吞吐稠油注空气油气爆炸分析及控制.pdf

第 4 4卷第 6期 2 0 1 5 年 6月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N 0 ． 6 J u n e ．2 0 i 5 吞吐稠油注空气油气爆炸分析及控制 管 九 洲 中油辽河油田公司曙光采油厂 ，辽宁 盘锦 1 2 4 1 0 9 摘 要吞吐稠油开发后期，利用廉价空气进行保压开采 ，已成为改善周期吞吐效果新技术。注空气对吞 吐稠油具有保压增能、助排 、 调整吸汽剖面等良好作用。试验表明，注空气对吞吐稠油开发中后期增产潜力巨 大。通过理论研究及爆炸实验 ，确定氧气爆炸极限。并确定了安全风险源 、 制定安全控制措施 ，为保障现场试 验安全奠定了基础。 关键词稠油；注空气；风险分析；安全控制 中图分类号 T E 3 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 5 0 6 1 4 4 8 0 4 Ana l ys i s a nd Co nt r o l o f Oi l a n d Ga s Ex pl o s i o n Du r i n g A i r I n j e c t i o n f o r He a v y C r u d e Oi l De v e l o p me n t G N J i u- z h ou S h u g u a n g O i l P r o d u c t i o n P l a n t ， L i a o n i n g P a n j i n 1 2 4 1 0 9 ， C h i n a Abs t r ac t I n t he l a t e r s t a g e o f he a v y o i l s t i mu l a t i o n d e ve l o p me nt ，c h e a p a i r i s al wa ys us e d t o ke e p f or ma t i o n p r e s s u r e ， wh i c h h a s b e c o me a n e w t e c h n o l o g y o f i mp r o v i n g c y c l e s t i mu l a t i o n e ff e c t ． Ai r i n j e c t i o n f o r s t i mu l a t i o n o f h e a v y o i l h a s ma n y f u n c t i o n s ， s u c h a s k e e p i n g f o r ma t i o n p r e s s u r e ， c l e a n u p ， a d j u s t i n g t h e s t e a m a b s o r p t i o n p r o fi l e a n d S O o n ． T h e e x p e r i me n t s h o w s t h a t a i r i n j e c t i o n h a s h u g e p o t e n t i a l t o i n c r e a s e p r o d u c t i o n o f h e a v y o i 1 i n mi d a n d l a t e d e v e l o p me n t ．I n t h i s p a p e r ,t h r o u g h t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h a n d e x p l o s i o n e x p e r i me n t ，t h e e x p l o s i o n l i mi t wa s d e t e rm i n e d a s we l l a s t h e r i s k s o u r c e s ， a n d c o n t r o l me a s u r e s we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s h e a v y o i l ； a i r e c t i o n ； r i s k a n a l y s i s ；s a f e t y c o n t r o l 我 国稠油资源丰富 ，目前年产量 已突破 1 0 0 0 万 t ⋯ 。主要采取注蒸汽吞吐热采方式 。吞吐稠油 开发后期 ，利用廉价空气进行保压开采 ，已成 为 改善周期吞吐效果新技术 。辽河油田曙光采油厂 自 2 0 0 8年 l 0月首次进行吞吐稠油注空气采油试验， 至今已试验 3 0 0多井次 ，增产原油 6 ． 8 万 t 。该技术 对开发后期吞吐稠油具有巨大增产潜力 ，具有广阔 的推广应用前景。 几年来 ， 不断总结现场试验经验 ， 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。 l 吞吐稠油注空气安全评价 气体爆 炸 ’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 。 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 2 3 ％时 ，火 焰即会熄灭，所以热损失的增加必然降低火焰的传 收稿 日期 2 0 1 4 一 l 2 0 2 作者简介 管九洲 1 9 6 3 一 ， 男， 工程师， 毕业于辽河石油学校石油及天然气钻井专业， 研究方向 非烃类气体采油。 E - m a i l g j z 6 3 4 9 1 h 1 6 3 ．C O ff l 。 4 4 卷第6 期堕九洲查口土 迪 窒 竖鉴坌堑 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 若混合物中加入隋性气体 ，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 l表明了加入惰性气体 N z 、C O z 、A r 、 He 、 C C 1 、水蒸气 对甲烷混合气爆炸极限的影响。 由图可见，随隋性气体的增加对上限的影响较之对 下限的影响更显著。 氧 含量 ，％ 2 0 1 R 1 6 1 4 1 2 1 0 l 4 1 2 。 把 8 6 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 1 0 0 V，电流强度为 2 A时其爆 炸界限为 5 ．