任韶然, 黃麗娟, 張 亮, 王 煜, 裴樹峰, 魏 勇, 肖 毓, 陳 矗

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580; 2.中國石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆吐魯番 838200)

高壓注空氣提高采收率工藝作為一種二次或三次采油技術(shù)在中輕質(zhì)油藏中具有廣泛的應用前景[1-2],但油田管理和工程技術(shù)人員對注空氣過程中的爆炸風險擔心有余[3-6]。爆炸發(fā)生的3個條件包括可燃氣體積分數(shù)在爆炸極限內(nèi)、充足的氧氣和能量足夠高的點火源[7],高壓注氣過程發(fā)生爆炸的主要風險常見于注入井和生產(chǎn)井,油藏中的天然氣組分侵入注入井中,或者注入空氣中的氧氣未完全消耗而發(fā)生氣竄進入到生產(chǎn)井中都會造成爆炸事故。國內(nèi)外針對甲烷/天然氣的爆炸極限研究多集中于小于2 MPa的初始壓力,缺少高壓高溫條件下的爆炸試驗數(shù)據(jù),但壓力和溫度對可燃氣的爆炸極限有重要的影響[8-10],關(guān)系到天然氣的安全開采和應用。研究甲烷或天然氣在高壓高溫下的爆炸極限是高壓注空氣安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,同時在天然氣內(nèi)燃機設(shè)計和防爆安全中,甲烷的爆炸特性和爆炸極限數(shù)據(jù)也是必不可少的。筆者結(jié)合油田現(xiàn)場注空氣工況,進行高壓高溫條件下(0.1～20 MPa, 25～100 ℃)的甲烷爆炸極限試驗,研究壓力和溫度對爆炸極限的影響規(guī)律,建立高壓高溫爆炸極限和臨界氧含量的預測模型。

1 爆炸試驗裝置和方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置由高壓高溫反應釜、高能點火系統(tǒng)、氣瓶、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、真空泵和壓縮機系統(tǒng)組成,如圖1所示。其中反應釜容積645 mL,內(nèi)腔有效長度362 mm,內(nèi)徑50 mm,壁厚32.5 mm,可以忽略壁面淬火的影響[11-12]。爆炸容器最大可以承受160 MPa的極限壓力,遠高于試驗中產(chǎn)生的峰值爆炸壓力,保證了試驗過程的安全。關(guān)于爆炸試驗中使用的點火源,Zabetakis[13]指出,電火花作為點火源有時可能缺少能量,在之前的試驗中采用10 J的汽車引擎電火花點火,結(jié)果證明在大于5 MPa時不能產(chǎn)生擊穿空氣的電火花[14],而高能量的鎢絲點火方式在很多可燃氣爆炸試驗中得到應用[15-16]。本試驗采用24 V和400 W的直流點火器,點火是通過加熱一根直徑1.2 mm的螺旋鎢絲實現(xiàn)的,點火鎢絲置于容器的一端,火焰水平傳播,可以模擬油田井筒或天然氣內(nèi)燃機等管狀空間發(fā)生的爆炸,鎢絲通過電極連接到外部,內(nèi)電極間距為1.688 cm,當鎢絲的電阻為1 Ω時,點火系統(tǒng)能在6 s內(nèi)釋放約3 400 J的能量,遠大于任何一種火花點火系統(tǒng),鎢絲提供的能量足以克服甲烷的最小點火能量[17-18]。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental set up

試驗中用到的氣體全部由中國青島天源氣體制造公司提供,氣體純度及儀器精度:甲烷、空氣中的氧氣、空氣中的氮氣體積分數(shù)分別為99.99%、21%、79%,氣相色譜(450-GC)精度為500×10-6,壓力傳感器精度為0.01 MPa,溫度傳感器精度為0.1 ℃。

1.2 試驗方法

高壓高溫甲烷-空氣混合物的爆炸試驗步驟如下:

