摘要：我國(guó)已開(kāi)始開(kāi)發(fā)含CO₂酸性天然氣氣田，此類(lèi)氣田的開(kāi)發(fā)要求同時(shí)重視天然氣的火災(zāi)爆炸特性和CO₂的窒息危險(xiǎn)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(shí)意義。為此，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)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(shí)，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?chē)諝獾幕旌衔镏蠧O₂體積分?jǐn)?shù)超過(guò)13.86%時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮CO₂的窒息危害，而在此濃度以下時(shí)，則應(yīng)著重考慮天然氣的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性。同時(shí)，還針對(duì)氣田安全生產(chǎn)的實(shí)際情況提出了相應(yīng)的對(duì)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(shí)驗(yàn)研究；安全生產(chǎn)對(duì)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(guó)陸上天然氣勘探開(kāi)發(fā)正處于快速發(fā)展時(shí)期^[1]，近年來(lái)，我國(guó)天然氣勘探取得重大進(jìn)展，相繼發(fā)現(xiàn)一些重要?dú)獠兀⒁验_(kāi)始開(kāi)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(guó)國(guó)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(kāi)發(fā)成本較高，安全生產(chǎn)尤為重要。

    在酸性氣田開(kāi)發(fā)中，點(diǎn)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(diǎn)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(jì)算結(jié)果，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)含CO₂可燃?xì)怏w爆炸性的研究主要針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的爆炸性尾氣等^[4～5]，與酸性氣田開(kāi)發(fā)的實(shí)際差距較大，難以借鑒。為此，以吉林油田開(kāi)發(fā)的高含CO₂酸性天然氣為樣本氣體，實(shí)驗(yàn)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(duì)含CO₂酸性氣田的安全開(kāi)發(fā)有重要的指導(dǎo)意義。

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

2.2.1 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

    1) 爆炸測(cè)試主體：采用改進(jìn)Hartmann管作為爆炸測(cè)試主體，內(nèi)徑96mm，長(zhǎng)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(guò)壓力和溫度信號(hào)共同判定爆炸火焰的傳播情況。

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

    3) 自動(dòng)配氣系統(tǒng)：本系統(tǒng)可任意配比CH₄、CO₂及空氣濃度，實(shí)驗(yàn)中CO₂含量為0～20%(體積分?jǐn)?shù))。

    4) PLC控制系統(tǒng)：用以控制點(diǎn)火和觸發(fā)采樣的時(shí)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(hào)。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

    實(shí)驗(yàn)中，首先利用自動(dòng)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(cè)試裝置內(nèi)部，關(guān)閉各入、出氣閥門(mén)，點(diǎn)火引爆，記錄壓力和火焰溫度信號(hào)，即完成1次實(shí)驗(yàn)。同一濃度混合氣體爆炸實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)壓力和溫度2者同時(shí)升高時(shí)，要反復(fù)測(cè)試5次以上。實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示(試驗(yàn)壓力為0.101325MPa，初始溫度為20℃)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)獲得實(shí)驗(yàn)曲線。共進(jìn)行了28組、140次實(shí)驗(yàn)。典型數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線如圖2所示。

    由圖2可知：當(dāng)實(shí)驗(yàn)氣體在Hartmann管內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí)，能檢測(cè)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(cè)不到明顯的壓力和溫度變化。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)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(cè)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(diǎn)處CO₂體積分?jǐn)?shù)為13.86%，CH₄體積分?jǐn)?shù)為7.48%，此時(shí)該濃度既是CH₄的爆炸上限又是爆炸下限。

    文獻(xiàn)報(bào)道^[6]以CO₂為稀釋劑氣體的CH₄在空氣中的爆炸極限濃度(對(duì)應(yīng)于圖3中的C點(diǎn))約為7.2%(體積分?jǐn)?shù))，此時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)約為15.30，實(shí)驗(yàn)值與文獻(xiàn)數(shù)值比較接近。

    據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出：在含CO₂天然氣的開(kāi)發(fā)中，需現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置CH₄、CO₂濃度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)泄漏天然氣與周?chē)諝獾幕旌衔镏蠧O₂的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)13.86%時(shí)，就不需要考慮此類(lèi)混合氣體的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性，而應(yīng)更加關(guān)注它的高CO₂含量產(chǎn)生的窒息危險(xiǎn)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(cè)報(bào)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(shí)驗(yàn)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(shí)，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?chē)諝獾幕旌衔镏?span>CO₂體積分?jǐn)?shù)超過(guò)13.86%時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)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(xiǎn)性。同時(shí)，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?chē)諝獾幕旌衔镏蠧O₂體積分?jǐn)?shù)超過(guò)17.32%時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)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(duì)含CO₂天然氣氣藏開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)同時(shí)監(jiān)測(cè)CH₄和CO₂的濃度。CH₄監(jiān)測(cè)儀器報(bào)警濃度取爆炸下限的1/5；考慮國(guó)家對(duì)于工作場(chǎng)所CO₂濃度的控制要求，CO₂監(jiān)測(cè)儀器的報(bào)警濃度取1%(體積分?jǐn)?shù))，由于在生產(chǎn)中要考慮燃爆危險(xiǎn)與窒息危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)換，建議當(dāng)CO₂的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)17.32%時(shí)給出相應(yīng)報(bào)警提示。

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(本文作者：張應(yīng)安^1，2 劉振翼³ 王峰² 錢(qián)新明³ 張德平² 黃平³ 1.大慶石油學(xué)院；2.中國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)