基于绝热火焰温度的空气钻井井下燃爆界限预测方法研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月 中 国 安 全 生 产 科 学 技 术 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:李一博,博士研究生,主要研究方向为气体钻井、井下燃爆等。通信作者:李红涛,博士,副研究员,主要研究方向为欠平衡钻井、控压钻井、多相流等。:基于绝热火焰温度的空气钻井井下燃爆界限预测方法研究李一博,李红涛,赵强,孟英峰,李皋,黄婉妮(西南石油大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川 成都 ;中国石油集团渤海钻探工程有限公司第四钻井工程分公司,河北 沧州 )摘要:为进一步准确、高效预测空气钻井井下燃爆界限,首先基于恒压、恒焓原则下的绝对焓守恒理论,推导出 化合物燃烧的绝热火焰
2、温度普适模型,提出使用绝热火焰温度预测空气钻井井下燃爆界限的方法;然后利用高温高压(,)条件下的甲烷 空气燃爆实验数据,分析燃爆界限预测结果的有效性;最后,以马 井为例,提出基于绝热火焰温度预测燃爆界限的钻井现场应用方法。研究结果表明:预测结果与实验结果一致性较高,最大绝对误差为 ;随着井深增加,井下燃爆界限范围不断变宽,燃爆上限变化幅度大于燃爆下限;通过摩尔分数与体积流量之间关系,能够使燃爆界限以甲烷产量的形式得以表现。研究结果可实现在钻井现场快速、准确预测燃爆界限,为预防井下燃爆、提高空气钻井安全性提供一定参考。关键词:绝热火焰温度;燃爆界限;空气钻井;快速预测中图分类号:;文献标志码:文
3、章编号:(),(,;,):,(,),:;引言空气钻井是指使用空气作为循环介质在地层中进行钻进的技术,相较于钻井液,其空气密度较低,能够提供更高的机械钻速,因此被广泛应用于干硬地层和水敏性地层中。因具备低价格、高效率、无污染等特性,空气钻井技术应用较为广泛 。但需要指出的是,即使在非储层段,地层中也存在一定量以甲烷为主的地层气,如果发生钻遇,地层气将进入环空,并与空气混合,进而引发井下燃爆风险。近年来,空气钻井井下燃爆造成钻具损毁的事故屡见不鲜 。防控井下燃爆的主要方法是确定地层气体在井下的燃爆界限,调整注气参数,避免地层气体浓度处于燃爆范围内。燃爆界限一般是通过实验确定,目前已有大量相关实验燃
4、爆数据,但井下燃爆界限的研究需要模拟井下高温、高压等特殊环境条件,该条件的限制易导致实验结果误差较大。在 世纪,一些学者发现,不同低碳烃类气体在燃爆下限处的绝热火焰温度 值 较 为 相似 。等 提出利用绝热火焰温度计算燃爆界限的方法;等 提出计算碳氢气体、惰性气体、氧气混合后的气体燃爆界限模拟模型,该模型要求预先确 定 标 准 温 度,以 此 判 断 是 否 满 足 燃 爆 条 件。等 将 作为甲烷和乙烷燃爆界限的绝热火焰温度;马秋菊等 设定多组分混合物在空气中的爆炸下限温度为 ;等 计算多种烃类物质的平均绝热火焰温度,并将其作为判断该可燃物与空气混合后是否燃烧的标准,在燃爆下限处取得与实验数
5、据较为一致的研究结果;等 对多元可燃烃类混合气绝热火焰温度和燃爆下限关系开展研究,证明通过绝热火焰温度法可以较为准确地获取单一和多元烃类气体的燃爆下限。世纪之后,相关学者们普遍认为,烃类可燃气体在燃爆界限处的绝热火焰温度为 。虽然对于燃爆上限而言,贫氧状态下的绝热火焰温 度 计 算 方 法 并 不 少 见 ,但 等 、万鑫 通过验证得到,使用与燃爆下限相同的绝对火焰温度来确定相同条件的燃爆上限时,存在较大误差,并认为该误差是由于燃爆上限处燃烧产物成分较为复杂引起的。目前,利用绝热火焰温度预测燃爆界限的方法已被广泛应用,但该方法主要应用于常温常压条件下的燃爆下限预测,其原因主要是高温高压下燃爆界
