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高能气体压裂弹燃气组分安全性试验评价研究

文档作者：周敏蒲春生王香增孙志宇秦文龙文档来源：中国石油大学(华东)石油工程学院＼西安石油大学石油工程学院陕西延长石油集团有限公司研究院		点击数：	更新时间： 2021年09月10日
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石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2009年4月第31卷第2期
Journal of Oil and Gas Technology(J．JPI) Apr．2009 Vo1．3 1 No．2
高能气体压裂弹燃气组分安全性试验评价研究
周 敏
蒲春生
王香增
孙志宇
秦文龙
(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东东营257000)
／中国石油大学(华东)石油工程学院，山东东营257000、
＼西安石油大学石油工程学院，陕西西安71 0065 ，
(陕西延长石油集团有限公司研究院，陕西西安71 0o63)
(中国石油大学(华东)石油工程学院，山东东营257000)
(西安石油大学石油工程学院，陕西西安71 0065)
[摘要]首次采用室内模拟试验对高能气体压裂弹燃气组分的安全性进行评价研究，利用密闭爆发器测试
技术模拟了7种高能气体压裂弹的爆燃过程，并使用红外光谱分析技术对燃气成分中毒性气体进行了检
测。研究表明， 不同压裂弹爆燃产生的毒性气体的量和种类都有所不同，复合推进剂较双基推进剂产生
的毒性气体少，氧系数较小且含碳、氮量较大的压裂弹易产生大量毒性气体，其燃气组分较危险， 并给
出了毒性气体产生机理和压裂弹燃气组分安全性试验评价方法。此项研究从燃气组分安全性方面为压裂
弹优选提供理论依据，对低渗透油藏高能气体压裂的安全生产具有重要指导意义。
[关键词]高能气体压裂；压裂弹；燃气组分；试验评价；毒性气体
[中图分类号]TE357．28 [文献标识码]A [文章编号]1000—9752(2009 J O2—0126—04
高能气体压裂(High Energy Gas Fracture，简写HEGF)是提高石油二次和三次采收率的一种新
的采油技术_1]。它是利用推进剂在井筒内快速燃烧，有控制地生成大量高温高压气体，沿射孔孔眼进入
地层，形成多条不受地应力限制的径向裂缝，沟通天然裂缝，并且由于压裂过程中的负压作用、脉冲作
用、热化学作用等，可以有效清除近井地带由于钻井、射孔和各种措施造成的污染和堵塞，改善近井地
带渗流环境，达到油气井增产、注水井增注的目的。
针对高能气体压裂弹爆燃过程中有毒性气体产生的问题，笔者利用密闭爆发器测试技术模拟了7种
高能气体压裂弹的爆燃过程，并使用红外光谱测试技术分析燃气成分中的毒性气体，对高能气体压裂弹
燃气组分的安全性进行试验评价研究，给出了毒性气体产生机理和压裂弹燃气组分安全性试验评价方
法，这对于压裂弹的优选和HEGF的安全生产具有重要指导意义。
1 试验部分
1．1 试验原理
采用密闭爆发器测试技术模拟井下高温高压地质条件下压裂弹爆燃过程中释放高能气体的做功过
程，然后运用红外光谱测试技术对燃气成分进行定性、定量分析。
1．2 样品及仪器
样品为国内现用的7种高能气体压裂弹产品，样品编号为l ～7 (6 样品为长庆油田中毒井用压
裂弹编号)；伴生气为长庆油田西210井(中毒井)和董7655井中的气体；原油为长庆油田西2lO井
(中毒井)中的油样。试验前将样品刮成粉末，以保证样品在密闭爆发器中均匀、充分燃烧。表1为不
同厂家生产的HEGF样品信息表。
[收稿日期]2009—02—03
[基金项目]国家自然科学基金项目(50774091)；国家西部开发科技行动计划重大攻关课题(2005BA901A13)；陕西省重大科技攻
关专项计划(2006KZ01一G2)；陕西省高校重大科技攻关项目(2005JS04)。
