吞吐稠油注空氣油氣爆炸分析及控制

管九洲

摘 要：吞吐稠油開(kāi)發(fā)后期，利用廉價(jià)空氣進(jìn)行保壓開(kāi)采，已成為改善周期吞吐效果新技術(shù)。注空氣對(duì)吞吐稠油具有保壓增能、助排、調(diào)整吸汽剖面等良好作用。試驗(yàn)表明，注空氣對(duì)吞吐稠油開(kāi)發(fā)中后期增產(chǎn)潛力巨大。通過(guò)理論研究及爆炸實(shí)驗(yàn)，確定氧氣爆炸極限。并確定了安全風(fēng)險(xiǎn)源、制定安全控制措施，為保障現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全奠定了基礎(chǔ)。

關(guān) 鍵 詞：稠油;注空氣;風(fēng)險(xiǎn)分析;安全控制

中圖分類號(hào)：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）06-1448-04

Analysis and Control of Oil and Gas Explosion During

Air Injection for Heavy Crude Oil Development

GUAN Jiu-zhou

（Shuguang Oil Production Plant， Liaoning Panjin 124109， China）

Abstract： In the later stage of heavy oil stimulation development， cheap air is always used to keep formation pressure， which has become a new technology of improving cycle stimulation effect. Air injection for stimulation of heavy oil has many functions， such as keeping formation pressure， cleanup， adjusting the steam absorption profile and so on. The experiment shows that air injection has huge potential to increase production of heavy oil in mid and late development. In this paper， through the theoretical research and explosion experiment， the explosion limit was determined as well as the risk sources， and control measures were put forward.

Key words： heavy oil; air injection; risk analysis; safety control

我國(guó)稠油資源豐富，目前年產(chǎn)量已突破1000萬(wàn)t[1]。主要采取注蒸汽吞吐熱采方式[2]。吞吐稠油開(kāi)發(fā)后期，利用廉價(jià)空氣進(jìn)行保壓開(kāi)采[3]，已成為改善周期吞吐效果新技術(shù)。遼河油田曙光采油廠自2008年10月首次進(jìn)行吞吐稠油注空氣采油試驗(yàn)，至今已試驗(yàn)300多井次，增產(chǎn)原油6.8萬(wàn)t。該技術(shù)對(duì)開(kāi)發(fā)后期吞吐稠油具有巨大增產(chǎn)潛力，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

幾年來(lái)，不斷總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，分析注空氣、注蒸汽、燜井和開(kāi)采過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)計(jì)算進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況條件尾氣進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，確定安全氧含量極限，形成人防、技防一整套現(xiàn)場(chǎng)安全控制體系，為吞吐稠油注空氣技術(shù)的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 吞吐稠油注空氣安全評(píng)價(jià)

氣體爆炸[4]必須有三個(gè)基本條件：有合適濃度的燃料氣體、有合適濃度的氧氣、有足夠能量的點(diǎn)火源。每種燃料氣體在氧氣或在空氣中都有一個(gè)可以發(fā)生爆炸的濃度范圍。超出這個(gè)范圍，即使用很強(qiáng)的點(diǎn)火源也不能激發(fā)爆炸，這個(gè)濃度范圍叫做爆炸極限[5]。

1.1 三爆炸極限影響因素分析

（1）原始溫度

爆炸性氣體混合物原始溫度越高，活性分子相應(yīng)增加，爆炸極限范圍越寬。

（2）原始?jí)毫?/p>

在增加壓力情況下，爆炸極限變化不大。壓力增加，物質(zhì)分子間距縮小，碰撞幾率增加一般壓力增加，爆炸極限范圍擴(kuò)大，且壓力升高對(duì)上限提高的影響較為顯著。當(dāng)壓力降到某一數(shù)值時(shí)，其上限即與下限重合，出現(xiàn)一個(gè)臨界值，若壓力再下降，氣體便不燃不爆。

