注空气驱油中油井伴生气爆炸极限实验研究.pdf
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1、利用高温高压爆炸实验装置对不同温度、压力条件下油井伴生气的燃爆特性进行了研究,得到了爆炸极限的变化规律和安全氧含量。结果表明,初始温度和初始压力的升高均会扩大伴生气的爆炸极限范围,1 MPa、40 时的爆炸极限为 2.41%27.23%,而 20 MPa、120 时的爆炸极限变为 1.02%61.52%,范围变宽;爆炸下限和爆炸上限分别对温度和压力变化较为敏感;随着氧气浓度的减小,爆炸极限交汇一点,得到安全氧含量 7.8%。研究结果可为注气吞吐过程的安全控制提供实际参考。关键词:注空气驱油;伴生气;高温;高压;爆炸极限作者简介:王建伟,大学本科,1998 年毕业于西南石油学院,工程师,注册安全
2、工程师。主要研究方向:安全管理、环保管理。目前,我国陆上油田的勘探和开发已进入中后期,原油含水率越来越高,油藏的平均空气渗透率也越来越低,导致常规注水压力较高,部分区块的注水压力已达 30 MPa 以上,且存在大量无效注水,不能为地层补充足够能量,限制了油田的稳定持续开发。注空气开发已被认为是提高原油采收率的有效方式,具有气源充足、易获取、不受空间限制等优点1-2。但与氮气、二氧化碳等注气介质不同,空气中含有的氧气与井筒伴生气混合后,在遇到点火源时,容易引发油气起火或爆炸事故3。针对空气驱油中面临的安全问题,诸多研究人员参照 在高温和高压下测定化学品可燃性极限的标准实施规程(ASTM E918
3、2019)规程中的相关做法进行了实验研究,获得了不同温度、压力条件下烃类可燃气体的爆炸极限和安全氧含量,但多以单一介质为主,对于多元体系下的爆炸特性研究较少,且对井筒或地层深处的高压情况研究不足4-5。基于此,以某油田区块油井伴生气为研究对象,利用高温高压爆炸实验装置确定伴生气的爆炸极限,考察不同工况对燃爆特性的影响,以期 为 同 类 型 油 藏 的 注 气 开 发 提 供 理 论依据。1实验装置和方法1.1实验装置装置 由 高 温 高 压 反 应 釜、配 气 系 统、点 火装置、控温控 压 装 置 和 数 据 采 集 系 统 等 组 成,见图 1。图 1实验装置示意图28 2023 年第 9
4、 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT虽然 ASTM E9182019 规程中推荐采用球形容器进行实验,但考虑到球形容器成本较高、制作困难,而 注气井 筒、生 产 井 筒 和 注 采 管 道均为圆柱形,故选择圆柱 形的反应 釜 作 为 爆 炸容器。反 应 釜 有 效 容 积 2.5 L,最 大 耐 压 70MPa,釜外有隔热结构的加热套管,最高加热温度 150 。配气 系 统 由 甲 烷、乙 烷、丙 烷、空气、氮气等气 瓶组成。点 火 装 置 采 用 高 能 点 火电极,点火后可在瞬间释放超过 20 J 的电火花,用于可燃气 体的点燃。控 温控压装 置 为 温 度
5、监测和压力监 测,用于观察 气体爆炸 时 产 生 的 超温、超压现象。数 据 采 集 系 统 由 计 算 机、打 印机和数据采 集模块等组 成,用于对 反 应 釜 内 的温度、压力等数据进行收集和控制。1.2实验方法在每次实验前,对反应釜进行氮气吹扫、抽真空操作,根据浓度比等于体积比的规律,向容器内依次注入可燃气体和空气,通过温压控制使工况维持在设定要求内,静置 10 min,然后开始点火操作,通过数据采集系统记录是否发生爆炸。利用逐步逼近法,找到可燃气体爆炸的浓度临界点,由此确定伴生气的爆炸极限。为保证实验结果的准确性,测试爆炸下限时,可燃气体体积每次的增量应不超过 5%;测试爆炸上限时,可
6、燃气体体积每次的减量应不超过 2%。1.3实验条件以某油田区块的油井伴生气为例进行分析,伴生气组成为 85.15%甲烷、5.18%乙烷和 9.67%丙烷(摩尔分数)。考虑到井筒深部的温度为100 120、压力为 15 20 MPa,故取最高实验温度 120,最高实验压力20 MPa。根据前人研究结果6,压力对爆炸上限的影响较大,且当压力升高到一定值时,爆炸上限的变化较小,因此,实验时压力取值遵循先密后疏 的 原 则,取 1 MPa、2 MPa、5 MPa、10 MPa、20 MPa,温度取值为40、60、80 和120。对于氮气和氧气的浓度,采用逐步逼近 法,通过不断增加氮 气或可燃气 体的
7、浓 度 进 行 计 算获取。2结果与讨论2.1实验现象辨别和爆炸判定依据通过反应釜的可视窗观察,当可燃气体浓度不在爆炸极限范围内时,点火后装置内无反应;当浓度在爆炸下限或爆炸上限附近时,可燃气体有一定点燃的可能性,点燃后伴随黄色不完全燃烧火焰,同时产生较小的响声;当可燃气体在爆炸极限范围内,且与助燃气体充分反应,点燃后伴随白色完全燃烧火焰,并产生较大响声。以上实验现象只能定性判别反应釜内是否发生爆炸,还需以超温、超压数据定量判断釜内是否发生爆炸,当点火前后的压力增加值大于0.05 MPa,温度上升值大于 10 时,即可判断发生爆炸6-8。鉴于温度参数受点火电极位置的影响较大,以压力增加值作为爆
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