[作者简介]周敏(1979一)，女，2001年大学毕业，硕士生，现主要从事油气田开发理论与系统工程方面的研究工作。
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第31卷第2期 周敏等：高能气体压裂弹燃气组分安全性试验评价研究 · 127 ·
表1 样品信息表
注；氧系数：5 >4 >7 >3 > 1 >2 >6 ；含碳量：6 >3 >4 >2 >1 > 7 >5#
含氮量：3#>6#>4 >7 >2 >5#>1#。
气体检测仪为美国Nicolet公司NEXUS 870型傅里叶变换红外光谱仪。标准气体为国家标准物质
中心研制(装于气体钢瓶内)。
1．3 试验步骤
通过电点火方式引燃密闭爆发器中的样品，由压力传感器和JV52O6型数据转化装置读取最高压力
(P 。 )，注意控制生成气体最大压力为50~70MPa。5min后待密闭爆发器中的气体冷却，迅速开启密
闭爆发器活塞，将生成的高压气体用专用导管装入铝箔材料的气体采样袋中。然后于20℃ 、0．1MPa压
力下取30ml气样在红外检测仪上进行定性
和定量分析。
1．4 气体检测试验
根据气体的红外特征吸收峰定性分析
浓缩气体样品中气体的种类，固定测试参
数条件下采用相应的标准气体的特征红外
吸收强度与试样的红外吸收强度相比较进
行相应气体组分的定量分析，取2次测试
平均值为试样气体测试结果。该研究中所
涉及的标准气体的红外特征吸收峰峰位见
表2[z， 。
2 结果与讨论
表2 气体红外特征吸收峰表
气体名称 特征吸收峰峰位／cm
二氧化碳(C02)
一氧化碳(C0)
甲烷(CH4)
氯化氢(HC1)
水蒸汽(Hz0)
二氧化氮(N02)
一氧化氮(N0)
甲醛(HCHO)
氢氰酸(HCN)
2．1 压裂弹样品燃气成分分析
表3为1#～7 样品燃气成分测试结果，图1为1 ～7 样品产生的燃气成分在常压和2O℃ 时测试
的红外光谱图。结果表明，1#～7 样品在密闭爆发器中爆燃后经红外检测，均检测出CO。、CO、CH
等气体。2 、5 、7 样品的燃气成分中检测出有HC1气体和汽化(或升华)的高氯酸，在红外图谱中
的(2980~2770)cm- 处出现系列尖峰为HC1气体的特征红外吸收，红外图谱中1088cm- 、81lcm 处
出现系列尖峰为高氯酸的特征红外吸收。2 、6 样品的燃气成分中除了检测出COz、CO、CH 等气
体，还检测出HCN气体，且在相同的药量时，6 样品的燃气成分中HCN 的含量为2 样品燃气中
HCN含量的100倍左右。
Cu 1
9 O 2 4
6 3 8 1
6 1 2 7
， ， ， ，
4 0 7 3 3 0 9 7 5
3 2 1 4 l O 4 O 8
3 l O 8 5 6 8 7 Z
2 2 3 2 1 1 1 1 3
， ， ， ， ， ， ， ， ，
2 6 6 2 4 9 5 1 6
6 7 8 6 4 2 0 8 3
3 1 0 9 7 6 9 7 3
2 2 3 2 3 1 1 1 3
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石油天然气学报(江汉石油学院学报) 2009年4月
表3 样品燃气成分测试结果表
样品编号 COz含量／1o。mg·m。 CO含量／10 mg·Ⅱ|。HCN含量／mg·m
在≥0．055未检冉
0．55
在≥0．055未检出
在≥O．055未检出
在≥0．055未检出
55．41
在≥O．055未检出
6-0 30ml红外气体池 j
O 5 ▲一 - I ． 一 一 人 一
一L J 6# 一I 上
O O
L 5#
一 一 ▲ ．
-(】5
●■●■ ． J 人
- 1 O
． ▲一 ■ ． ▲
_ l 5 ．L一 L， 2# ． 一 ▲
． 1 P 一- 一 ▲
4000 3000 2000 、．
． ，
1000
坡数／cm。1
图1 1 ～7 样品产生的燃气成分的红外光谱图
比较7个样品可知，5 样品产生的毒性气体最少；2#、6 样品都含有环氧树脂(氧系数极小且分
