空气泡沫驱提高采收率技术气体爆炸极限值初探

空气泡沫驱提高采收率技术气体爆炸极限值初探

薛媛，王成俊，江绍静，洪玲，王宏

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院, 陕西西安 710075)

摘要：空气泡沫驱提高采收率技术的安全问题一直是制约其发展的“瓶颈”。在气体爆炸理论的基础上，推导出天然气与空气混合爆炸工程估算公式，计算得出甲烷的定容爆炸压力为0.86MPa，点火温度为573℃。通过室内实验结果分析得出，甲烷爆炸下限值随着温度、压力升高，空气量的增加，升高幅度不大，而上限值急剧下降，当惰性气体与甲烷比值大于6时进入不爆范围。现场试验表明，该技术提高采收率效果明显且安全可靠，适于油田推广应用。

关键词：空气泡沫驱；提高采收率；安全性；爆炸极限值

中图分类号:TE357.7

基金项目:陕西延长石油(集团)有限责任公司项目“延长东部油区空气泡沫驱配套技术研究及先导试验”(ycsy2010ky-A-12)资助。

作者简介：第一薛媛(1980年生)，女，硕士，工程师，2009年毕业于西北农林科技大学，从事低渗透油田提高采收率技术的研究。邮箱：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

空气泡沫驱提高采收率技术融合了空气驱油和泡沫驱油的双重优势，是一项富有创造性的提高采收率的新方法，它不仅具有调剖和驱油的双重功能，而且还克服了空气驱气窜的缺点[1-5]。但空气泡沫驱也存在缺陷，最核心的问题便是安全性问题，即石油伴生气中氧气含量超过临界值时易发生爆炸。

近年来，吕鑫[6]等从理论角度针对气体爆炸极限和氧气的消耗进行了分析，但国内尚未见从实验角度分析空气泡沫驱中气体爆炸极限值的报道。因此，本文尝试从理论和实验两个角度分析空气泡沫驱中气体爆炸极限值，为现场应用提供指导。

1 气体爆炸

1.1 气体爆炸理论极限值估算

气体爆炸理论极限值的估算公式[7-9]为：

(1)

(2)

(3)

式中CL——单组分可燃气体的爆炸下限，%；

CU——单组分可燃气体的爆炸上限，%；

N——混合物完全燃烧所需氧原子数；

Cmin——多组分可燃气体混合物的爆炸界限，%(体积分数)；

V1，V2，…，Vn——各组分在混合气体中的体积分数，%(体积分数)；

C1,C2,…，Cn——各组分的爆炸极限，%(体积分数)。

先用式(1)和式(2)分别估算出单组分可燃气体的爆炸上、下限，再由式(3)估算多组分可燃气体混合物的理论极限值[10-13]。

利用式(1)和式(2)估算出的常见单组分可燃气体爆炸理论极限值，见表1。

表1　常见单组分可燃气体爆炸理论极限值表

1.2 定容爆炸压力

理论上讲，定容爆炸压力是指在系统绝热条件下，钢壁容器内瞬间整体点火下的压力。定容爆炸压力计算公式[6]为：

(4)

式中pf——定容爆炸压力(终态压力)，Pa；

pi——初始压力，Pa；

ni——初始物质的量，mol；

nf——终态物质的量，mol；

Ti——初始温度，K；

Tf——绝热火焰温度，K。

甲烷的绝热火焰温度为2340K[1]，通过计算得到甲烷的定容爆炸压力为0.86MPa。

1.3 气体爆炸的点火温度

在可燃气体甲烷、乙烷、丙烷和乙烯中，甲烷的爆炸点火温度最高，为573℃；乙烯的爆炸点火温度最低，为450℃[6]。对于油藏而言，温度要达到400℃以上才能引起爆炸，但实际油藏条件下要达到这个温度是比较困难的。