(1)在試驗開始前,首先檢查管線和閥門的氣密性,再對反應釜抽真空,并用首先注入的空氣沖洗溶器兩次。

(2)通過烘箱加熱反應釜至溫度達到試驗溫度,根據(jù)考慮壓縮因子z[19]的氣體狀態(tài)方程利用道爾頓氣體分壓定律計算混合氣體中甲烷和空氣的體積分數(shù),按照混合比和壓力注入甲烷和空氣,爆炸下限處為甲烷注入空氣,爆炸上限處為空氣注入甲烷。等待20 min以上確保甲烷和空氣混合物點火前在爆炸容器中處于均勻平衡狀態(tài)[20]。

(3)對配置好的混合氣體取樣進行氣體色譜檢測,減小配氣誤差。

(4)加熱鎢絲點火,同時壓力傳感器和溫度傳感器分別記錄爆炸峰值壓力和試驗溫度。

試驗中采用逐步逼近法測試爆炸的上、下限,爆炸極限值采用爆炸點和不爆炸點的平均值。爆炸上限是指爆炸點的可燃氣最高體積分數(shù)和不爆炸點的可燃氣最低體積分數(shù)之間的平均值;爆炸下限是指爆炸點的可燃氣最低體積分數(shù)和不爆炸點的可燃氣最高體積分數(shù)之間的平均值[21]。每個試驗的體積分數(shù)配比重復兩次以上,以確保數(shù)據(jù)的可重復性。

爆炸下限處,當|Cgn+Clf|<0.1%時:

Lp,T=(Cgn+Clf)/2.

(1)

爆炸上限處,當|Cgf+Cln|<1%時:

Up,T=(Cgf+Cln)/2.

(2)

式中,Lp,T和Up,T分別為溫度T(℃)和壓力p(MPa)時的甲烷爆炸下限和爆炸上限,%;Cgn和Cln分別為不爆炸混合物中甲烷的最大和最小體積分數(shù),%;Cgf和Clf分別為爆炸混合物中甲烷的最大和最小體積分數(shù),%。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 爆炸極限試驗

爆炸極限是可燃物的一種物理化學屬性,與化合物的熱值相關(guān),熱值越大爆炸下限越低。爆炸下限指的是一定體積分數(shù)的可燃物在引爆點與足夠的氧氣發(fā)生反應,其生成的熱量能夠補償向引爆點周圍的熱損失,并使反應向周圍擴散形成連鎖反應即爆炸,這個臨界可燃物體積分數(shù)即為其爆炸下限。超過爆炸上限不會爆炸的原因是可燃物體積分數(shù)太高,熱損失大,反應熱不足以促使形成連鎖反應。爆炸極限需要通過試驗測試,但與壓力、溫度、爆炸容器大小、點火能量、點火器位置等有關(guān),有一些標準試驗方法[22]。除壓力、溫度影響較大以外,其他因素的影響較小,因此重點研究初始壓力和溫度對甲烷爆炸極限的影響。

2.1.1 壓力影響

當甲烷-空氣混合物處于高壓時,氣體分子間的距離被壓縮,恒定容積內(nèi)的活化分子數(shù)增加,碰撞概率增加,分子間傳熱和化學反應相對容易,燃燒熱增加而熱損失明顯降低。0.1～20 MPa、25～100 ℃條件下甲烷的爆炸上、下限隨壓力的變化如圖2所示。從圖2中可以看出,在高壓下甲烷的爆炸上限隨著壓力的增加而呈對數(shù)關(guān)系地增加,爆炸下限呈對數(shù)下降,甲烷的爆炸極限范圍相比低壓下大幅度變寬。

圖2 0.1～20 MPa、25～100 ℃條件下甲烷的爆炸上、下限隨壓力的變化Fig.2 Variation of upper explosion limit and lower explosion limit of methane with pressure in air at initial pressure from 0.1 to 20 MPa and initial temperature from 25 to 100 ℃

