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空氣驅油可燃氣體爆炸安全風險分析

文檔作者：曾文廣1,2 葛鵬莉1,2 肖雯雯1,2 劉青山1,2 聞小虎1,2 史寶成3 胡姿銘3 文檔來源： 1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司 2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室 3.長江大學石油工程學院		更新日期： 2026年05月29日	點擊數：
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空氣驅油可燃氣體爆炸安全風險分析
曾文廣1,2 葛鵬莉1,2 肖雯雯1,2 劉青山1,2
聞小虎1,2 史寶成3 胡姿銘3
1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司
2.中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室 3.長江大學石油工程學院
摘要:目的目前,安全問題仍然是限制空氣驅大規模應用的主要原因,為此進行了針對其爆炸極限計算方法的研究。方法
通過對6種可燃氣體的單組分計算方法、單組分文獻值與2種多組分計算方法進行組合,得到了14種計算組合,將其與國內某油
田3口井的爆炸實測值進行比較,以判斷哪種組合適應性最好。結果含碳原子單組分燃氣計算法與多組分燃氣計算中
查圖-理·查特里修正法組合得到的計算結果整體誤差相對較小,更符合爆炸極限實測值。結論可為C1 ~C3 輕烴體積分數達
90%以上的井流物的爆炸極限理論計算方法的選擇提供參考。
關鍵詞:空氣驅;可燃氣體;爆炸;安全風險;惰性氣體
DOI:10.3969/j.issn.1007-3426.2024.03.020
引用格式:曾文廣,葛鵬莉,肖雯雯,等.空氣驅油可燃氣體爆炸安全風險分析[J].石油與天然氣化工,2024,53(3):130-133.
ZENG W G,GEPL,XIAO W W,etal.Safetyriskanalysisofairfloodingoilcombustiblegasexplosion[J].ChemicalEngineeringofOil&amp;amp; Gas,
2024,53(3):130-133.
Safetyriskanalysisofairfloodingoilcombustiblegasexplosion
ZENG Wenguang1,2,GEPengli1,2,XIAO Wenwen1,2,LIUQingshan1,2,
WENXiaohu1,2,SHIBaocheng3,HUZiming3
1.SinopecNorthwestCompany,Urumqi,Xinjiang,China;2.SinopecKeyLaboratoryofEnhancedOilRecoveryinCarbonateFractured-vuggy
Reservoirs,Urumqi,Xinjiang,China;3.SchoolofPetroleum Engineering,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei,China
Abstract:Objective Atpresent,thesafetyissueisstilltheprimaryreasonlimitingthelarge-scaleapplicationofairflooding.
Therefore,thecalculationmethodoftheexplosionlimitofairfloodingwasusedinthisstudy.Methods Throughthecombinationof
thecomponentcalculationmethodofsixkindsofcombustiblegases,literaturevalueofsinglecomponentgasesandtwokindsof
multi-componentcalculation method,fourteenkindsofcalculationcombinationshavebeenobtained.Thecalculationresultsof
variouscombinationshavebeensubsequentlycomparedwiththeexplosion-measuredvaluesofthreewellsinadomesticoilfieldto
determinewhichcombinationhasthebestadaptability.ResultsTheoverallerrorofthecalculationresultsobtainedbycombiningthe
carbonatomsinglecomponentmethodandcheckingthefigure-LeChatliermethodwasrelativelygood,whichwasmoreconsistent
withthemeasuredvalueofexplosionlimit.Conclusion Thisstudyprovidesareferenceforselectingtheoreticalcalculationmethods
forthewellfluidgasexplosionlimitwiththevolumefractionofC1-C3lighthydrocarboncontentofmorethan90%.
