Processing math: 100%
  石油与天然气化工  2024, Vol. 53 Issue (3): 130-133, 140
引用本文
曾文广, 葛鹏莉, 肖雯雯, 刘青山, 闻小虎, 史宝成, 胡姿铭. 空气驱油可燃气体爆炸安全风险分析[J]. 石油与天然气化工, 2024, 53(3): 130-133, 140.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2024.03.020
空气驱油可燃气体爆炸安全风险分析
曾文广1,2 , 葛鹏莉1,2 , 肖雯雯1,2 , 刘青山1,2 , 闻小虎1,2 , 史宝成3 , 胡姿铭3     
1. 中国石油化工股份有限公司西北油田分公司;
2. 中国石油化工集团公司碳酸盐岩缝洞型油藏提高采收率重点实验室;
3. 长江大学石油工程学院
收稿日期：2023-12-25
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51974033)；油气藏地质及开发工程全国重点实验室开放基金(PLN2023-11)；吉林省智慧管道与流体力学重点实验室开放基金(IPFM2022-04)
作者简介：曾文广，1978年生，硕士，高级工程师，2005年毕业于西南石油学院油气井工程专业，主要从事集输工艺技术、油田防腐工程等方面的研究工作。E-mail：zengwg.xbsj@sinopec.com.
通信作者：史宝成，1978年生，工学博士，副教授，主要从事油气储运工程方向的研究工作。E-mail：shibaoch@yangtzeu.edu.cn.
摘要：目的 目前，安全问题仍然是限制空气驱大规模应用的主要原因，为此进行了针对其爆炸极限计算方法的研究。方法 通过对6种可燃气体的单组分计算方法、单组分文献值与2种多组分计算方法进行组合，得到了14种计算组合，将其与国内某油田3口井的爆炸实测值进行比较，以判断哪种组合适应性最好。结果 含碳原子单组分燃气计算法与多组分燃气计算中查图-理·查特里修正法组合得到的计算结果整体误差相对较小，更符合爆炸极限实测值。结论 可为C1~C3轻烃体积分数达90%以上的井流物的爆炸极限理论计算方法的选择提供参考。
关键词：空气驱    可燃气体    爆炸    安全风险    惰性气体    
Safety risk analysis of air flooding oil combustible gas explosion
ZENG Wenguang1,2 , GE Pengli1,2 , XIAO Wenwen1,2 , LIU Qingshan1,2 , WEN Xiaohu1,2 , SHI Baocheng3 , HU Ziming3     
1. Sinopec Northwest Company, Urumqi, Xinjiang, China;
2. Sinopec Key Laboratory of Enhanced Oil Recovery in Carbonate Fractured-vuggy Reservoirs, Urumqi, Xinjiang, China;
3. School of Petroleum Engineering, Yangtze University, Wuhan, Hubei, China
Abstract: Objective At present, the safety issue is still the primary reason limiting the large-scale application of air flooding. Therefore, the calculation method of the explosion limit of air flooding was used in this study. Methods Through the combination of the component calculation method of six kinds of combustible gases, literature value of single component gases and two kinds of multi-component calculation method, fourteen kinds of calculation combinations have been obtained. The calculation results of various combinations have been subsequently compared with the explosion-measured values of three wells in a domestic oilfield to determine which combination has the best adaptability. Results The overall error of the calculation results obtained by combining the carbon atom single component method and checking the figure-Le Chatlier method was relatively good, which was more consistent with the measured value of explosion limit. Conclusion This study provides a reference for selecting theoretical calculation methods for the well fluid gas explosion limit with the volume fraction of C1-C3 light hydrocarbon content of more than 90%.
Key words: air flooding    combustible gas    explosion    safety risk    inert gas    

