多組分油氣混合物爆炸臨界值測試實驗研究*

劉學全

(中國石油化工股份有限公司華北油氣分公司，河南 鄭州 450000)

鄂南致密油藏的主要特點是儲層致密，基質滲透率低，裂縫發(fā)育，非均質性強[1-2]，常規(guī)注水開發(fā)時，容易發(fā)生水淹和水竄，導致開發(fā)效果不理想[3]。注空氣驅已被證明是一種高效、低成本、氣源豐富的提高采收率的方法[4-8]，但空氣中氧含量的存在極大地增加了注氣爆炸風險[9]。而減氧空氣驅[10]不僅兼有空氣驅的優(yōu)點，還具有減少爆炸風險的特點，所以其近年來也開始進入了應用發(fā)展階段并且成效頗匪[11]。

但目前減氧空氣驅并未進入大規(guī)模應用，安全控制方面的研究不夠深入是限制其推廣的主要因素之一。爆炸極限與極限氧含量是火三角中兩個重要參數[12]，這兩個參數的測定是防爆抑爆設計主要依據。大多數實驗表明，溫度與壓力等[13-16]是影響爆炸極限與臨界氧含量的主要因素。目前，爆炸極限及臨界氧含量的測量主要是是針對單元、二元及三元等可燃氣體，對于油井井流物下的混合多組分氣體的測試仍比較少。本文搭建了1套油氣混合物爆炸極限測試裝置，采用逐步逼近法，測試了在不同初始溫度(15～150 ℃)、不同初始壓力(0.1～8 MPa)下3組井流物的臨界氧含量和爆炸極限測試值，明確不同壓力溫度對其的影響。測試結果既可作為理論模型的先驗數據，也可作為減氧空氣驅油安全控制方案制定提供依據。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

圖1給出了爆炸裝置試驗圖和流程，主要有爆炸裝置、配器系統、控制系統。該系統可用于測試沸點低于300 ℃的可燃液體蒸汽或可燃氣體與氧氣混合的爆炸特性參數。爆炸室采用炮鋼鍛造加工而成，承壓10 MPa，總體積為24 L。爆炸室上部裝有安全閥，當爆炸筒內的壓力大于5 MPa時能自動泄壓，可保證實驗安全。配氣系統可向爆炸室提供定濃度試驗氣體，包含三部分：混氣及加熱裝置、可燃氣體計量與輸送裝置和液體計量、輸送與氣化裝置。溫度控制裝置把溫度控制高于可燃液體沸點的溫度。可保證可燃液體產生的蒸氣不被冷凝，本次實驗采用TDA8601型溫度控制儀實現。

圖1 可燃氣體爆炸試驗圖

1.2 實驗步驟

(1)氣密性檢查

采用真空泵對裝置抽真空直至真空壓力小于667 Pa停泵，10 min后壓力升高不得大于267 Pa，則氣密性要求合格。

(2)清除裝置種氧氣

通過連續(xù)通入氮氣排除裝置中的氧氣。

(3)準備待測樣品

采用分壓法配制待測混合氣體作為氣體樣品，并將進樣軟膠管連接到進樣控制電磁閥的接頭上。

(4)攪拌

為使反應管內可燃性混合氣體在裝置中能均勻分布，配好氣后利用無油封閉循環(huán)攪拌泵均勻攪拌大約5 min。

(5)點火

停止攪拌后及時打開反應管底部泄壓閥，然后點火，觀察是否出現火焰。點火過程恒溫箱的玻璃門應始終處于關閉狀態(tài)。

(6)爆炸極限和臨界氧含量的確定

采用漸進法通過測試來確定爆炸極限值和臨界氧含量。測定爆炸下(上)限和臨界氧含量時，如果在某濃度下未出現爆炸現象，則增大(減少)可燃性氣體的濃度或氧含量直至測得能發(fā)生爆炸的最小(大)濃度；如果在某濃度下發(fā)生爆炸現象，則減少(增大)可燃性氣體濃度或氧含量直至測得不能發(fā)生爆炸的最大(小)濃度。測量爆炸下限時所用樣品改變量應滿足每次不大于上次進樣量的10%，測量爆炸上限時所用樣品改變量應滿足每次不大于上次進樣量的2%。測得最接近爆炸和不爆炸兩點的濃度，并按下式來計算爆炸極限值：

(1)

式中：φ——爆炸極限；φ1——爆炸濃度；φ2——不爆炸濃度。

(7)影響因素測試

通過改變初始溫度、初始壓力、空氣氧含量、惰性氣體含量等因素來得到不同因素下的爆炸極限數值。

2 實驗結果分析

2.1 溫度壓力對爆炸臨界值的影響

實驗測試1#井流物的爆炸極限測試結果(如圖2所示)表明，隨著溫度、壓力的增大，爆炸極限下限變化不大，上限變大，爆炸濃度范圍變寬，爆炸危險性增大；臨界氧含量隨著溫度壓力的增加逐漸減小(如圖3所示)，但變化較緩，初始溫度改變30 ℃ 時，臨界氧含量最大改變0.25%；初始壓力改變2 MPa時，臨界氧含量最大改變0.23%。

圖2 不同初始壓力下(15 ℃)爆炸臨界值的變化情況

圖3 不同初始溫度下(2 MPa)爆炸臨界值的變化情況

2.2 三組井流物理論值與實驗值對比分析

表1給出了三組井流物組分情況，由三組井流物實驗結果(見表2)測試可知，可燃物濃度在4.06%～14.8%之外或者氧含量低于12.98%就不會發(fā)生爆炸，如果取0.8的安全系數，從爆炸風險的角度考慮，建議氧濃度控制在12.98%×0.8=10.4%以下。

表1 三組井流物組分

表2 三種井流物爆炸極限與臨界氧含量測試結果

3 結 論

(1)HH12P134井流物的爆炸極限測試結果表明，隨著溫度、壓力的增大，爆炸極限下限變化不大，上限變大，爆炸濃度范圍變寬，爆炸危險性增大；

(2)臨界氧含量隨著溫度壓力的增加逐漸減小，但變化較緩，初始溫度改變30 ℃ 時，臨界氧含量最大改變0.25%；初始壓力改變2 MPa時，臨界氧含量最大改變0.23%。

(3)三組井流物實驗結果測試可知，可燃物濃度在4.06%～14.8%之外或者氧含量低于12.98%就不會發(fā)生爆炸，如果取0.8的安全系數，從爆炸風險的角度考慮，建議氧濃度控制在12.98%×0.8=10.4%以下。