Keywords:airflooding;combustiblegas;explosion;safetyrisk;inertgas
通常條件下,可燃氣體的爆炸極限值一般通過試
驗獲得,此種方法是最科學、最可靠的。但在空氣驅過
程中,井流物間混合氣的種類不盡相同,且在生產過程
中同一井流物的各組分含量也會隨著時間發生變化,
使其爆炸試驗周期長且多,費用高,數據往往只能應用
于單一項目,不具有廣泛應用性。爆炸極限的計算方
法常作為試驗方法的補充與參考,國內外不少學者對
可燃氣體的計算方法進行了研究與應用。單組分燃氣
常用的計算方法有化學濃度計算法、含碳原子數計算
法、氧原子數計算法、北川徽三計算上限計算法和低熱
值計算法[1-6]。劉彬[7]借鑒氧原子計算法提出了一種
氧原子系數法計算爆炸極限的方法;崔淦等[8]發現
130
石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2024
基金項目:國家自然科學基金面上項目(51974033);油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室開放基金(PLN2023-11);吉林省智
慧管道與流體力學重點實驗室開放基金(IPFM2022-04)
作者簡介:曾文廣,1978年生,碩士,高級工程師,2005年畢業于西南石油學院油氣井工程專業,主要從事集輸工藝技術、油田
防腐工程等方面的研究工作。E-mail:zengwg.xbsj@sinopec.com
通信作者:史寶成,1978年生,工學博士,副教授,主要從事油氣儲運工程方向的研究工作。E-mail:shibaoch@yangtzeu.edu.cn
LeChatlier經驗公式在計算超低溫下甲烷的爆炸極限
時已不再適用。LeChatlier經驗公式普遍應用于多
組分燃氣計算,可預測含硫氣田水罐轉水過程中存在
爆炸的可能性[9],對于多元混合氣體爆炸極限的計算
也有很好的適應性[10-12],可應用于煤層氣、吞吐稠油注
空氣的多種可燃有機蒸氣混合空氣氣體爆炸極限的預
測[13-14],還可用于NH3 和H2 混合氣氣體爆炸極限判
斷式的推導[15]。LeChatlier經驗公式雖然使用范圍
較廣,但仍與實際值存在誤差,其原因之一是火焰傳播
方向[16]。國內油田用于含惰性多組分燃氣的計算常
采用查圖“消元”+LeChatlier經驗公式的方法[17]。
經文獻調研,發現在對比氣體爆炸極限單組分計
算方法過程中使用的方法較少,且多組分計算方法常
用文獻參考值,兩種類型方法的對比一般分開進行,組
合分析較少。本研究認為文獻中單組分爆炸極限值可
作為單組分計算方法對比的標準:將單組分爆炸極限
文獻值與計算方法得到值分別代入多組分計算方法
中,將各自得到的值與爆炸極限實測值進行對比,可以
作為多組分計算方法對比的標準。為了考查誤差最低
的組合計算方法,將常用的6種單組分爆炸極限計算
方法、單組分文獻值與2種多組分計算方法進行組合,
得到14種單組分+多組分計算方法的組合,用于計算
3口井的氣體爆炸極限,同時與3口井的氣體爆炸極
限實驗值進行對比,分析優選出較為適應空氣驅井流
物的爆炸極限計算的組合方法。
1 實驗材料與方法
1.1 實驗設備與實驗步驟
對常溫常壓下的3口井流物進行了測定,爆炸極
限測試系統主要組成見表1。
表1 系統設備列表
設備名稱備注
可燃氣體爆炸箱50cm×50cm×70cm、
五面為玻璃、一面為泄壓面
氣源供給裝置井流物、甲烷、氧氣、氮氣
點火裝置EPT-5點火能量試驗臺
流量計LZB-10玻璃轉子流量計
防爆風扇D-8401型-W 多功能電動攪拌機
實驗前封閉爆炸箱自由面,使爆炸箱成為一個密
閉的受限空間,井流物從氣源供給裝置通過進氣管進
入箱體內部,通過流量計控制井流物在箱內的含量,通
入氣體過程中打開箱體內部頂端的防爆風扇,使箱體
內氣體混合均勻,充分混合5min后,開啟箱體右側中
部的點火系統。按照GB/T12474-2008《空氣中可
燃氣體爆炸極限測定方法》爆炸判斷標準進行爆炸
