摘要：我國已開始開發(fā)含CO₂酸性天然氣氣田，此類氣田的開發(fā)要求同時重視天然氣的火災(zāi)爆炸特性和CO₂的窒息危險性，如何確定C0₂含量閾值濃度，從而制訂相應(yīng)的防護(hù)措施具有重要現(xiàn)實意義。為此，運(yùn)用實驗手段研究了含CO₂天然氣的爆炸極限，得到了CH₄、空氣及CO₂三種組分氣體爆炸范圍圖。研究表明：當(dāng)泄漏天然氣與空氣的混合物中CO₂體積分?jǐn)?shù)達(dá)到13.86%，CH₄體積分?jǐn)?shù)為7.48%時，CH₄在此混合氣體中的爆炸下限與上限重合。當(dāng)泄漏天然氣與周圍空氣的混合物中CO₂體積分?jǐn)?shù)超過13.86%時，應(yīng)重點考慮CO₂的窒息危害，而在此濃度以下時，則應(yīng)著重考慮天然氣的火災(zāi)爆炸危險性。同時，還針對氣田安全生產(chǎn)的實際情況提出了相應(yīng)的對策措施。

關(guān)鍵詞：二氧化碳；酸性氣田；爆炸極限；爆炸三角形；實驗研究；安全生產(chǎn)對策

    天然氣作為一種清潔能源正獲得日益廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前，我國陸上天然氣勘探開發(fā)正處于快速發(fā)展時期^[1]，近年來，我國天然氣勘探取得重大進(jìn)展，相繼發(fā)現(xiàn)一些重要氣藏，并已開始開發(fā)含二氧化碳(CO₂)、硫化氫(H₂S)等酸性天然氣氣田。如川東北高酸性氣田的H₂S和CO₂含量均頗高，羅家寨氣田天然氣的H₂S含量8.78%～10.49%(體積分?jǐn)?shù))，CO₂含量5.44%～10.41%^[2](體積分?jǐn)?shù))；而吉林油田的天然氣中CO₂含量更高，達(dá)26%～95%(體積分?jǐn)?shù))。我國國家標(biāo)準(zhǔn)^[3]規(guī)定商品天然氣的H₂S含量不大于20mg/m³、CO₂含量不大于3%(體積分?jǐn)?shù))，因此酸性氣體開發(fā)成本較高，安全生產(chǎn)尤為重要。

    在酸性氣田開發(fā)中，點火是處理天然氣井噴事故、防止事故擴(kuò)大的有效手段。進(jìn)行可靠點火的前提是當(dāng)井噴泄漏氣體與空氣混合后，可燃?xì)怏w的濃度處于爆炸極限范圍內(nèi)。純凈天然氣的爆炸極限，已有較明確的結(jié)論，但含CO₂的酸性天然氣的爆炸極限多為理論計算結(jié)果，目前，國內(nèi)外對含CO₂可燃?xì)怏w爆炸性的研究主要針對工業(yè)生產(chǎn)的爆炸性尾氣等^[4～5]，與酸性氣田開發(fā)的實際差距較大，難以借鑒。為此，以吉林油田開發(fā)的高含CO₂酸性天然氣為樣本氣體，實驗研究了含CO₂天然氣的燃燒爆炸特性，得到了具有指導(dǎo)意義的爆炸極限參數(shù)，對含CO₂酸性氣田的安全開發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

    為便于實驗分析，確保數(shù)據(jù)真實可靠，實驗研究依據(jù)吉林油田含CO₂天然氣的實際組分，以純度為99.99%的CH₄和CO₂通過分壓配氣系統(tǒng)制備實驗氣體。爆炸氧氣通過配入空氣獲得。

2.2.1 主要實驗設(shè)備

    1) 爆炸測試主體：采用改進(jìn)Hartmann管作為爆炸測試主體，內(nèi)徑96mm，長度370mm。頂部安裝壓力傳感器，上、下部各安裝1支0.5mm直徑的微細(xì)熱電偶，通過壓力和溫度信號共同判定爆炸火焰的傳播情況。

    2) 點火系統(tǒng)：采用高壓火花發(fā)生器產(chǎn)生電火花點火，火花功率50W，點火時間0.02s。

    3) 自動配氣系統(tǒng)：本系統(tǒng)可任意配比CH₄、CO₂及空氣濃度，實驗中CO₂含量為0～20%(體積分?jǐn)?shù))。

    4) PLC控制系統(tǒng)：用以控制點火和觸發(fā)采樣的時間序列。

    5) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用奧地利Dewetron高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄壓力和火焰溫度信號。

2.2.2 實驗步驟

    實驗中，首先利用自動配氣系統(tǒng)將CH₄、CO₂及空氣配置成所需濃度的混合氣體，將氣體導(dǎo)入爆炸測試裝置內(nèi)部，關(guān)閉各入、出氣閥門，點火引爆，記錄壓力和火焰溫度信號，即完成1次實驗。同一濃度混合氣體爆炸實驗未發(fā)現(xiàn)壓力和溫度2者同時升高時，要反復(fù)測試5次以上。實驗流程如圖1所示(試驗壓力為0.101325MPa，初始溫度為20℃)。

實驗過程中，由數(shù)據(jù)采集計算機(jī)自動記錄數(shù)據(jù)，并實時獲得實驗曲線。共進(jìn)行了28組、140次實驗。典型數(shù)據(jù)對應(yīng)的實驗曲線如圖2所示。