2.1.2 溫度影響

當溫度升高時,氣體分子的動能增加,分子熱運動更劇烈,碰撞更頻繁,恒定容積內(nèi)能夠參與反應的活化基團增加。5～20 MPa、25～100 ℃條件下甲烷的爆炸上、下限隨溫度的變化如圖3所示。溫度對甲烷的爆炸極限有重要影響,爆炸極限與溫度呈線性關(guān)系,隨著溫度的增加,爆炸上限顯著升高,爆炸下限降低,甲烷的爆炸極限范圍相應變寬。

根據(jù)GB-T 12474-2008標準(空氣中可燃氣體爆炸極限測定方法)[22],試驗中爆炸上限和下限處按照逐步逼近法點火試爆的體積分數(shù)步長分別為1%和0.1%,同時考慮壓力測試、氣體壓縮因子對爆炸極限計算結(jié)果的影響,爆炸上限和下限處甲烷體積分數(shù)測試的誤差分別為0.5%和0.05%。

2.1.3 爆炸峰值壓力及氣體組分變化

甲烷和空氣混合物在常溫高壓下爆炸極限處的峰值爆炸壓力如圖4所示。顯然,爆炸峰值壓力隨著初始壓力的升高而升高,在較高的初始壓力下存在更多的可燃氣體可以參與爆炸反應,在燃燒過程中會產(chǎn)生較大的熱量,高壓下所具有的爆炸能量和破壞性更大。此外爆炸下限處可燃氣體不足,爆炸風險不大,爆炸后的峰值壓力普遍低于爆炸上限處。

爆炸反應前后氣體組分發(fā)生了變化,產(chǎn)生了CO2和少量的CO。當甲烷體積分數(shù)在爆炸下限附近時,過量的氧氣讓甲烷能夠充分燃燒。因此反應產(chǎn)物中的CO可以忽略不計,主要是CO2。然而,甲烷在爆炸上限附近燃燒時燃料過量而氧氣不足,反應不充分,一部分可燃氣體發(fā)生不完全燃燒,CO含量較高(25 ℃、20 MPa時可達3.73%)。

圖3 5～20 MPa、25～100 ℃條件下甲烷的爆炸上、下限隨溫度的變化Fig.3 Variation of upper explosion limit and lower explosion limit of methane with temperature in air at initial pressure from 5 to 20 MPa and initial temperature from 25 to 100 ℃

圖4 25 ℃、0.1～20 MPa爆炸極限點處甲烷-空氣混合物的峰值爆炸壓力與初始壓力比值Fig.4 Ratio of peak explosion pressure to initial pressure of methane-air mixtures at near explosion points with initial pressure ranging from 0.1 to 20 MPa and initial temperature at 25 ℃

2.2 高壓高溫甲烷爆炸極限模型

2.2.1 高壓高溫爆炸上、下限預測模型

基于高壓高溫的甲烷-空氣爆炸試驗數(shù)據(jù),得到爆炸極限對數(shù)回歸公式,爆炸下限、上限的回歸系數(shù)分別為0.992 8和 0.991 4,反映出較好的擬合結(jié)果,爆炸極限對數(shù)回歸公式為

Lp,T=(L0-0.336 1(lnp+2.281))(1-0.944 5/ΔH(T-25)),

(3)

Up,T=(U0+7.554(lnp+2.135))(1+2.083 6/

ΔH(T-25)).