9 ％～ 1 3 ． 6 ％，而当电流强度为 3 A时 ， 爆炸界限为 5 ． 8 5 ％～ 1 4 ． 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 0 为 2 1 ％，当混合气中 0 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 0 已经很高 ， 故增加 0 对爆炸下限的影响不大；而增加 0 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 L 0 1 0 0 一 L1 L 2 L3 2 1 ． ， z 2 ． ， z 3 ， z f 1 2 己 ， 3 式中 0 ， 一混合气体中可燃部分的爆炸下、上限，％； 厶， ‘ 各可燃气体组分的爆炸下 、上限，％； M一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 1 0 ， 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 厶』2 5 1 8 x 1 0 f 一 2 s 3 U t u 2 5 1 8 1 0 - 4 t - 2 5 4 式中厶， 一温度为 t 时爆炸下 、 匕 限，％ 箜 鲞箜 塑 篁 ；查 塑 窒 鉴坌堑 超标预警值为 5 ％， 超过预警值启动应急处理预案。 结果表明，在注空气、 注蒸汽焖井阶段可燃气体组份 2 ． 3 优化工艺消除风险源 均在安全范围内； 现场试验中，通过施工工序的不断完善，有效 2 通过注入催化剂，可急速氧气消耗，在 消除爆炸风险源。经过 3 0 0 多井次不同类型井现场4 8 h内可使氧气浓度降低到 5 ％以下， 可有效保障 试验，从未发生爆炸，有效保障了现场试验安全。 注入过程相邻井的生产安全； ①注空气前，由油套空间和油管补充 1 0 0 0 方 3 爆炸实验结果表明， 只要氧气浓度控制在 氮气 ，顶替套管气 ，使井筒 内无可燃气 ； 1 0 ． 4 7 ％以下 ，就不会存在爆炸风险。 ②注空气过程中，当邻近生产井套管压力升高 4 完善施工工艺， 有效消除爆炸风险源， 是 1 M P a ， 从油套环空注氮气 1 0 0 0 m ， 将可燃气顶替 避免发生事故的主动性防范措施，对保障现场试验 到油层。当氧含量超过 5 ％， 补充氮气 1 0 0 0 m 并关 安全十分必要。 井 ； 参考文献 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 0 0 0 m 和 2 0 0 0 m ， 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 3 0 0 n l 内生产井、捞油井、作 业井 、长停井做好防喷措施 。 3 结 论 1 吉温高压条件下有机蒸汽的爆炸极限计算 ⋯ 1 邝 煜 ． 稠 油 出砂 冷采 技 术 及 展 望 l J 】 ． 内 蒙 古 石 油 化 工 ， 2 0 0 2 6 1 0 2 - 1 0 6 ． 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 ，2 0 1 0 ， 2 3 2 4 4 4 8 ． 【 3 ]吴 永彬 ， 等 ．泡 沫 油稳 定性 主控 因素实 验研 究 [ J ] ．现 代地 质 ， 2 0 1 2 ， 2 6 1 1 8 4 1 9 0 ． 【 4 ] 刘振翼， 等． 不同温度下原油蒸气的爆炸极限和I临界氧含量【J 】 ．化工 学报，2 0 1 1 ， 6 2 7 1 9 9 8 2 0 0 4 ． [ 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 1 l 中国安全生产科学技术 ，2 0 1 3 ， 9 55 1 0 ． [ 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 J ． 工业安全与环保，2 0 0 6 ， 3 2 2 4 3 ～ 4 5 ． 光催化纳米二氧化钛在污水废水处理方面应用 沈阳理工大学对纳米二氧化钛对染料光催化氧化研究中指出纳米二氧化钛 v K T G 0 1 ，5 n m 在 p H为 3左右，添加量 为 1 ％时，对染料废水的光催化降解有机物的能力越强 ，光照时间较长，脱色率越高。且可以再次利用。 河北大学对纳米二氧化钛光催化剂处理印染废水的研究中指出在活性大红 B E S模拟印染废水中，p H为 4时，纳米二 氧化钛 V K T G 0 1 添加量为 0 ． 3 ％，紫外灯照射一个小时，C O D的去除率可达到 8 6 ％以上。而实际印染废水中，p H为 9 ，纳 米二氧化钛 V K T G 0 1 添加量为 0 ． 5 ％，C O D去除率为 5 7 ％，脱色率总高于 C O D去除率。 英国伦敦和安大略核于技术环境公司利用常温光催化技术指标的纳米二氧化钛 V K T G 0 1 ，将工业废液和污染的地下水 中的多氯联苯类分解为 C O 、H z O。 王惠民采用纳米二氧化钛一 T G O 1 光催化降解有机磷农药时，只需添加少量的F e “就可以大大提高 C O D的去除率及无机 磷的回收率，还可将 D D T 重点氯完全脱除。 李书珍等人利用超声降解和光催化降解氧化技术 ，采用 WL T i O 光催化剂以及 U V ／ U S联合工艺，研究水中有机物苯酚 的降解率 ，在 3 O度常压下，氧气流量为 1 0 0 Uh ，催化剂 V K T G 0 2投放量为 2 ．5 ～ 3 ．0 g ，p H为 3 ～ 4 ，反应时间为2 - 3 h ，苯酚 降解率为 1 0 0 ％ V i n o d g o p a l 等利用T i O V K T A 0 5 ／ S n O J O T E做工作极，铂丝网做对电极 ， 饱和甘汞电极做参比电极处溶液中的有机污染 物 A 0 7 ，在电压为 0 ． 8 3 V时，A 0 7的浓度下降恩快，一个小时后为 0 。 谭欣等人采用非整比纳米 T i O V K T G 0 1 一 X膜光催化降解水准低浓度卤代烃，在臭氧条件下 ，卤代烃降解率可达 9 9 ％。 K u Y o n g等在不同 P H值、光强、 T i O 类型条件下，采用紫外 T i O V K T G 0 1 氧化法分解水溶液红的 2 一 氯酚， 研究发现 ， 在酸性溶液中 2 一 氯酚和有机 中间体的去除更有效 。