通常条件下，可燃气体的爆炸极限值一般通过试验获得，此种方法是最科学、最可靠的。但在空气驱过程中，井流物间混合气的种类不尽相同，且在生产过程中同一井流物的各组分含量也会随着时间发生变化，使其爆炸试验周期长且多，费用高，数据往往只能应用于单一项目，不具有广泛应用性。爆炸极限的计算方法常作为试验方法的补充与参考，国内外不少学者对可燃气体的计算方法进行了研究与应用。单组分燃气常用的计算方法有化学浓度计算法、含碳原子数计算法、氧原子数计算法、北川徽三计算上限计算法和低热值计算法[1-6]。刘彬[7]借鉴氧原子计算法提出了一种氧原子系数法计算爆炸极限的方法；崔淦等[8]发现Le Chatlier经验公式在计算超低温下甲烷的爆炸极限时已不再适用。Le Chatlier经验公式普遍应用于多组分燃气计算，可预测含硫气田水罐转水过程中存在爆炸的可能性[9]，对于多元混合气体爆炸极限的计算也有很好的适应性[10-12]，可应用于煤层气、吞吐稠油注空气的多种可燃有机蒸气混合空气气体爆炸极限的预测[13-14]，还可用于NH3和H2混合气气体爆炸极限判断式的推导[15]。Le Chatlier经验公式虽然使用范围较广，但仍与实际值存在误差，其原因之一是火焰传播方向[16]。国内油田用于含惰性多组分燃气的计算常采用查图“消元”+Le Chatlier经验公式的方法[17]。

经文献调研，发现在对比气体爆炸极限单组分计算方法过程中使用的方法较少，且多组分计算方法常用文献参考值，两种类型方法的对比一般分开进行，组合分析较少。本研究认为文献中单组分爆炸极限值可作为单组分计算方法对比的标准：将单组分爆炸极限文献值与计算方法得到值分别代入多组分计算方法中，将各自得到的值与爆炸极限实测值进行对比，可以作为多组分计算方法对比的标准。为了考查误差最低的组合计算方法，将常用的6种单组分爆炸极限计算方法、单组分文献值与2种多组分计算方法进行组合，得到14种单组分+多组分计算方法的组合，用于计算3口井的气体爆炸极限，同时与3口井的气体爆炸极限实验值进行对比，分析优选出较为适应空气驱井流物的爆炸极限计算的组合方法。

1 实验材料与方法
1.1 实验设备与实验步骤

对常温常压下的3口井流物进行了测定，爆炸极限测试系统主要组成见表 1。

表 1    系统设备列表

实验前封闭爆炸箱自由面，使爆炸箱成为一个密闭的受限空间，井流物从气源供给装置通过进气管进入箱体内部，通过流量计控制井流物在箱内的含量，通入气体过程中打开箱体内部顶端的防爆风扇，使箱体内气体混合均匀，充分混合5 min后，开启箱体右侧中部的点火系统。按照GB/T 12474-2008《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》爆炸判断标准进行爆炸测试[18]。

1.2 井流物组分信息

以国内某气田的3口井为例(分别命名为1#、2#和3#)，在25 ℃、0.101 MPa(1个大气压)的实验环境下，对其井流物脱出气体进行了分析，得到相应的组成数据(见表 2)。

表 2    井流物组成

2 经典可燃气体计算方法
2.1 单组分计算方法

调研了6种精度较好的爆炸极限计算模型，如表 3所列。

表 3    经典单组分算法

2.2 多组分计算方法
2.2.1 理·查特里法(修正)

对于含惰性气体的可燃气体，其爆炸极限一般采用理·查特里修正公式进行计算，如式(1)所示。

Lm=Lf×(1+B1−B)×100100+Lf×B1−B (1)

式中：Lf为纯可燃气体的爆炸上(下)限，以体积分数计，%，计算式为Lf=100ω∑i=1φiLi；ω为可燃气体的组分数量，种；Lm为含惰性气体混合物的爆炸极限，以体积分数计，%；B为惰性气体体积分数，%。

2.2.2 查图-理·查特里法

吴建峰等[17]结合管道石油储运的具体情况，总结、归纳出了一种查图“消元”结合理·查特里公式对含惰性气体的可燃气体进行估算的方法。该方法的具体思路为：①将某一惰性气体组分与可燃气体中某一组分相组合，将其视为一种“新”燃气，其体积分数为两种组分之和；②根据相应的惰性气体与可燃气体的爆炸极限图，查图得出该“新”燃气的爆炸极限值；③利用理·查特里公式得到混合气体的爆炸极限。

将氮气与异己烷视为“新燃气异己烷1”，其含量为氮气与异己烷的含量之和；将二氧化碳与正己烷视为“新燃气正己烷1”，其含量为二氧化碳与正己烷的含量之和，再利用理·查特里公式进行爆炸极限数值运算(见图 1)。