測試[18]。
1.2 井流物組分信息
以國內某氣田的3口井為例(分別命名為1# 、2#
和3# ),在25℃、0.101MPa(1個大氣壓)的實驗環境
下,對其井流物脫出氣體進行了分析,得到相應的組成
數據(見表2)。
表2 井流物組成%
脫出氣體組分
摩爾分數
1# 2# 3#
CO2 3.87 3.93 3.76
N2 2.68 2.72 2.52
CH4 54.74 54.13 55.18
C2H6 20.74 21.06 21.38
C3H8 16.76 16.94 15.70
iC4H10 0.29 0.29 0.35
nC4H10 0.50 0.51 0.60
iC5H12 0.18 0.18 0.22
nC5H12 0.13 0.13 0.16
nC6H14 0.03 0.03 0.04
nC7H16 0.08 0.08 0.09
2 經典可燃氣體計算方法
2.1 單組分計算方法
調研了6 種精度較好的爆炸極限計算模型,如
表3所列。
表3 經典單組分算法
序
號
模型計算公式備注
1 化學
計算法
Li=0.55Co
Ui=4.8Co0.5
Co 為理論混合比,%;
Co=(20.95)/(0.2095+no);
no 為1mol可燃氣體完全燃
燒時所需氧的物質的量
2
含碳
原子數
計算法
Li=1/(0.1347nc+0.04343)
Ui=1/(0.01337nc+0.05151) nc 為含碳原子數
3氧原子數
計算法
Li=100/(4.76(N-1)+1)
Ui=400/(4.76N+4)
N 為可燃氣體完全燃燒時所
需的氧原子數,對烴類,N≥4
第53卷 第3期 曾文廣 等 空氣驅油可燃氣體爆炸安全風險分析 131
續表3
序
號
模型計算公式備注
4
北川
徽三
上限
計算法
Ui=20.9/(0.209+no)
2no=0.5α+2 α=1,2
2no=0.5α+2.5 α≥3 α 為碳原子數;2no 為爆炸上限
所需的氧原子摩爾數
5
氧氣
系數
計算法
Li(Ui)=100/(4.76kA+1)
A 等同于方法1中n0,k 為空氣
(氧氣)供給系數,當反應物處于
化學計量濃度時,k=1;當為爆
炸下限時,k=2;當為爆炸上限
時,k=1/3
6 低熱值
計算法
Li=(4.3×106)/(M ×ΔHi)
Ui=Li+143/M ×0.7
M 為可燃物的相對分子質量;
ΔHi 為可燃物的低位發熱量,
kJ/kg
注:Li 為可燃氣體爆炸下限,Ui 為可燃氣體爆炸上限。
2.2 多組分計算方法
2.2.1 理·查特里法(修正)
對于含惰性氣體的可燃氣體,其爆炸極限一般采
用理·查特里修正公式進行計算,如式(1)所示。
Lm=Lf×
1+ B
1-
æè
ç öø
÷ B ×100
100+Lf× B
1-B
(1)
式中:Lf 為純可燃氣體的爆炸上(下)限,以體積分數
計,%,計算式為Lf= 100
Σω
i=1
φi
Li
;ω 為可燃氣體的組分數
量,種;Lm 為含惰性氣體混合物的爆炸極限,以體積分
數計,%;B 為惰性氣體體積分數,%。
2.2.2 查圖-理·查特里法
吳建峰等[17]結合管道石油儲運的具體情況,總
結、歸納出了一種查圖“消元”結合理·查特里公式對
含惰性氣體的可燃氣體進行估算的方法。該方法的具
體思路為:①將某一惰性氣體組分與可燃氣體中某一
組分相組合,將其視為一種“新”燃氣,其體積分數為兩
種組分之和;②根據相應的惰性氣體與可燃氣體的爆
炸極限圖,查圖得出該“新”燃氣的爆炸極限值;③利用
理·查特里公式得到混合氣體的爆炸極限。
將氮氣與異己烷視為“新燃氣異己烷1”,其含量
為氮氣與異己烷的含量之和;將二氧化碳與正己烷視
為“新燃氣正己烷1”,其含量為二氧化碳與正己烷的
含量之和,再利用理·查特里公式進行爆炸極限數值
運算(見圖1)。
3 結果與分析
3.1 單組分方法
利用以上6種單組分爆炸極限方法對各組分的爆
炸極限分別進行計算,計算結果見表4,各單組分方法
的計算誤差見表5。
表4 各單組分方法的計算結果%
氣體組分