    由圖2可知：當(dāng)實驗氣體在Hartmann管內(nèi)發(fā)生爆炸時，能檢測到管內(nèi)有明顯的壓力和溫度變化；如果未發(fā)生爆炸，則檢測不到明顯的壓力和溫度變化。

根據(jù)以上實驗結(jié)果，繪制了CH₄、CO₂及空氣3組分氣體爆炸范圍圖，如圖3所示。經(jīng)檢測得知可燃?xì)釩H₄在含有10%(體積分?jǐn)?shù)) CO₂的混合空氣中的爆炸下限和上限分別為(X₁、X₂)、(X₁’、X₂’)，三角形X₁X₂C即為CH₄、CO₂及空氣3組分氣體爆炸范圍。

    據(jù)圖3可知：隨著CH₄中混入CO₂濃度的增加，CH₄混合氣的爆炸下限在升高，而爆炸上限在下降；圖3的C點處CO₂體積分?jǐn)?shù)為13.86%，CH₄體積分?jǐn)?shù)為7.48%，此時該濃度既是CH₄的爆炸上限又是爆炸下限。

    文獻(xiàn)報道^[6]以CO₂為稀釋劑氣體的CH₄在空氣中的爆炸極限濃度(對應(yīng)于圖3中的C點)約為7.2%(體積分?jǐn)?shù))，此時CO₂的體積分?jǐn)?shù)約為15.30，實驗值與文獻(xiàn)數(shù)值比較接近。

    據(jù)實驗結(jié)果可得出：在含CO₂天然氣的開發(fā)中，需現(xiàn)場設(shè)置CH₄、CO₂濃度傳感器來實時獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)泄漏天然氣與周圍空氣的混合物中CO₂的體積分?jǐn)?shù)超過13.86%時，就不需要考慮此類混合氣體的火災(zāi)爆炸危險性，而應(yīng)更加關(guān)注它的高CO₂含量產(chǎn)生的窒息危險性。但為確保生產(chǎn)安全，防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生，應(yīng)將檢測報警的極限濃度適當(dāng)提高，建議提高1.1～1.25倍。

    1) 根據(jù)實驗得到的CH₄、CO₂及空氣3組分氣體爆炸范圍圖，隨著CH₄中混入CO₂量的增加，CH₄混合氣的爆炸下限在上升，而爆炸上限在下降，當(dāng)空氣中CO₂體積分?jǐn)?shù)為13.86%，CH₄體積分?jǐn)?shù)為7.48%時，CH₄在此混合氣體中的爆炸上限和下限重合。

    2) 當(dāng)泄漏天然氣與周圍空氣的混合物中CO₂體積分?jǐn)?shù)超過13.86%時，應(yīng)重點考慮CO₂的窒息危害，而在此濃度以下，應(yīng)著重考慮天然氣的火災(zāi)爆炸危險性。同時，應(yīng)考慮一定的CO₂濃度控制冗余系數(shù)，避免火災(zāi)爆炸危害，以確保生產(chǎn)安全。建議此系數(shù)為1.25，即當(dāng)泄漏天然氣與周圍空氣的混合物中CO₂體積分?jǐn)?shù)超過17.32%時，應(yīng)重點考慮CO₂引起的窒息危害，并為應(yīng)急人員提供空氣呼吸器等救生設(shè)備。

    3) 對含CO₂天然氣氣藏開發(fā)現(xiàn)場進(jìn)行危險氣體監(jiān)測時，應(yīng)同時監(jiān)測CH₄和CO₂的濃度。CH₄監(jiān)測儀器報警濃度取爆炸下限的1/5；考慮國家對于工作場所CO₂濃度的控制要求，CO₂監(jiān)測儀器的報警濃度取1%(體積分?jǐn)?shù))，由于在生產(chǎn)中要考慮燃爆危險與窒息危險的轉(zhuǎn)換，建議當(dāng)CO₂的體積分?jǐn)?shù)超過17.32%時給出相應(yīng)報警提示。

[1] 戴金星，秦勝飛，陶士振，等.中國天然氣工業(yè)發(fā)展趨勢和天然氣地學(xué)理論重要進(jìn)展[J].天然氣地球科學(xué)，2005，16(2)：127-142.

[2] 趙賢正，趙政璋，李景明，等.中國陸上天然氣資源的特征及發(fā)展策略[J].石油學(xué)報，2004，25(5)：1-5.

[3] 中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB 17820—1999天然氣[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[4] 魏永生，周邦智，鄭敏燕.H₂，CO，CH₄混合氣體爆炸極限的多元回歸分析[J].化學(xué)研究與應(yīng)用，2004，16(3)：419-421.

[5] 胡耀元，鐘依均，應(yīng)桃開，等.H₂，CO，CH₄多元爆炸性混合氣體支鏈爆炸阻尼效應(yīng)[J].化學(xué)學(xué)報，2004，62(10)：956-962.

[6] 伯納德·劉易斯，京特·馮·埃爾貝.燃?xì)馊紵c瓦斯爆炸[M].王方，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

 

(本文作者：張應(yīng)安^1，2 劉振翼³ 王峰² 錢新明³ 張德平² 黃平³ 1.大慶石油學(xué)院；2.中國石油吉林油田公司采油工藝研究院；3.北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室)