6、限对应的绝热火焰温度难以确定。通过实验测得燃爆界限,反推出与之对应的绝热火焰温度,可作为判断可燃物是否燃爆的标准,但该过程对实验结果具有一定依赖性,因此其应用也一定程度上被限制。鉴于此,本文首先利用恒压、恒焓原理对燃烧反应的绝热火焰温度进行计算,再根据现有燃爆界限实验数据分别拟合出燃爆下限和上限绝热火焰温度经验公式,该公式可在高温高压条件下使用;然后,结合环空流动控制方程和相应的求解方法,提出 种使用绝热火焰温度预测空气钻井井下燃爆界限的方法。研究结果可为通过调整注气参数进而预防井下燃爆事故的方法研究提供一定参考。绝热火焰温度 计算绝热火焰温度在绝热状态下,可燃物燃烧过程保持恒压、恒焓,在达到
7、化学平衡后能够使整个系统温度升高至最高工作温度,该温度即为绝热火焰温度 。可燃物燃烧反应前后的定焓关系如式()所示:反,(,)生,(,)()式中:反,为 类反应物的绝对焓,;生,为 类生成物的绝对焓,;,分别为反应物和生成物的种类;为反应初始温度,;为绝热火焰温度,;,分别为反应初始压力和最终压力,。绝对焓分为生成焓与显焓,通过绝对焓守恒原理得到关系,如式()所示:生(,)反(,)()式中:生为生成物的生成焓,;反为反应物的生成焓,;为生成物的量,;为定压比热容,();为反应过程中系统的温度,;反应过程中系统压力,。大多数可 燃 物 质 是 由 ,元 素 组 成,本 文 以 化合物在空气中燃烧
8、为例,提出式()用于计算燃烧反应绝热火焰温度的方法。在富氧状态下,可燃物被充分氧化、燃烧,如式()所示 :()式中:,分别为可燃物分子式中 ,元素的个数;为燃烧反应中 的化学计量数。为简化计算过程,比热容的取值为 个积分温度界限平均值,如式()所示:()()()()()式中:为平均比热容,()。将式()代入式(),对式()进行定焓计算,得到绝热火焰温度,如式()所示:中 国 安 全 生 产 科 学 技 术第 卷 ()(),(,),()式中:为可燃物 的 量,;为 燃 烧热,;,分别为 ,的平均比热容,();,均为绝热火焰温度计算公式缩减产生的中间系数。在贫氧状态下,不足以支持可燃物被充分氧化时
9、,反应过程中出现中间产物。在燃爆上限处,简化反应过程,可燃物与 反应生成 和,剩余 优先与 反应生产 ,反应过程如式()所示 :()将式()中的化学反应进行定焓计算,得到贫氧状态下的绝热火焰温度,如式()所示:,(),()(),(,),()式中:为贫氧状态下的绝热火焰温度,;,为式()中反应的燃烧热,;,为式()中反应的燃烧热,;,均为贫氧状态下的绝热火焰温度计算公式缩减时产生的中间系数。对于其他数量可燃物和 的燃烧反应,在已知反应产物种类及数量额基础上,同样按照式()、式()方法进行计算,但某些中间产物会给计算带来较大难度,如 、等 。目前,通过应用 、和 等化学平衡计算软件可在明确反应元素
10、、机理、热力学数据情况下,直接进行绝热火焰温度计算 。预测燃爆下限在常温常压下,不同类型有机化合物在燃爆下限处的绝热火焰温度数值近似相等,一些学者认为可燃物燃爆下限处的绝热火焰温度可能在 之间,绝热火焰温度的数值因可燃物的种类变化而变化 。等 提出,某可燃物质的平均绝热火焰温度值可视为其在燃爆下限处的绝热火焰温度,该结果被广泛应用。计算全部绝热火焰温度后取平均值的方法虽然可以有效获取燃爆下限,但同样也面临工作量较大等问题。在初始压力维持不变的情况下,燃爆下限处的绝热火焰温度并不会随初始温度改变而变化 ,因此本文以甲烷 空气为例,提出通过数值模拟预测甲烷在空气中燃爆界限的计算方法。本文甲烷在空气
11、中的燃爆界限表示 甲 烷 物 质 的 量 与 混 合 气 物 值 的 量 之 比 乘 以 ,其单位用为来表示。根据文献 可知,在不同初始压力下甲烷在空气中燃爆下限处的绝热火焰温度,如图 所示。图 不同初始压力下甲烷在空气中燃爆下限处的绝热火焰温度 由图 可知,绝热火焰温度与初始压力存在明显的线性关系,对数据进行线性拟合,得到甲烷在空气中的燃爆下限绝热火焰温度经验公式,如式()所示:,()式中:,为燃爆下限处的绝热火焰温度,。通过式()计算出不同压力下的燃爆下限绝热火焰温度,将其与式()计算结果对比,可得到燃爆下限处甲烷摩尔分数。如图 、图 所示,分别为在初始温度为、初始压力为 时,燃爆下限预测
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