郭 亮，符 卉，雷 宏，张 博

（1.西安石油大学，陕西西安 710065；2.陕西延长油田股份有限公司西区采油厂，陕西延安 717500）

注空气驱油是一项非常有效的提高原油采收率（EOR）技术。其中注空气低温氧化技术既适用于注水油田后期高含水的三次采油，也适用于注水困难的低渗油田的二次采油。随着油气田开发进入中后期，油井综合含水率上升，油田开发难度加大，开采成本升高，如何保持油田高效生产成为开发面临的主要课题。注气采油作为提高原油采收率的重要方法之一越来越受到人们的重视[1]，对于低渗轻质油藏，注空气提高采收率不仅具有传统注气直接产生的驱替效果，氧气还会在注入过程中产生其他附加效果，空气与原油接触后会发生的低温氧化反应，氧气在这一反应过程中被消耗生成碳氧化物，同时产生的热量会升高油层温度，部分轻质组分便会因此蒸发[2]、[3]。注入的空气经过低温氧化反应后在油层内形成了新的混合气体包括CO、CO2、N2以及轻烃组分气体，被称作烟道气。而空气驱的另一优势在于其成本低廉，且来源广泛，因此实际应用价值巨大。

1 井下可燃气体的爆炸极限影响因素

可燃气体发生燃烧和爆炸的三个基本物质因素是：氧气、可燃气体以及点火能量。而燃烧爆炸，不仅需要氧气和可燃气的存在，还有一个重要条件即氧气与可燃气配比符合爆炸要求：在氧含量高于临界氧含量的情况下，可燃气在氧气与可燃气的混合物中浓度必须处于爆炸极限之外，即低于爆炸上限且高于爆炸下限，满足这样的条件，足够的点火能量就会引发燃烧或爆炸。燃烧与爆炸[4]是可燃性气体关联紧密两个特性，爆炸反应实质就是瞬时间发生的极其剧烈的燃烧反应。若密闭空间中发生燃烧，由此产生的大量高温气体会增大系统压力，燃烧就会在某一瞬间转变为爆炸。

1.1 氧含量

可燃气体在空气和纯氧气中的爆炸极限范围比较（见表1）。可见混合物中含氧量增加，爆炸极限范围扩大，尤其是爆炸下限提高的更多。

1.2 可燃性气体的种类及其化学性质

可燃气体的爆炸极限亦会受分子结构和反应能力强弱的影响，对于碳氢化合物而言，C-C 型单键结构牢固，分子相对不易受到破坏使其反应能力相对较弱，爆炸极限范围因此较小；C≡C 型三键结构碳键较为脆弱，分子结构较易破坏而化学反应能力强，爆炸极限范围因此较大；C=C 型二键碳氢化合物爆炸范围介于C-C 型单键和C≡C 型三键之间，见表2。对于同类烃化合物，爆炸极限范围往往会随碳原子数的增加而减小。除此之外导热系数也会影响爆炸极限范围，导热系数高则导热速度快，爆炸极限范围因此增大

表1 可燃气体在空气和纯氧中的爆炸板限范围

表2 爆炸极限受各类可燃气体化学性质的影响

1.3 初始温度

爆炸性气体混合物的原始温度越高，爆炸极限的范围会变的越大，即爆炸下限和爆炸上限会因此分别降低和增高。系统整体温度升高，其中分子内能会增加，处于激发态的气体分子数量会上升，原本不可燃的气体混合物便会因此变的可燃、甚至可爆。因此，爆炸危险性同温度成正比。

根据Burgess-Wheeler 法则，Zabetakis等人给出修正式：

式中：t—t℃时的温度，℃；Lc—25℃时的爆炸下限，%；Lt—t℃时的爆炸下限，%。

1.4 初始压力

爆炸极限会因混合物的原始压力不同而变化，高压情况下，爆炸极限范围也会较低压更大，主要体现在爆炸上限的显著提高，而爆炸下限往往不会有明显变化。反之，低压情况下，爆炸极限的范围较小，压力低至一定程度时，爆炸下限与爆炸上限会趋于近似值，随着压力的进一步降低，会达到混合气体的爆炸临界压力，此压力下爆炸极限缩小为零，混合物则会进入不可爆炸状态。