(4)

式中,L0和U0分別為25 ℃、0.1 MPa時甲烷的爆炸下限(4.95%)和爆炸上限(15.51%);p為初始壓力,MPa;T為初始溫度,℃;H為甲烷常溫常壓下的燃燒熱(802.3 kJ/mol)[9]。

甲烷在25 ℃、0.1 MPa下的爆炸極限為4.95%～15.51%,理論臨界氧含量為9.90%;在100 ℃、 20 MPa下的爆炸極限為2.87%～64.40%,爆炸所需的理論臨界氧含量降低至5.74%。

2.2.2 甲烷爆炸的理論臨界氧含量模型

氧氣作為爆炸中的助燃劑可被視為安全防爆的重要參數(shù),當甲烷在爆炸極限范圍內(nèi),臨界氧含量是甲烷-空氣混合物爆炸所需的最低氧氣體積分數(shù)。甲烷在空氣中的體積分數(shù)處于爆炸下限附近時,氧氣是充足的屬于富氧狀態(tài),但爆炸反應所需要的最低理論臨界氧含量可以按照可燃氣體爆炸下限處完全燃燒所需的氧氣體積分數(shù)計算:

(5)

(6)

式中,n和m分別為烷烴氣體中的C原子和H原子數(shù);CO2為理論臨界氧含量,%。

對甲烷來說,一個甲烷分子需要2個氧氣分子才能產(chǎn)生完全燃燒反應,但氧氣體積分數(shù)越高,反應越容易進行,爆炸燃燒越完全,一般發(fā)動機都采用過氧燃燒的方法,提高熱效率。甲烷爆炸所需的實際臨界氧含量也可以通過試驗測試,但比較復雜,需要添加額外的N2或采用減氧空氣,且影響因素較大,存在誤差。文獻[6]中測試過常溫常壓下甲烷爆炸的臨界氧含量為 11.7%,理論值為10%。臨界氧含量的理論值與實測值的差別被稱為點火系數(shù)影響,一般高能量引爆源測試的臨界氧含量低一些,所以取其理論值,對油田現(xiàn)場注空氣工藝相對安全。如圖5所示,高壓下甲烷-空氣混合物的理論臨界氧含量逐漸降低,且與初始壓力呈對數(shù)關(guān)系,發(fā)生爆炸所需的氧含量減少意味著更大的爆炸隱患,在注空氣采油過程中對各個環(huán)節(jié)(空氣注入系統(tǒng)、注入井、生產(chǎn)井、地面集輸系統(tǒng))的安全氧含量的監(jiān)測標準將更為嚴格。在油田現(xiàn)場應用注空氣工藝提高采收率時氧含量應該滿足高壓高溫下安全防爆的要求。減氧空氣在大港等油田得到了應用,目前減氧指標為8%,不但能防止爆炸,而且能有效降低氧腐蝕。

圖5 0.1～20 MPa、25～100 ℃條件下甲烷-空氣混合物的理論臨界氧含量Fig.5 Theoretical critical oxygen volume fraction of methane-air mixtures at initial pressure from 0.1 to 20 MPa and initial temperature from 25 to 100 ℃

3 結(jié) 論

(1)在壓力為0.1～20 MPa、溫度為25～100 ℃的條件下,甲烷的爆炸極限為2.87%～64.40%。在所研究的壓力和溫度范圍內(nèi),隨著壓力的增加,爆炸上限和爆炸下限分別呈對數(shù)增加和減小趨勢;隨著溫度的升高,爆炸下限逐漸下降,爆炸上限顯著上升,在25～100 ℃條件下線性地隨溫度變化。

(2)爆炸的峰值壓力隨初始壓力的增大而增大,且上限處的峰值爆炸壓力高于下限。當甲烷體積分數(shù)接近爆炸下限時,氧氣和燃燒反應充足,爆炸后的氣體中的CO可以忽略不計,主要是CO2,但在爆炸上限附近,甲烷燃燒所需的氧氣量不足,燃燒反應不充分,爆炸后出現(xiàn)更多的CO。

(3)基于室內(nèi)試驗結(jié)果建立的高溫高壓下的爆炸極限預測模型,可以預測不同壓力、溫度條件下的甲烷爆炸極限。高壓下臨界氧含量隨著初始壓力的升高而降低,并呈對數(shù)關(guān)系降低,發(fā)生爆炸所需的氧含量減少意味著存在更大的爆炸隱患。