吞吐稠油注空气油气爆炸分析及控制

总结现场试验经验，分析注空气、注蒸汽、焖井和开采过程风险，通过计算进行安全评价，对现场工况条件尾气进行爆炸实验，确定安全氧含量极限，形成人防、技防一整套现场安全控制体系，为吞吐稠油注空气技术的推广奠定了基础。

1 吞吐稠油注空气安全评价

气体爆炸[4]必须有三个基本条件：有合适浓度的燃料气体、有合适浓度的氧气、有足够能量的点火源。每种燃料气体在氧气或在空气中都有一个可以发生爆炸的浓度范围。超出这个范围，即使用很强的点火源也不能激发爆炸，这个浓度范围叫做爆炸极限[5]。

1.1 三爆炸极限影响因素分析

（1）原始温度

爆炸性气体混合物原始温度越高，活性分子相应增加，爆炸极限范围越宽。

（2）原始压力

在增加压力情况下，爆炸极限变化不大。压力增加，物质分子间距缩小，碰撞几率增加一般压力增加，爆炸极限范围扩大，且压力升高对上限提高的影响较为显著。当压力降到某一数值时，其上限即与下限重合，出现一个临界值，若压力再下降，气体便不燃不爆。

（3）容器

容器的大小对爆炸极限也有影响。实验证明，容器直径越小，爆炸范围越窄。随容器或管道直径的减小，单位体积的气体就有更多的热量消耗在管壁上。当散出热量等于火焰放出能量的23%时，火焰即会熄灭，所以热损失的增加必然降低火焰的传播速度并影响爆炸极限。能持续燃烧的条件是新生自由基数量必须等于或大于消失自由基数。随着管径缩小，自由基与反应分子间的碰撞几率也不断减少，而自由基与器壁碰撞的概率反而不断增大，当器壁间距小到某一数值时，这种器壁效应就会使火焰无法继续。

（4）惰性介质

若混合物中加入惰性气体，则爆炸极限范围缩小，惰性气体的提高到某值时，可使混合物不燃不爆。图1表明了加入惰性气体（N2、CO2、Ar、He、CCl4、水蒸气）对甲烷混合气爆炸极限的影响。由图可见，随惰性气体的增加对上限的影响较之对下限的影响更显著。

图1 各种惰性气体浓度对甲烷爆炸极限的影响

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

（5）点火能源

点火源，如火花的能量、热表面的面积、火源与混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响。例如，甲烷当电压为100 V，电流强度为2 A时其爆

炸界限为5.9%～13.6%，而当电流强度为3 A时，

爆炸界限为5.85%～14.8%。一般情况下，点火源能量越大、持续时间越长，则爆炸极限范围越宽。各种爆炸性混合物都有一个最低引爆能量，一般在接近于理论混合比例时出现。除了上述因素外，光的作用对爆炸极限也有影响。

（6）火焰的传播方向（点火位置）

当在爆炸极限测试管中进行爆炸极限测定时，可发现在垂直的测试管中于下部点火，火焰由下向上传播时，爆炸下限值最小，上限值最大;当于上部点火时，火焰向下传播，爆炸下限值最大，上限值最小;在水平管中测试时，爆炸上下限值介于前两者之间。

（7）含氧量

空气中的（O2）为21%，当混合气中（O2）增加时，爆炸极限范围变宽。由于当处于空气中爆炸的下限时，其组分中的（O2）已经很高，故增加（O2）对爆炸下限的影响不大;而增加（O2）使上限显著增加，是由于氧取代了空气中的氮，使反应更容易进行。

1.2 爆炸风险分析

吞吐稠油中可燃气主要成分是甲烷，注空气爆炸可能发生的几个环节：

①注空气前井筒中有可燃气体，开始注入空气过程，甲烷与空气中氧气混合达到爆炸浓度，遇明火爆炸。

②空气注入油层，氧化反应不完全，或直接气窜至相临井，氧含量超标，遇到明火爆炸，主要发生生产井井口、采油站、集输，导致事故发生。

③注完空气后，油井压力下降，油层甲烷返吐到井筒中，且甲烷与空气中氧气混合达到爆炸浓度，注蒸汽时产生火花发生爆炸。

本文主要对以上三个阶段进行分析和制定控制措施。

1.3爆炸极限理论计算

1.3.1多元爆炸性混合气体爆炸极限计算

多种可燃有机蒸汽和空气与氧气混合，其可燃部分爆炸极限可用下式计算[6]：

（1）

（2）

式中 L0，U0—混合气体中可燃部分的爆炸下、上限，%;

Li，Ui—各可燃气体组分的爆炸下、上限，%;

Ni—各组分气体的体积比。

多元爆炸性混合气体的热力性质取决于组成气体的种类及组成成分。

1.3.2 高温高压条件下有机蒸汽爆炸极限计算

（1） 高温状况下

对于可燃有机蒸汽或气体，随着温度的升高，爆炸浓度上、下限的宽度会增加，温度增高10 ℃，其在空气中的爆炸下限大约降低8%，而其上限将提高8%，爆炸极限与温度的数学模型公式如下：

Lt=L25（1-8×10-4（t-25）） （3）

Ut=u25（1+8×10-4（t-25）） （4）

式中： Lt，Ut —温度为t时爆炸下、上限，%;

L25，u25—温度为25 ℃时爆炸下、上限，%;

t—燃气温度，℃。

（2） 高压状况下

根据燃气燃烧和爆炸理论，随着压力的升高，爆炸浓度上、下限的宽度一般会增加，且对上限的影响较大，当可燃有机蒸汽或气体的压力高于常压，又低于20.7 MPa时的爆炸上限Up，取决于压力的对数，可用下式进行计算：

