温度、压力和惰性气体等因素都对爆炸极限和氧含量产生不同程度的影响。根据它们的不同影响,可通过加入惰性气体减少反应中氧浓度,或者是降压、降温等办法以缩小爆炸极限范围,降低氧浓度,从而将其控制在爆炸范围之外。
在可燃性混合气体中,当加入惰性气体,如氮气,混合气体中的氧含量相对减小,会有效缩小爆炸极限范围,使爆炸下限有少量上移,爆炸上限却下移许多。爆炸范围最终聚为一点,该点则为爆炸临界点,该点对应的氧含量即为最低临界氧含量。如果加入的惰性气体能使可燃性气体的氧浓度在最低临界氧含量以下,无论可燃性气体与惰性气体含量发生任何变化,也不会发生爆炸。要控制爆炸的发生,将可燃气体控制在爆炸范围以外或者氧含量低于临界氧含量的最低值即安全氧含量是最安全的方法。
从经济、作业因素的具体条件而论,无法控制可燃气体的浓度和爆炸范围,所以只能将氧含量控制在安全氧含量以下,并适当附加一定的安全系数。
油田各个油井的平均温度在90℃左右,生产井中环空管一般处于放空状态,压力在1MPa左右,所以取与工况条件相似的一组数据分析作图(见表3、图4、图5),可以直观地看出:
1)甲烷随着氮气量的增加,氧体积分数逐渐下降,爆炸极限范围迅速缩小,其中下限升高幅度不大,而上限急剧下降;
2)在氮气量增加到一定比例时,爆炸范围会聚为一点,超过此点混合气体即退出爆炸范围,此点为爆炸临界点;
3)对应的氧含量也集中到一点,为最低临界氧含量;
4)可见增加氮气量除了氮气的惰化作用,主要是减小了混合气体中的氧含量,导致爆炸极限发生变化。当氮气/甲烷大于6时进入不爆范围。
从图中可以明显看出,在整个爆炸范围内,氧含量对爆炸下限影响较小,而对上限影响却很大。随着氮气比例的增大,下限附近的氧含量相对上限附近的氧含量下降较快,而甲烷爆炸上限却下降更快,下限变化不大。
分析可知:在下限附近,氧始终处于过剩状态,爆炸与否主要是在于可燃气体的含量大小,由于过量空气或其他气体的冷却作用,阻止了火焰的蔓延和反应的进一步发生,因此,即使增加或减少氧气,下限也不会有明显变化。
在上限附近,可燃性混合气体存在发生爆炸时所需的最大氧含量,上限值所对应的氧含量即是其时所需的最小氧含量,二者之间是此消彼长的关系,若上限值增大,所需要的最小氧含量减小,反之最小氧含量增大。
临界氧浓度与爆炸极限成正比关系,若氧含量低于上限对应的临界氧浓度,上限值也会迅速减小直至临界可燃浓度;反之若加大氧气比例至纯氧环境,上限还会继续增大,直至纯氧环境中的上限值。
在爆炸范围内,可燃物每一浓度都对应惟一的临界氧浓度,因此,可运用数值分析原理根据所给定的部分数据拟合出相应的规律函数。笔者选取最接近工况条件的一组数据来拟合出4次函数:
其对应模拟图形如图6所示。这样对可燃气爆炸范围内不同浓度所对应的临界氧浓度都可以从理论上估算出。
3结论
1)用甲烷替代天然气或采出气来做实验,取得的实验结果,还必须从安全的角度出发,考虑一些特殊情况或意外因素导致的危险有害因素的影响后,在实验数据的基础上加以一定的安全系数才可以应用于实际生产中。
2)通过实验可以看出,该项研究中测得的临界氧含量的最小值(12.35%)大于目前公认的理论临界氧含量的最小值(10%)。
3)由于现场条件的复杂性及安全控制的要求,通过分析研究在注空气过程中外界因素对油气混合物爆炸的影响,建议将实验值乘以一定的安全系数,提出现场安全氧含量的监测标准为8%,其参考范围为5%~8%。即当监测到生产井内氧气浓度超过5%时,应启动安全预警措施;当氧气浓度达到8%时,油井关井,注入井停注。关井一段时间后,连续加密取样监测氧气的含量,当氧气浓度小于5%时,油井恢复生产,当氧气浓度小于3%时,注入井恢复注空气、空气泡沫或注水等措施。