1.5 惰性气体的影响

不利于燃烧的惰性气体会显著改变混合燃气的爆炸极限，包括氮气、二氧化碳、水蒸气、氩、氦等。爆炸极限范围会随着惰性气体在混合物中的体积分数的增加而减小，在其体积分数提高到某一直时，混合物亦会进入不可爆炸状态。一般情况下，惰性气体对爆炸混合物爆炸上限的影响大于对爆炸下限的影响。

除上述因素造成的影响，可燃气与空气混合的均匀程度、点火源的形式及其所处系统中的位置、爆炸空间的几何形状与大小等也会对爆炸极限形成影响。

2 可燃气体爆炸极限与临界氧含量

2.1 爆炸极限

单组分可燃气体混合物的爆炸极限算式如下，（2）和（3）式：

式中：CL—单组分燃性气体浓度爆炸下限，%；CU—单组分燃性气体浓度爆炸上限，%；N—混合物燃烧完全所需要的氧原子总数。

式（4）可估算多组分可燃气体混合物的爆炸极限，其数值介于单组分可燃气体混合物的极限值之间：

式中：Cmin—多组分可燃气体混合物爆炸极限，%；V1，V2，V3，…，Vn—混合气体中的各组分气体所占的体积分数，%；C1，C2，C3，…，Cn—混合气体中各组分气体各自的爆炸界限，%。

影响气体爆炸的因素很多，实际生产条件下的爆炸极限应在估算的基础上通过具体实验测试得出。

2.2 临界氧含量的计算

可燃性气体与氧气发生完全燃烧时，化学反应式见式（5）：

式中：λ—氧原子数；m—氢原子数；n—碳原子数。

在可燃性气体体积分数为爆炸下限L 时，此时反应为富氧状态，若体积分数为L，理论临界氧含量（也叫理论最小氧体积分数）见式（6）：

式中：C（O2）—可燃性气体的理论临界氧含量，%；L—可燃性气体的爆炸下限也为其体积分数，%；N—每摩尔可燃气体完全燃烧时所需要的氧分子个数。

经计算烷烃爆炸下限时需要的理论临界氧含量（见表3）。

表3 25℃时烷烃爆炸下限理论氧含量

对于井下高温高压条件下氧的安全限值则需要进一步结合压力、温度、惰性气体等上述对爆炸极限产生主要影响的几大因素对临界氧含量进行研究分析。

3 结论

（1）燃性气体的燃爆极限和临界氧含量受初始温度、压力、氧含量、点火能量的大小位置和惰性气体等因素的影响，气体的爆炸范围会随着压力、温度和氧含量的升高而变宽，爆炸危险性增大；临界氧含量会随着温度、压力的升高而降低，研究可燃性气体的爆炸理论能为实验研究和现场应用提供理论指导。

（2）烷烃物质中，其他烷烃类化合物的理论临界氧含量皆高于甲烷。大多数石油产物常温常压的理论临界氧含量约为10%左右，氧含量在低于这个值时不会发生爆炸。

（3）由于产出气相的成分比较复杂，而不同油井产出气的含量及成分也不一样，因此，在燃爆特性实验中选用甲烷代表可燃气体进行实验。理论和实验研究都表明，利用甲烷进行实验具有很好的代表性和保守性，测定的甲烷临界氧含量安全值完全可用于天然气或其他石油产物。

［1］王杰祥，张琪，李爱山，张红玲，刘均荣，张红.注空气驱油室内实验研究［J］.石油大学学报，2003，27（4）：73-75.

［2］张霞林，张义堂，吴永彬，等.油藏注空气提高采收率开采技术［J］.西南石油大学学报，2007，29（6）：80-84.

［3］Watts B.C.，Hall T.E，Petri D.J—The Horse Creek Air Injection Project：An Overview ［DB/0L］.SPE 38359-MS，1997-05-18.

［4］张增亮.可燃气体（液体蒸气）的爆炸极限与最大允许氧含量的对比研究［J］.中国安全科学学报，2005，（12）:64-68.