文獻值[19] 化學濃度
計算法
含碳原子數
計算法
氧原子數
計算法
Li Ui Li Ui Li Ui Li Ui
CH4 5.0 15.0 5.21 14.78 5.61 15.41 6.54 17.36
C2H6 3.0 12.5 3.11 11.41 3.20 12.78 3.38 10.72
C3H8 2.1 9.5 2.21 9.63 2.23 10.91 2.28 7.75
iC4H10 1.8 8.4 1.72 8.48 1.72 9.52 1.72 6.07
nC4H10 1.8 8.5 1.72 8.48 1.72 9.52 1.72 6.07
iC5H12 1.4 7.6 1.40 7.67 1.39 8.45 1.38 4.99
nC5H12 1.3 7.8 1.40 7.67 1.39 8.45 1.38 4.99
nC6H14 1.1 7.5 1.19 7.05 1.17 7.59 1.15 4.24
nC7H16 1.1 6.7 1.03 6.56 1.01 6.89 0.99 3.68
氣體組分
文獻值[19] 北川徽三
上限計算法
氧氣系數
計算法
低熱值
計算法
Li Ui Li Ui Li Ui Li Ui
CH4 5.0 15.0 14.35 4.99 23.96 4.82 25.35
C2H6 3.0 12.5 12.26 2.91 15.26 2.73 15.95
C3H8 2.1 9.5 9.48 2.06 11.19 1.90 12.01
iC4H10 1.8 8.4 8.52 1.59 8.84 1.66 11.77
nC4H10 1.8 8.5 8.52 1.59 8.84 1.65 9.98
iC5H12 1.4 7.6 7.73 1.30 7.30 1.32 8.48
nC5H12 1.3 7.8 7.73 1.30 7.30 1.30 8.46
nC6H14 1.1 7.5 7.08 1.09 6.22 1.07 7.39
nC7H16 1.1 6.7 6.53 0.95 5.42 0.89 6.59
注:各單組分計算方法的計算結果,均以體積分數計。
132
石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2024
表5 各單組分方法的計算誤差%
方法(正負)平均誤差(絕對值)平均誤差
Li Ui Li Ui
化學濃度計算法 2.02 -1.88 4.42 2.60 含碳原子數計算法2.77 7.63 5.75 7.63 氧原子數計算法5.19 -25.80 8.75 29.29 北川徽三上限計算法-1.35 2.10 氧氣系數計算法-5.11 6.94 5.11 17.26 低熱值計算法-6.88 21.94 6.88 22.63
6種單組分計算方法中整體誤差從小到大為北川
徽三上限計算法、化學濃度計算法、含碳原子數計算
法、氧氣系數計算法、低熱值計算法和氧原子數計算
法。除含碳原子計算法與低熱值計算法外,其他4種
算法之間均有一定的聯系,其中,氧氣系數計算法便是
在氧原子數計算法的基礎上加入氧氣系數對其進行修
正,得到的結果誤差明顯小于原算法。
含碳原子計算法是基于大量實驗推導出來的經驗
式,所以采用該方法得到的結果誤差也相對較小。但
低熱值計算法與其他5種方法不同,其內核是基于燃
燒熱與爆炸極限的規律推導得到的,其爆炸下限的計
算公式是基于燃燒熱與可燃物的相對分子質量計算得
到。由于爆炸極限與相對分子質量和燃燒熱之間存在
一定的聯系,所以其爆炸下限總體誤差不大,而其爆炸
上限的公式主要是基于其爆炸下限與其相對分子質量
進行運算的,導致其結果誤差較大。
通過以上方法的對比可明顯看出,各種方法對爆
炸下限的計算適用性較好,但對于爆炸上限的計算,部
分方法適用性較差。由于大部分算法都是基于烷烴與
氧氣化學平衡式推導得到,所以上述方法基本只適用
于烷烴類氣體。
3.2 單組分+多組分組合方法
3口井中,1# 的爆炸極限實測值為4.62% ~
14.61%;2# 的爆炸極限實測值為4.06%~14.45%;