图 1     单组分可燃气体与惰性气体混合物的爆炸极限

3 结果与分析
3.1 单组分方法

利用以上6种单组分爆炸极限方法对各组分的爆炸极限分别进行计算，计算结果见表 4，各单组分方法的计算误差见表 5。

表 4    各单组分方法的计算结果

表 5    各单组分方法的计算误差

6种单组分计算方法中整体误差从小到大为北川徽三上限计算法、化学浓度计算法、含碳原子数计算法、氧气系数计算法、低热值计算法和氧原子数计算法。除含碳原子计算法与低热值计算法外，其他4种算法之间均有一定的联系，其中，氧气系数计算法便是在氧原子数计算法的基础上加入氧气系数对其进行修正，得到的结果误差明显小于原算法。

含碳原子计算法是基于大量实验推导出来的经验式，所以采用该方法得到的结果误差也相对较小。但低热值计算法与其他5种方法不同，其内核是基于燃烧热与爆炸极限的规律推导得到的，其爆炸下限的计算公式是基于燃烧热与可燃物的相对分子质量计算得到。由于爆炸极限与相对分子质量和燃烧热之间存在一定的联系，所以其爆炸下限总体误差不大，而其爆炸上限的公式主要是基于其爆炸下限与其相对分子质量进行运算的，导致其结果误差较大。

通过以上方法的对比可明显看出，各种方法对爆炸下限的计算适用性较好，但对于爆炸上限的计算，部分方法适用性较差。由于大部分算法都是基于烷烃与氧气化学平衡式推导得到，所以上述方法基本只适用于烷烃类气体。

3.2 单组分+多组分组合方法

3口井中，1#的爆炸极限实测值为4.62%~14.61%；2#的爆炸极限实测值为4.06%~14.45%；3#的爆炸极限实测值为4.38%~14.38%。将各组合得到的爆炸极限值与3口井的实测值进行对比，得到每口井中各组合的相对误差值，然后取各组合中3口井的相对误差平均值进行对比，结果如图 2所示。

图 2     各种组合算法的爆炸极限相对误差

图 2中横坐标为各种单组分爆炸极限计算方法，深色柱体表示理·查特里修正法中的上、下限相对误差，浅色柱体表示查图-理·查特里中的上、下限相对误差。每个柱体取值均为3口井的相对误差平均值。爆炸上、下限的柱状图越低，表示相对误差越小，意味着组合算法对实测的结果适应性越好。在爆炸上限图(图 2(b))中含碳原子计算法的相对误差最小，文献值的相对误差稍大于含碳原子计算法，化学浓度计算法、氧原子数计算法、氧气系数计算法的爆炸上限相对误差相差不大，总体在8%左右；在爆炸下限图(图 2(a))中，氧气系数计算法的相对误差较大，约14%，化学浓度计算法约9%，氧原子数计算法的相对误差约4%；而低热值计算法在各种算法中的误差均是最大的。

虽然在对单组分进行计算时，北川徽三上限计算法、化学浓度计算法得到的误差最小，但在对多组分气体结合多组分算法进行计算时，两种方法的计算优势并不明显。所以，组合中单组分爆炸极限计算方法推荐选择含碳原子数计算法，其在计算上、下限时整体表现相对于其他6种方法最好。

在对2种多组分计算法进行优选的过程中，对于含有惰性气体的混合物计算，理·查特里修正法虽考虑到了惰性气体对可燃气体爆炸极限的惰化作用，但在计算过程中没有观测误差与人工选择误差，未考虑不同类型的惰性气体对可燃气体爆炸极限的惰化作用。此方法计算得到的结果与查图-理·查特里法相差不大。

查图-理·查特里法将不同惰性气体与可燃气体组合成“新”燃气的计算思路，不仅考虑到了惰性气体对可燃气体爆炸极限的惰化作用，还考虑到了不同类型惰性气体的惰化作用。但查图-理·查特里法在对多组分混合气进行计算的过程中较为明显的缺点为：在组合“新”燃气阶段，不同的组合方式有时会影响到最终的计算结果，组合方式的不同可能会使估算结果更精确，但也可能导致结果误差更大，具有较大的随机性；其次，由于“新”燃气需要查图来确定爆炸极限，这个过程也会导致一定的观测误差。