2 室内研究

2.1 实验装置

可燃气体爆炸极限测试系统[14]是将可燃气体按预定比例和空气均匀混合,使用高压电火花激爆。如果可燃气体与空气的混合比例在其爆炸上、下极限以内,则混合气体可被激爆。混合气体爆炸的完全程度,以按化学当量浓度混合时为最佳,高于或低于该种混合气体的固有爆炸上、下限,则不能被激爆。影响混合气体爆炸极限的因素除供应的混合比例外,还与混合均匀程度、激爆能大小和系统结构有关。本实验装置由流量计控制爆炸混合气体比例。爆炸装置主要由爆炸容器、配气装置、控温控压装置、点火装置和安全控制系统组成(图1)。

图1　混合气体爆炸实验装置示意图 Fig.1　Mixed gas explosion experimental unit

2.2 甲烷爆炸极限值与温度、压力的关系研究

在给定温度、压力条件下，测定甲烷爆炸极限值(表2)。甲烷和空气混合时，对应的氧含量在20%左右，对氧含量安全标准的制定影响不大，所以应重点分析不同配比惰性气体对爆炸极限和氧含量的影响。

表2　不同温度、压力下的甲烷爆炸下限临界值和

2.3 不同配比惰性气体下的氧含量测定实验

给定温度、压力条件下，在不同配比惰性气体下，测定甲烷爆炸极限值和其对应的含氧量(图2、图3)。

图2　不同配比惰性气体下的氧含量变化曲线图 Fig.2　Variation of oxygen content with different ratios of inert gas

图3　不同配比惰性气体下甲烷的爆炸范围变化曲线图 Fig.3　Variation of methane explosion with different ratios of inert gas

由图2可以看出，甲烷随着空气量的增加，减到一定比例时聚为一点，该点为甲烷爆炸下限临界点，其对应的氧含量下限临界点也集中到一点。在不同压力、温度下，甲烷爆炸临界值与对应的氧含量临界值不同，随压力与温度升高，临界值略有升高，但变化幅度不大。当惰性气体与甲烷之比大于6时，此时氧含量下限临界值为12.35%，高于理论最低氧含量下限临界值，此时进入不爆范围。究其原因在于：随着空气量的增加，混合气体中氮气含量随之增加，不仅增强了空气的惰化作用，更重要的是减小了混合气体中的氧含量，导致爆炸极限值发生变化。

在爆炸下限附近，氧一直处于过剩状态，是否爆炸主要取决于可燃气体含量的高低。过量惰性气体的冷却作用抑制了燃烧反应的进一步发生，因此，无论增加还是减少氧含量，爆炸下限值都不会有明显变化。所以，由图3可以看出，惰性气体含量对爆炸上限影响较大，而对爆炸下限影响较小。因此，随着空气含量的升高，甲烷爆炸上限值迅速下降，而下限值几乎没变化。分析结果表明：氧含量临界值与爆炸极限成正比关系，若氧含量低于上限对应的氧含量临界值，上限值也会迅速下降至临界可燃浓度；反之，氧含量上升至纯氧环境，上限值将继续增大，直至纯氧环境中的上限值。

3 先导试验及安全性评价

甘谷驿油田丛54井于2010年5月开始空气泡沫驱先导试验，单井注入泡沫液量为800m3，空气为10.5×104m3(折算地下体积为2100m3)，气液比(地下体积)为3∶1；单井注入泡沫地下体积为2900m3，综合含水降低29个百分点，平均日产油量增加约0.2t，结果表明空气泡沫驱对低渗透油藏具有良好的适应性，对应8口生产井井口气体组分检测 (表3) 表明，氧含量在2%左右，低于爆炸极限值，延长油田空气泡沫驱是安全可靠的。

表3　丛54井组井口出气组分组成表

注：监测日期为2011年3月29日。

4 结束语

(1)可燃气体理论爆炸极限与室内实验值存在一定的误差，其原因是在计算式中只考虑到可燃混合物的组成，而未考虑压力、温度等因素的影响。在实验过程中，甲烷的爆炸下限值随温度、压力变化幅度不大，而爆炸上限值随着压力和温度的增大逐渐升高，且当温度处于高值时，甲烷的爆炸上限值变化幅度不大。

(2)空气泡沫驱现场试验过程中，应严格按试验方案控制注入压力、注入量，定期、周期性监测油管内气体含量，可保证其安全性。鉴于空气泡沫驱先导试验效果明显且安全可靠，适于在油田推广应用。

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