3# 的爆炸極限實測值為4.38%~14.38%。將各組合
得到的爆炸極限值與3口井的實測值進行對比,得到
每口井中各組合的相對誤差值,然后取各組合中3口
井的相對誤差平均值進行對比,結果如圖2所示。
圖2中橫坐標為各種單組分爆炸極限計算方法,
深色柱體表示理·查特里修正法中的上、下限相對誤
差,淺色柱體表示查圖-理·查特里中的上、下限相對
誤差。每個柱體取值均為3口井的相對誤差平均值。
爆炸上、下限的柱狀圖越低,表示相對誤差越小,意味
著組合算法對實測的結果適應性越好。在爆炸上限圖
(圖2(b))中含碳原子計算法的相對誤差最小,文獻值
的相對誤差稍大于含碳原子計算法,化學濃度計算法、
氧原子數計算法、氧氣系數計算法的爆炸上限相對誤
差相差不大,總體在8%左右;在爆炸下限圖(圖2(a))
中,氧氣系數計算法的相對誤差較大,約14%,化學濃
度計算法約9%,氧原子數計算法的相對誤差約4%;
而低熱值計算法在各種算法中的誤差均是最大的。
雖然在對單組分進行計算時,北川徽三上限計算
法、化學濃度計算法得到的誤差最小,但在對多組分氣
體結合多組分算法進行計算時,兩種方法的計算優勢
并不明顯。所以,組合中單組分爆炸極限計算方法推
薦選擇含碳原子數計算法,其在計算上、下限時整體表
現相對于其他6種方法最好。
在對2種多組分計算法進行優選的過程中,對于
含有惰性氣體的混合物計算,理·查特里修正法雖考
慮到了惰性氣體對可燃氣體爆炸極限的惰化作用,但
在計算過程中沒有觀測誤差與人工選擇誤差,未考慮
不同類型的惰性氣體對可燃氣體爆炸極限的惰化作
用。此方法計算得到的結果與查圖-理·查特里法相
差不大。
(下轉第140頁)
第53卷 第3期 曾文廣 等 空氣驅油可燃氣體爆炸安全風險分析 133
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收稿日期:2023-09-01;編輯:
????????????????????????????????????????????????????
鐘國利
(上接第133頁)
查圖-理·查特里法將不同惰性氣體與可燃氣體組合
成“新”燃氣的計算思路,不僅考慮到了惰性氣體對可
燃氣體爆炸極限的惰化作用,還考慮到了不同類型惰
性氣體的惰化作用。但查圖-理·查特里法在對多組
分混合氣進行計算的過程中較為明顯的缺點為:在組
合“新”燃氣階段,不同的組合方式有時會影響到最終
的計算結果,組合方式的不同可能會使估算結果更精
確,但也可能導致結果誤差更大,具有較大的隨機性;
其次,由于“新”燃氣需要查圖來確定爆炸極限,這個過
程也會導致一定的觀測誤差。
總之,由于不同惰性氣體對可燃氣的惰化作用不
同,在惰性氣體含量較多且成分又不單一時,可能會導
致計算結果誤差更大。而查圖-理·查特里法雖然有
觀測誤差與人工選擇誤差,但該誤差在可接受范圍內。
所以在組合算法中,多組分算法成分較為推薦采用查
圖-理·查特里法。
4 結論
通過對爆炸極限的計算方法的調研,對于含惰性
氣體的多組分可燃氣體爆炸極限進行組合計算的過程
中,單組分算法的最優方法為含碳原子計算法,多組分
算法推薦采用查圖-理·查特里法。在對C1~C3 輕烴
體積分數達90%以上、惰性氣體體積分數在7%以下
的空氣驅油井流物的爆炸極限進行計算時,查圖-理·
查特里法的相對誤差較小,平均相對誤差可在5%以
下。但目前只是對井流物氣體在常壓、常溫狀態下的
爆炸極限進行計算對比,對于其高溫、高壓下的爆炸極
限仍需進行一定的修正。
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收稿日期:2023-12-25;編輯:鐘國利
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石油與天然氣化工
CHEMICALENGINEERINGOFOIL &amp;amp; GAS 2024

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