（3）容器

容器的大小對(duì)爆炸極限也有影響。實(shí)驗(yàn)證明，容器直徑越小，爆炸范圍越窄。隨容器或管道直徑的減小，單位體積的氣體就有更多的熱量消耗在管壁上。當(dāng)散出熱量等于火焰放出能量的23%時(shí)，火焰即會(huì)熄滅，所以熱損失的增加必然降低火焰的傳播速度并影響爆炸極限。能持續(xù)燃燒的條件是新生自由基數(shù)量必須等于或大于消失自由基數(shù)。隨著管徑縮小，自由基與反應(yīng)分子間的碰撞幾率也不斷減少，而自由基與器壁碰撞的概率反而不斷增大，當(dāng)器壁間距小到某一數(shù)值時(shí)，這種器壁效應(yīng)就會(huì)使火焰無(wú)法繼續(xù)。

（4）惰性介質(zhì)

若混合物中加入惰性氣體，則爆炸極限范圍縮小，惰性氣體的提高到某值時(shí)，可使混合物不燃不爆。圖1表明了加入惰性氣體（N2、CO2、Ar、He、CCl4、水蒸氣）對(duì)甲烷混合氣爆炸極限的影響。由圖可見(jiàn)，隨惰性氣體的增加對(duì)上限的影響較之對(duì)下限的影響更顯著。

圖1 各種惰性氣體濃度對(duì)甲烷爆炸極限的影響

Fig.1 A variety of inert gas concentration of methane explosion limit

（5）點(diǎn)火能源

點(diǎn)火源，如火花的能量、熱表面的面積、火源與混合物的接觸時(shí)間等，對(duì)爆炸極限均有影響。例如，甲烷當(dāng)電壓為100 V，電流強(qiáng)度為2 A時(shí)其爆

炸界限為5.9%～13.6%，而當(dāng)電流強(qiáng)度為3 A時(shí)，

爆炸界限為5.85%～14.8%。一般情況下，點(diǎn)火源能量越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則爆炸極限范圍越寬。各種爆炸性混合物都有一個(gè)最低引爆能量，一般在接近于理論混合比例時(shí)出現(xiàn)。除了上述因素外，光的作用對(duì)爆炸極限也有影響。

（6）火焰的傳播方向（點(diǎn)火位置）

當(dāng)在爆炸極限測(cè)試管中進(jìn)行爆炸極限測(cè)定時(shí)，可發(fā)現(xiàn)在垂直的測(cè)試管中于下部點(diǎn)火，火焰由下向上傳播時(shí)，爆炸下限值最小，上限值最大;當(dāng)于上部點(diǎn)火時(shí)，火焰向下傳播，爆炸下限值最大，上限值最小;在水平管中測(cè)試時(shí)，爆炸上下限值介于前兩者之間。

（7）含氧量

空氣中的（O2）為21%，當(dāng)混合氣中（O2）增加時(shí)，爆炸極限范圍變寬。由于當(dāng)處于空氣中爆炸的下限時(shí)，其組分中的（O2）已經(jīng)很高，故增加（O2）對(duì)爆炸下限的影響不大;而增加（O2）使上限顯著增加，是由于氧取代了空氣中的氮，使反應(yīng)更容易進(jìn)行。

1.2 爆炸風(fēng)險(xiǎn)分析

吞吐稠油中可燃?xì)庵饕煞质羌淄椋⒖諝獗赡馨l(fā)生的幾個(gè)環(huán)節(jié)：

①注空氣前井筒中有可燃?xì)怏w，開(kāi)始注入空氣過(guò)程，甲烷與空氣中氧氣混合達(dá)到爆炸濃度，遇明火爆炸。

②空氣注入油層，氧化反應(yīng)不完全，或直接氣竄至相臨井，氧含量超標(biāo)，遇到明火爆炸，主要發(fā)生生產(chǎn)井井口、采油站、集輸，導(dǎo)致事故發(fā)生。

③注完空氣后，油井壓力下降，油層甲烷返吐到井筒中，且甲烷與空氣中氧氣混合達(dá)到爆炸濃度，注蒸汽時(shí)產(chǎn)生火花發(fā)生爆炸。

本文主要對(duì)以上三個(gè)階段進(jìn)行分析和制定控制措施。

1.3爆炸極限理論計(jì)算

1.3.1多元爆炸性混合氣體爆炸極限計(jì)算

多種可燃有機(jī)蒸汽和空氣與氧氣混合，其可燃部分爆炸極限可用下式計(jì)算[6]：

（1）

（2）

式中 L0，U0—混合氣體中可燃部分的爆炸下、上限，%;

