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。
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。
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]。
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)。
调研了6种精度较好的爆炸极限计算模型，如表 3所列。
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。
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$L_{\mathrm{f}}=\frac{100}{\sum\limits_{i=1}^\omega \frac{\varphi_i}{L_i}}$；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，%。
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)。
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。
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。
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。
2024, Vol. 53 Issue (3): 130-133, 140 2024, Vol. 53 Issue (3): 130-133, 140