Up=u+20.6（lgP+1） （5）

式中： Up—压力为P时的爆炸上限，%;

u—可燃蒸汽常压（0.1 MPa）下爆炸上限，%;

P—可燃蒸汽系统的实际压力，MPa。

1.4爆炸极限理论计算结果

主要针对高温空气注入阶段和焖井阶段进行理论计算。

1.4.1 高温空气注入阶段

空气注入过程中，稠油被氧化。原油中可燃气体主要是由于温度升达到初馏点，开始产生可燃气。

通过实验可知稠油和氧化稠油有所不同。但初馏点在90℃以上，30%的馏程在300 ℃以下，为安全计算保险系数高，挥发出来的烃类气体正庚烷来计算。

假设地层压力为15 MPa，近井温度为100 ℃，已知正庚烷100 ℃的饱和蒸汽压106.1 kPa，得出地层压力下正庚烷与空气的体积比：

=

因此，可燃气体所占体积百分比为：

经查正庚烷爆炸下限、上限分别为：L0=1.05，U0=6.7;

应用IAST注空气安全评价软件计算可燃气体体积分数为0.707%、温度100 ℃、压强15 MPa、烷烃碳数范围5～7时，得到100 ℃时的爆炸下限为0.987%，和上限为51.930%。所以100 ℃、15 MPa时可燃气体体积分数为0.707%，不在爆炸范围之内所以是安全的。

1.4.2 注蒸汽及焖井阶段

依据室内实验结果，稠油为完全氧化反应过程中，氧含量小于6.47%。

经过计算，注入空气12×104 Nm3 空气，可燃气体在混合气体中的所占比例0.182%。应用IAST注空气安全评价软件计算可燃气体体积百分比为0.182%、温度200 ℃、压强15 MPa、烷烃碳数范围5～7时，得到200 ℃，15 MPa时的爆炸下限0.903%，上限为52.465%，此时烃类气体体积分数为0.182%，而此时的氧气含量6.47%，均不在爆炸范围之内，所以是安全的。

1.5现场工况条件下尾气爆炸实验

以曙一区杜80块、杜210块、杜66块有代表性的几十组不同气体组分进行燃爆实验，获取了爆炸岛图，见图2。无论在任何条件下，氧气浓度控制在10.47%以下，就不会存在爆炸风险。

图2 现场工况条件下爆炸导图

Fig.2 Explosion map under field operating conditions

2 安全控制措施

2.1 采用催化剂提高氧含量消耗速率

注空气前，加入催化剂，加速氧气消耗，48 h内，氧含量降低到5%以下。如图3所示，反应条件为200 ℃，反应48 h，注气压力1.2 MPa，催化氧化（用量3 t/10 Nm3空气）条件下，含氧量从20.53%下降到2.71%，与不加催化剂对比， 氧气消耗速率提高31.4%，可有效保障现场试验安全。

图3 反应后的尾气组成分析

Fig.3 Analysis of exhaust gas composition after the reaction

2.2 氧含量监测

制定现场氧含量操作作法，规定了监测手段、监测范围、监测时间间隔、监测等级以及特殊作业井监测注意事项。结合稠油吞吐特点，规定氧含量超标预警值为5%，超过预警值启动应急处理预案。

2.3 优化工艺消除风险源

现场试验中，通过施工工序的不断完善，有效消除爆炸风险源。经过300多井次不同类型井现场试验，从未发生爆炸，有效保障了现场试验安全。

①注空气前，由油套空间和油管补充1 000方氮气，顶替套管气，使井筒内无可燃气;

②注空气过程中，当邻近生产井套管压力升高1 MPa，从油套环空注氮气1 000 m3，将可燃气顶替到油层。当氧含量超过5%，补充氮气1 000 m3并关井;

③相邻近井采取进高架罐生产方式;

④注完空气后，油管和油套环空分别注氮气

1 000 m3和2 000 m3，并直接注蒸汽，中间间隔时间不能超过5 h。

⑤需要在监测井井口、采油站、集输动明火时，监测氧气含量为0时方可动工;

⑥对注气井相邻300 m内生产井、捞油井、作业井、长停井做好防喷措施。

3 结 论

（1）高温高压条件下有机蒸汽的爆炸极限计算结果表明，在注空气、注蒸汽焖井阶段可燃气体组份均在安全范围内;

（2）通过注入催化剂，可急速氧气消耗，在48 h内可使氧气浓度降低到5%以下，可有效保障注入过程相邻井的生产安全;

（3）爆炸实验结果表明，只要氧气浓度控制在10.47%以下，就不会存在爆炸风险。

（4）完善施工工艺，有效消除爆炸风险源，是避免发生事故的主动性防范措施，对保障现场试验安全十分必要。

参考文献：

[1] 邝 煜.稠油出砂冷采技术及展望[J].内蒙古石油化工，2002（6）：102-106.

[2] 裴润有，等. 深层稠油混合高温蒸汽吞吐工艺参数优化研究与实践 [J]. 西安石油大学学报（自然科学版），2010，23（2）：44-48.

[3] 吴永彬，等. 泡沫油稳定性主控因素实验研究[J]. 现代地质， 2012，26（1）：184-190.

[4] 刘振翼，等. 不同温度下原油蒸气的爆炸极限和临界氧含量[J]. 化工学报，2011，62（7）：1998-2004.

[5] 张利明，等.注含氧氮气油藏产出气的爆炸极限与临界氧含量研究[J].中国安全生产科学技术，2013，9（5）：5-10.

[6] 彭新平，等. 石油液化气储配站火灾爆炸危险分析与事故后果评价[J].工业安全与环保，2006，32（2）：43-45.

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