Li，Ui—各可燃?xì)怏w組分的爆炸下、上限，%;

Ni—各組分氣體的體積比。

多元爆炸性混合氣體的熱力性質(zhì)取決于組成氣體的種類及組成成分。

1.3.2 高溫高壓條件下有機(jī)蒸汽爆炸極限計(jì)算

（1） 高溫狀況下

對(duì)于可燃有機(jī)蒸汽或氣體，隨著溫度的升高，爆炸濃度上、下限的寬度會(huì)增加，溫度增高10 ℃，其在空氣中的爆炸下限大約降低8%，而其上限將提高8%，爆炸極限與溫度的數(shù)學(xué)模型公式如下：

Lt=L25（1-8×10-4（t-25）） （3）

Ut=u25（1+8×10-4（t-25）） （4）

式中： Lt，Ut —溫度為t時(shí)爆炸下、上限，%;

L25，u25—溫度為25 ℃時(shí)爆炸下、上限，%;

t—燃?xì)鉁囟?，℃?/p>

（2） 高壓狀況下

根據(jù)燃?xì)馊紵捅ɡ碚?，隨著壓力的升高，爆炸濃度上、下限的寬度一般會(huì)增加，且對(duì)上限的影響較大，當(dāng)可燃有機(jī)蒸汽或氣體的壓力高于常壓，又低于20.7 MPa時(shí)的爆炸上限Up，取決于壓力的對(duì)數(shù)，可用下式進(jìn)行計(jì)算：

Up=u+20.6（lgP+1） （5）

式中： Up—壓力為P時(shí)的爆炸上限，%;

u—可燃蒸汽常壓（0.1 MPa）下爆炸上限，%;

P—可燃蒸汽系統(tǒng)的實(shí)際壓力，MPa。

1.4爆炸極限理論計(jì)算結(jié)果

主要針對(duì)高溫空氣注入階段和燜井階段進(jìn)行理論計(jì)算。

1.4.1 高溫空氣注入階段

空氣注入過(guò)程中，稠油被氧化。原油中可燃?xì)怏w主要是由于溫度升達(dá)到初餾點(diǎn)，開(kāi)始產(chǎn)生可燃?xì)狻?/p>

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知稠油和氧化稠油有所不同。但初餾點(diǎn)在90℃以上，30%的餾程在300 ℃以下，為安全計(jì)算保險(xiǎn)系數(shù)高，揮發(fā)出來(lái)的烴類氣體正庚烷來(lái)計(jì)算。

假設(shè)地層壓力為15 MPa，近井溫度為100 ℃，已知正庚烷100 ℃的飽和蒸汽壓106.1 kPa，得出地層壓力下正庚烷與空氣的體積比：

=

因此，可燃?xì)怏w所占體積百分比為：

經(jīng)查正庚烷爆炸下限、上限分別為：L0=1.05，U0=6.7;

應(yīng)用IAST注空氣安全評(píng)價(jià)軟件計(jì)算可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)為0.707%、溫度100 ℃、壓強(qiáng)15 MPa、烷烴碳數(shù)范圍5～7時(shí)，得到100 ℃時(shí)的爆炸下限為0.987%，和上限為51.930%。所以100 ℃、15 MPa時(shí)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)為0.707%，不在爆炸范圍之內(nèi)所以是安全的。

1.4.2 注蒸汽及燜井階段

依據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，稠油為完全氧化反應(yīng)過(guò)程中，氧含量小于6.47%。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，注入空氣12×104 Nm3 空氣，可燃?xì)怏w在混合氣體中的所占比例0.182%。應(yīng)用IAST注空氣安全評(píng)價(jià)軟件計(jì)算可燃?xì)怏w體積百分比為0.182%、溫度200 ℃、壓強(qiáng)15 MPa、烷烴碳數(shù)范圍5～7時(shí)，得到200 ℃，15 MPa時(shí)的爆炸下限0.903%，上限為52.465%，此時(shí)烴類氣體體積分?jǐn)?shù)為0.182%，而此時(shí)的氧氣含量6.47%，均不在爆炸范圍之內(nèi)，所以是安全的。

