空氣泡沫驅(qū)提高采收率技術(shù)氣體爆炸極限值初探

薛媛，王成俊，江紹靜，洪玲，王宏

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院, 陜西西安 710075)

摘要：空氣泡沫驅(qū)提高采收率技術(shù)的安全問題一直是制約其發(fā)展的“瓶頸”。在氣體爆炸理論的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出天然氣與空氣混合爆炸工程估算公式，計算得出甲烷的定容爆炸壓力為0.86MPa，點(diǎn)火溫度為573℃。通過室內(nèi)實(shí)驗結(jié)果分析得出，甲烷爆炸下限值隨著溫度、壓力升高，空氣量的增加，升高幅度不大，而上限值急劇下降，當(dāng)惰性氣體與甲烷比值大于6時進(jìn)入不爆范圍?，F(xiàn)場試驗表明，該技術(shù)提高采收率效果明顯且安全可靠，適于油田推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：空氣泡沫驅(qū)；提高采收率；安全性；爆炸極限值

中圖分類號:TE357.7

基金項目:陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司項目“延長東部油區(qū)空氣泡沫驅(qū)配套技術(shù)研究及先導(dǎo)試驗”(ycsy2010ky-A-12)資助。

作者簡介：第一薛媛(1980年生)，女，碩士，工程師，2009年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)，從事低滲透油田提高采收率技術(shù)的研究。郵箱：xueyuanmail@126.com。

Preliminary Analysis on Explosion Limits of EOR by Air-foam Flooding

Xue Yuan, Wang Chengjun, Jiang Shaojing, Hong Ling, Wang Hong

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710075,China)

Abstract：The security of EOR by air-foam flooding has always been a bottleneck restricting the application of this technology. According to the gas explosion theory, based on the derived gas and air mixture explosion estimation formula, it was calculated that the constant volume explosion pressure of methane was 0.86MPa and the ignition temperature was 573 ℃. It was difficult to achieve the constant volume explosion pressure and the ignition temperature in the context of oil reservoirs. The results obtained by laboratory analysis showed that the lower limit of methane explosion increased marginally when the temperature, pressure, air volume increased, while the upper limit had a sharp decline when the inert gas/methane explosion was greater than 6, and the mixture did not enter the range. Field test showed that the effect was good and the technology was safe, and it was applicable for oilfields.

Key words: air-foam flooding; EOR; security; explosion limits

空氣泡沫驅(qū)提高采收率技術(shù)融合了空氣驅(qū)油和泡沫驅(qū)油的雙重優(yōu)勢，是一項富有創(chuàng)造性的提高采收率的新方法，它不僅具有調(diào)剖和驅(qū)油的雙重功能，而且還克服了空氣驅(qū)氣竄的缺點(diǎn)[1-5]。但空氣泡沫驅(qū)也存在缺陷，最核心的問題便是安全性問題，即石油伴生氣中氧氣含量超過臨界值時易發(fā)生爆炸。

近年來，呂鑫[6]等從理論角度針對氣體爆炸極限和氧氣的消耗進(jìn)行了分析，但國內(nèi)尚未見從實(shí)驗角度分析空氣泡沫驅(qū)中氣體爆炸極限值的報道。因此，本文嘗試從理論和實(shí)驗兩個角度分析空氣泡沫驅(qū)中氣體爆炸極限值，為現(xiàn)場應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 氣體爆炸

1.1 氣體爆炸理論極限值估算

氣體爆炸理論極限值的估算公式[7-9]為：

(1)

(2)

(3)

式中CL——單組分可燃?xì)怏w的爆炸下限，%；

CU——單組分可燃?xì)怏w的爆炸上限，%；

N——混合物完全燃燒所需氧原子數(shù)；

Cmin——多組分可燃?xì)怏w混合物的爆炸界限，%(體積分?jǐn)?shù))；

V1，V2，…，Vn——各組分在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)，%(體積分?jǐn)?shù))；

C1,C2,…，Cn——各組分的爆炸極限，%(體積分?jǐn)?shù))。

先用式(1)和式(2)分別估算出單組分可燃?xì)怏w的爆炸上、下限，再由式(3)估算多組分可燃?xì)怏w混合物的理論極限值[10-13]。

利用式(1)和式(2)估算出的常見單組分可燃?xì)怏w爆炸理論極限值，見表1。

表1　常見單組分可燃?xì)怏w爆炸理論極限值表

1.2 定容爆炸壓力

理論上講，定容爆炸壓力是指在系統(tǒng)絕熱條件下，鋼壁容器內(nèi)瞬間整體點(diǎn)火下的壓力。定容爆炸壓力計算公式[6]為：

(4)

式中pf——定容爆炸壓力(終態(tài)壓力)，Pa；

pi——初始壓力，Pa；

ni——初始物質(zhì)的量，mol；

nf——終態(tài)物質(zhì)的量，mol；

Ti——初始溫度，K；

Tf——絕熱火焰溫度，K。

甲烷的絕熱火焰溫度為2340K[1]，通過計算得到甲烷的定容爆炸壓力為0.86MPa。

1.3 氣體爆炸的點(diǎn)火溫度

在可燃?xì)怏w甲烷、乙烷、丙烷和乙烯中，甲烷的爆炸點(diǎn)火溫度最高，為573℃；乙烯的爆炸點(diǎn)火溫度最低，為450℃[6]。對于油藏而言，溫度要達(dá)到400℃以上才能引起爆炸，但實(shí)際油藏條件下要達(dá)到這個溫度是比較困難的。