子结构中有大量苯环)，其氧系数[43较小，含碳、氮量较大，不仅产生大量C0，还产生了HCN，两种
气体的协同作用使其毒性倍增，大大增加了2#、6 样品的危险性；1 样品由于含有高氯酸钾(属富氧
物质且不含碳、氮元素)和环氧树脂(氧系数极小且含碳量很大)，产生的CO最多；从表3可以明显
看出，2 、5 、7 样品产生的C0较其他样品少，它们都是含有高氯酸铵(属富氧物质且不含碳元素)
的复合推进剂_5]，而3 、4#、6 样品都是含有硝化纤维素的单、双基推进剂。
2．2 压裂弹样品与伴生气配比后燃气成分分析
用针管抽取5Oral伴生气注人密封的聚乙烯薄膜袋中，与样品同时放人密闭爆发器中制备高压气
体，采集高压气体后用红外光谱法进行定性、定量分析。试验表明，1 ～7 样品与伴生气爆燃反应后，
产生的c0的量均增加l倍左右。此外，6 样品(试验药量约7g)与50ml伴生气混合后燃气成分中
HCN的量增加约4倍，其余样品HCN含量变化不大。
6 样品是含有硝化纤维素的双基推进剂，2 样品是含有高氯酸铵的复合推进剂，这使得6 样品的
氧系数较2 样品小，含碳、氮量较2 样品大，因此，6 样品燃烧后产生的HCN较2 样品多；且其
燃烧产物中仍含有一定量的NH。，与石油伴生气混合后发生二次反应使HCN含量倍增。反应方程式[6]
如下：
NH +CH (或C2H 6)一H2+ HCN
2．3 6 样品与有机烃类物质配比后燃气成分分析
试验中采用6 样品分别与伴生气、石油醚(精制的石油产物)和原油混合，在密闭爆发器中爆燃
反应后，用红外光谱法测试其产生的燃气成分。试验结果表明(如表4)，有机烃类物质参与6 样品的
热分解燃烧过程，使生成的CO和HCN气体含量增加。当有伴生气参与6 样品的热分解反应时，燃气
中CO含量增加约1倍，HCN含量增加约4倍； 当液体的烃类物质(石油醚、原油)参与6 样品的热
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第3l卷第2期 周敏等： 高能气体压裂弹燃气组分安全性试验评价研究
分解反应时，燃气中CO含量增加程度略小一些，HCN含量增加约10倍。
表4 6 样品与不同烃类成分配比后燃气成分测试结果表
由于6 样品燃烧产物中仍含有一定量的NH。，和原油混合后能与其轻质组分发生二次反应，进一
步大大增加了HCN 的含量。反应方程式如下：
C6 H14+ 6NH3— 6HCN+ 13H2
C H2井2+ nNH3— nHCN + (2n+ 1)H2
3 结 论
1)采用密闭爆发器测试技术模拟井下高温高压地质条件下压裂弹爆燃过程中释放高能气体的做功
过程，然后运用红外光谱检测技术对燃气成分进行定性、定量分析，监测燃烧气体产物的种类和浓度，
可为压裂弹配方设计和安全使用提供有效的评价方法和途径。
2)2 、6 样品的危险性较大，其中6 样品最危险；5#、7 样品的安全性较好，其中5 样品的安
全性最好。一般复合推进剂的安全性要比双基推进剂的好；氧系数较大，含碳、氮量较小的压裂弹的安
全性较好。
3)6 样品主要是含有双酚A环氧树脂的双芳一3配方，燃烧产物中检测出危险含量的HCN气体，
且与石油伴生气或原油混合反应后，燃烧产物中的HCN含量增加4～lO倍。建议高能气体压裂增产措
施中不宜用6 样品配方的压裂弹，可采用其他材料(如聚氨酯)代替双酚A环氧树脂。
[参考文献]
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[3]刘中奇，王汝琳．基于红外吸收原理的气体检测[J]．煤炭科学技术，2005，33(1)：65～68．
[4] 王德才．火药学[M]．南京：南京理工大学出版社，1988．
[5]刘继华．火药物理化学性能[M]．北京：北京理工大学出版社，1997．
[6] 陈涛，陈彬南，史蓉蓉，等．气体碳氮共渗中HCN 的伴生与消除试验研究[J]．南昌航空工业学院学报，1995， (增刊)
82～ 86．

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