1.5現(xiàn)場(chǎng)工況條件下尾氣爆炸實(shí)驗(yàn)

以曙一區(qū)杜80塊、杜210塊、杜66塊有代表性的幾十組不同氣體組分進(jìn)行燃爆實(shí)驗(yàn)，獲取了爆炸島圖，見(jiàn)圖2。無(wú)論在任何條件下，氧氣濃度控制在10.47%以下，就不會(huì)存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)工況條件下爆炸導(dǎo)圖

Fig.2 Explosion map under field operating conditions

2 安全控制措施

2.1 采用催化劑提高氧含量消耗速率

注空氣前，加入催化劑，加速氧氣消耗，48 h內(nèi)，氧含量降低到5%以下。如圖3所示，反應(yīng)條件為200 ℃，反應(yīng)48 h，注氣壓力1.2 MPa，催化氧化（用量3 t/10 Nm3空氣）條件下，含氧量從20.53%下降到2.71%，與不加催化劑對(duì)比， 氧氣消耗速率提高31.4%，可有效保障現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全。

圖3 反應(yīng)后的尾氣組成分析

Fig.3 Analysis of exhaust gas composition after the reaction

2.2 氧含量監(jiān)測(cè)

制定現(xiàn)場(chǎng)氧含量操作作法，規(guī)定了監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)范圍、監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔、監(jiān)測(cè)等級(jí)以及特殊作業(yè)井監(jiān)測(cè)注意事項(xiàng)。結(jié)合稠油吞吐特點(diǎn)，規(guī)定氧含量超標(biāo)預(yù)警值為5%，超過(guò)預(yù)警值啟動(dòng)應(yīng)急處理預(yù)案。

2.3 優(yōu)化工藝消除風(fēng)險(xiǎn)源

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，通過(guò)施工工序的不斷完善，有效消除爆炸風(fēng)險(xiǎn)源。經(jīng)過(guò)300多井次不同類型井現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，從未發(fā)生爆炸，有效保障了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全。

①注空氣前，由油套空間和油管補(bǔ)充1 000方氮?dú)?，頂替套管氣，使井筒?nèi)無(wú)可燃?xì)?

②注空氣過(guò)程中，當(dāng)鄰近生產(chǎn)井套管壓力升高1 MPa，從油套環(huán)空注氮?dú)? 000 m3，將可燃?xì)忭斕娴接蛯?。?dāng)氧含量超過(guò)5%，補(bǔ)充氮?dú)? 000 m3并關(guān)井;

③相鄰近井采取進(jìn)高架罐生產(chǎn)方式;

④注完空氣后，油管和油套環(huán)空分別注氮?dú)?/p>

1 000 m3和2 000 m3，并直接注蒸汽，中間間隔時(shí)間不能超過(guò)5 h。

⑤需要在監(jiān)測(cè)井井口、采油站、集輸動(dòng)明火時(shí)，監(jiān)測(cè)氧氣含量為0時(shí)方可動(dòng)工;

⑥對(duì)注氣井相鄰300 m內(nèi)生產(chǎn)井、撈油井、作業(yè)井、長(zhǎng)停井做好防噴措施。

3 結(jié) 論

（1）高溫高壓條件下有機(jī)蒸汽的爆炸極限計(jì)算結(jié)果表明，在注空氣、注蒸汽燜井階段可燃?xì)怏w組份均在安全范圍內(nèi);

（2）通過(guò)注入催化劑，可急速氧氣消耗，在48 h內(nèi)可使氧氣濃度降低到5%以下，可有效保障注入過(guò)程相鄰井的生產(chǎn)安全;

（3）爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只要氧氣濃度控制在10.47%以下，就不會(huì)存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

（4）完善施工工藝，有效消除爆炸風(fēng)險(xiǎn)源，是避免發(fā)生事故的主動(dòng)性防范措施，對(duì)保障現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)安全十分必要。

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