总之，由于不同惰性气体对可燃气的惰化作用不同，在惰性气体含量较多且成分又不单一时，可能会导致计算结果误差更大。而查图-理·查特里法虽然有观测误差与人工选择误差，但该误差在可接受范围内。所以在组合算法中，多组分算法成分较为推荐采用查图-理·查特里法。

4 结论

通过对爆炸极限的计算方法的调研，对于含惰性气体的多组分可燃气体爆炸极限进行组合计算的过程中，单组分算法的最优方法为含碳原子计算法，多组分算法推荐采用查图-理·查特里法。在对C1~C3轻烃体积分数达90%以上、惰性气体体积分数在7%以下的空气驱油井流物的爆炸极限进行计算时，查图-理·查特里法的相对误差较小，平均相对误差可在5%以下。但目前只是对井流物气体在常压、常温状态下的爆炸极限进行计算对比，对于其高温、高压下的爆炸极限仍需进行一定的修正。

参考文献
[1]
许满贵, 徐精彩. 工业可燃气体爆炸极限及其计算[J]. 西安科技大学学报, 2005, 26(2): 139-142.
[2]
田贯三, 于畅, 李兴泉. 燃气爆炸极限计算方法的研究[J]. 煤气与热力, 2006, 26(3): 29-33.
[3]
罗灿. 高温高压下乙烷、乙烯在纯氧中爆炸极限研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2018.
[4]
李永斌, 李松. 可燃气体爆炸极限计算的探讨[J]. 山西科技, 2019, 34(2): 107-108.
[5]
樊玉光, 张硕, 史冬雨, 等. 混空轻烃燃气爆炸极限计算方法的研究[J]. 石油工业技术监督, 2018, 34(7): 40-42.
[6]
者莉, 王春刚, 者小辉. 油田注减氧空气驱油工程氧含量的确定[J]. 云南化工, 2018, 45(6): 129-130.
[7]
刘彬. 有机可燃气体爆炸极限的推荐计算方法[J]. 昆明理工大学学报(理工版), 2007, 32(1): 119-124.
[8]
崔淦, 李自力, 付阳, 等. 超低温下甲烷爆炸极限分析及实验测试装置设计[J]. 化工机械, 2016, 43(3): 302-310.
[9]
高晓根, 邓翔, 周潮光, 等. 含硫气田水罐爆炸可能性探讨[J]. 天然气与石油, 2020, 38(3): 112-117.
[10]
刘彬. 混合可燃气体爆炸极限预测研究[J]. 广东化工, 2018, 45(7): 119-121.
[11]
LA FLEUR A. Ternary and quaternary explosion regions and Le Chatelier's formula[J]. Recueil Des Travaux Chimiques Des Pays Bas, 1937, 56(5): 442-473. DOI:10.1002/recl.19370560505
[12]
KOSHIBA Y, HASEGAWA T, KIM B, et al. Flammability limits, explosion pressures, and applicability of Le Chatelier's rule to binary alkane-nitrous oxide mixtures[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2017, 45: 1-8. DOI:10.1016/j.jlp.2016.11.007
[13]
黄海仙, 李明, 顾安忠, 等. 煤层气爆炸极限分析[J]. 天然气工业, 2010, 30(12): 104-106.
[14]
管九洲. 吞吐稠油注空气油气爆炸分析及控制[J]. 当代化工, 2015, 44(6): 1448-1451.
[15]
张玉轩, 杨海峰, 刘裕, 等. 混合气体爆炸极限判断式推导[J]. 辽宁化工, 2017, 46(5): 473-475.
[16]
MENDIBURU A Z, CORONADO C R, DE CARVALHO JR J A. Difficulties on the determination of the flammability limits of fuel mixtures by the Law of Le Chatelier[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2020, 142: 45-55. DOI:10.1016/j.psep.2020.05.047
[17]
吴建峰, 孔庆钫, 王保东. 混合气爆炸极限的理论计算方法[J]. 油气储运, 1994(5): 10-12.
[18]
中华人民共和国公安部. 空气中可燃气体爆炸极限测定方法: GB/T 12474-2008[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.
[19]
刘光永. 可燃物质的爆炸极限数据[J]. 化学工业与工程, 1992(3): 57-63.
空气驱油可燃气体爆炸安全风险分析
曾文广 , 葛鹏莉 , 肖雯雯 , 刘青山 , 闻小虎 , 史宝成 , 胡姿铭