration at 1 MPa, 40℃, 2.4% gas

表4給出了不同條件下安全氧含量的實驗結果，從表4中可以看出，在地層高溫高壓條件下所測得的安全氧含量均低于常溫常壓下的理論估算值。隨著壓力的增加，安全氧含量有所降低，這是因為當壓力升高時，反應物分子間間距變小，單位時間內反應物分子間的碰撞次數增多，因此，反應體系更加危險，維系反應進行所需要的氧含量降低。隨著溫度的升高，安全氧含量也普遍降低，這是由于當溫度升高時，分子運動更加劇烈，因此，單位時間內分子之間的碰撞次數增多，反應體系更加危險，反應所需要的氧含量隨之降低，與前人研究結果一致[16-17]。

表4 安全氧含量結果匯總Table 4 Summary of safe oxygen content

4 結論

1)設計了1套能用于測試高溫高壓條件下可燃性氣體混合物安全氧含量的實驗裝置，解決了高壓條件下可燃氣體爆炸特性中安全含氧量難以測定的問題。

2)基于理論分析，采用作圖法，求得可燃氣體樣品的安全氧含量為12.68%。

3)實驗結果表明，在地層高溫高壓環境下油氣混合氣的安全氧含量要遠低于理論分析的安全氧含量值。

4)隨著溫度和壓力的升高，油氣混合氣的安全氧含量逐漸降低，體系的危險性越來越大。