2 室內(nèi)研究

2.1 實(shí)驗裝置

可燃?xì)怏w爆炸極限測試系統(tǒng)[14]是將可燃?xì)怏w按預(yù)定比例和空氣均勻混合,使用高壓電火花激爆。如果可燃?xì)怏w與空氣的混合比例在其爆炸上、下極限以內(nèi),則混合氣體可被激爆?；旌蠚怏w爆炸的完全程度,以按化學(xué)當(dāng)量濃度混合時為最佳,高于或低于該種混合氣體的固有爆炸上、下限,則不能被激爆。影響混合氣體爆炸極限的因素除供應(yīng)的混合比例外,還與混合均勻程度、激爆能大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。本實(shí)驗裝置由流量計控制爆炸混合氣體比例。爆炸裝置主要由爆炸容器、配氣裝置、控溫控壓裝置、點(diǎn)火裝置和安全控制系統(tǒng)組成(圖1)。

圖1　混合氣體爆炸實(shí)驗裝置示意圖 Fig.1　Mixed gas explosion experimental unit

2.2 甲烷爆炸極限值與溫度、壓力的關(guān)系研究

在給定溫度、壓力條件下，測定甲烷爆炸極限值(表2)。甲烷和空氣混合時，對應(yīng)的氧含量在20%左右，對氧含量安全標(biāo)準(zhǔn)的制定影響不大，所以應(yīng)重點(diǎn)分析不同配比惰性氣體對爆炸極限和氧含量的影響。

表2　不同溫度、壓力下的甲烷爆炸下限臨界值和

2.3 不同配比惰性氣體下的氧含量測定實(shí)驗

給定溫度、壓力條件下，在不同配比惰性氣體下，測定甲烷爆炸極限值和其對應(yīng)的含氧量(圖2、圖3)。

圖2　不同配比惰性氣體下的氧含量變化曲線圖 Fig.2　Variation of oxygen content with different ratios of inert gas

圖3　不同配比惰性氣體下甲烷的爆炸范圍變化曲線圖 Fig.3　Variation of methane explosion with different ratios of inert gas

由圖2可以看出，甲烷隨著空氣量的增加，減到一定比例時聚為一點(diǎn)，該點(diǎn)為甲烷爆炸下限臨界點(diǎn)，其對應(yīng)的氧含量下限臨界點(diǎn)也集中到一點(diǎn)。在不同壓力、溫度下，甲烷爆炸臨界值與對應(yīng)的氧含量臨界值不同，隨壓力與溫度升高，臨界值略有升高，但變化幅度不大。當(dāng)惰性氣體與甲烷之比大于6時，此時氧含量下限臨界值為12.35%，高于理論最低氧含量下限臨界值，此時進(jìn)入不爆范圍。究其原因在于：隨著空氣量的增加，混合氣體中氮?dú)夂侩S之增加，不僅增強(qiáng)了空氣的惰化作用，更重要的是減小了混合氣體中的氧含量，導(dǎo)致爆炸極限值發(fā)生變化。

在爆炸下限附近，氧一直處于過剩狀態(tài)，是否爆炸主要取決于可燃?xì)怏w含量的高低。過量惰性氣體的冷卻作用抑制了燃燒反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，因此，無論增加還是減少氧含量，爆炸下限值都不會有明顯變化。所以，由圖3可以看出，惰性氣體含量對爆炸上限影響較大，而對爆炸下限影響較小。因此，隨著空氣含量的升高，甲烷爆炸上限值迅速下降，而下限值幾乎沒變化。分析結(jié)果表明：氧含量臨界值與爆炸極限成正比關(guān)系，若氧含量低于上限對應(yīng)的氧含量臨界值，上限值也會迅速下降至臨界可燃濃度；反之，氧含量上升至純氧環(huán)境，上限值將繼續(xù)增大，直至純氧環(huán)境中的上限值。

3 先導(dǎo)試驗及安全性評價

甘谷驛油田叢54井于2010年5月開始空氣泡沫驅(qū)先導(dǎo)試驗，單井注入泡沫液量為800m3，空氣為10.5×104m3(折算地下體積為2100m3)，氣液比(地下體積)為3∶1；單井注入泡沫地下體積為2900m3，綜合含水降低29個百分點(diǎn)，平均日產(chǎn)油量增加約0.2t，結(jié)果表明空氣泡沫驅(qū)對低滲透油藏具有良好的適應(yīng)性，對應(yīng)8口生產(chǎn)井井口氣體組分檢測 (表3) 表明，氧含量在2%左右，低于爆炸極限值，延長油田空氣泡沫驅(qū)是安全可靠的。

表3　叢54井組井口出氣組分組成表

注：監(jiān)測日期為2011年3月29日。

4 結(jié)束語

(1)可燃?xì)怏w理論爆炸極限與室內(nèi)實(shí)驗值存在一定的誤差，其原因是在計算式中只考慮到可燃混合物的組成，而未考慮壓力、溫度等因素的影響。在實(shí)驗過程中，甲烷的爆炸下限值隨溫度、壓力變化幅度不大，而爆炸上限值隨著壓力和溫度的增大逐漸升高，且當(dāng)溫度處于高值時，甲烷的爆炸上限值變化幅度不大。

(2)空氣泡沫驅(qū)現(xiàn)場試驗過程中，應(yīng)嚴(yán)格按試驗方案控制注入壓力、注入量，定期、周期性監(jiān)測油管內(nèi)氣體含量，可保證其安全性。鑒于空氣泡沫驅(qū)先導(dǎo)試驗效果明顯且安全可靠，適于在油田推廣應(yīng)用。

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