摘要：我国已开始开发含CO₂酸性天然气气田，此类气田的开发要求同时重视天然气的火灾爆炸特性和CO₂的窒息危险性，如何确定C0₂含量阈值浓度，从而制订相应的防护措施具有重要现实意义。为此，运用实验手段研究了含CO₂天然气的爆炸极限，得到了CH₄、空气及CO₂三种组分气体爆炸范围图。研究表明：当泄漏天然气与空气的混合物中CO₂体积分数达到13.86%，CH₄体积分数为7.48%时，CH₄在此混合气体中的爆炸下限与上限重合。当泄漏天然气与周围空气的混合物中CO₂体积分数超过13.86%时，应重点考虑CO₂的窒息危害，而在此浓度以下时，则应着重考虑天然气的火灾爆炸危险性。同时，还针对气田安全生产的实际情况提出了相应的对策措施。

关键词：二氧化碳；酸性气田；爆炸极限；爆炸三角形；实验研究；安全生产对策

    天然气作为一种清洁能源正获得日益广泛的应用，当前，我国陆上天然气勘探开发正处于快速发展时期^[1]，近年来，我国天然气勘探取得重大进展，相继发现一些重要气藏，并已开始开发含二氧化碳(CO₂)、硫化氢(H₂S)等酸性天然气气田。如川东北高酸性气田的H₂S和CO₂含量均颇高，罗家寨气田天然气的H₂S含量8.78%～10.49%(体积分数)，CO₂含量5.44%～10.41%^[2](体积分数)；而吉林油田的天然气中CO₂含量更高，达26%～95%(体积分数)。我国国家标准^[3]规定商品天然气的H₂S含量不大于20mg/m³、CO₂含量不大于3%(体积分数)，因此酸性气体开发成本较高，安全生产尤为重要。

    在酸性气田开发中，点火是处理天然气井喷事故、防止事故扩大的有效手段。进行可靠点火的前提是当井喷泄漏气体与空气混合后，可燃气体的浓度处于爆炸极限范围内。纯净天然气的爆炸极限，已有较明确的结论，但含CO₂的酸性天然气的爆炸极限多为理论计算结果，目前，国内外对含CO₂可燃气体爆炸性的研究主要针对工业生产的爆炸性尾气等^[4～5]，与酸性气田开发的实际差距较大，难以借鉴。为此，以吉林油田开发的高含CO₂酸性天然气为样本气体，实验研究了含CO₂天然气的燃烧爆炸特性，得到了具有指导意义的爆炸极限参数，对含CO₂酸性气田的安全开发有重要的指导意义。

    为便于实验分析，确保数据真实可靠，实验研究依据吉林油田含CO₂天然气的实际组分，以纯度为99.99%的CH₄和CO₂通过分压配气系统制备实验气体。爆炸氧气通过配入空气获得。

2.2.1 主要实验设备

    1) 爆炸测试主体：采用改进Hartmann管作为爆炸测试主体，内径96mm，长度370mm。顶部安装压力传感器，上、下部各安装1支0.5mm直径的微细热电偶，通过压力和温度信号共同判定爆炸火焰的传播情况。

    2) 点火系统：采用高压火花发生器产生电火花点火，火花功率50W，点火时间0.02s。

    3) 自动配气系统：本系统可任意配比CH₄、CO₂及空气浓度，实验中CO₂含量为0～20%(体积分数)。

    4) PLC控制系统：用以控制点火和触发采样的时间序列。

    5) 数据采集系统：采用奥地利Dewetron高速数据采集系统，记录压力和火焰温度信号。

2.2.2 实验步骤

    实验中，首先利用自动配气系统将CH₄、CO₂及空气配置成所需浓度的混合气体，将气体导入爆炸测试装置内部，关闭各入、出气阀门，点火引爆，记录压力和火焰温度信号，即完成1次实验。同一浓度混合气体爆炸实验未发现压力和温度2者同时升高时，要反复测试5次以上。实验流程如图1所示(试验压力为0.101325MPa，初始温度为20℃)。

实验过程中，由数据采集计算机自动记录数据，并实时获得实验曲线。共进行了28组、140次实验。典型数据对应的实验曲线如图2所示。

    由图2可知：当实验气体在Hartmann管内发生爆炸时，能检测到管内有明显的压力和温度变化；如果未发生爆炸，则检测不到明显的压力和温度变化。

根据以上实验结果，绘制了CH₄、CO₂及空气3组分气体爆炸范围图，如图3所示。经检测得知可燃气CH₄在含有10%(体积分数) CO₂的混合空气中的爆炸下限和上限分别为(X₁、X₂)、(X₁’、X₂’)，三角形X₁X₂C即为CH₄、CO₂及空气3组分气体爆炸范围。

    据图3可知：随着CH₄中混入CO₂浓度的增加，CH₄混合气的爆炸下限在升高，而爆炸上限在下降；图3的C点处CO₂体积分数为13.86%，CH₄体积分数为7.48%，此时该浓度既是CH₄的爆炸上限又是爆炸下限。

    文献报道^[6]以CO₂为稀释剂气体的CH₄在空气中的爆炸极限浓度(对应于图3中的C点)约为7.2%(体积分数)，此时CO₂的体积分数约为15.30，实验值与文献数值比较接近。

    据实验结果可得出：在含CO₂天然气的开发中，需现场设置CH₄、CO₂浓度传感器来实时获取数据，当泄漏天然气与周围空气的混合物中CO₂的体积分数超过13.86%时，就不需要考虑此类混合气体的火灾爆炸危险性，而应更加关注它的高CO₂含量产生的窒息危险性。但为确保生产安全，防止火灾爆炸事故的发生，应将检测报警的极限浓度适当提高，建议提高1.1～1.25倍。

    1) 根据实验得到的CH₄、CO₂及空气3组分气体爆炸范围图，随着CH₄中混入CO₂量的增加，CH₄混合气的爆炸下限在上升，而爆炸上限在下降，当空气中CO₂体积分数为13.86%，CH₄体积分数为7.48%时，CH₄在此混合气体中的爆炸上限和下限重合。

    2) 当泄漏天然气与周围空气的混合物中CO₂体积分数超过13.86%时，应重点考虑CO₂的窒息危害，而在此浓度以下，应着重考虑天然气的火灾爆炸危险性。同时，应考虑一定的CO₂浓度控制冗余系数，避免火灾爆炸危害，以确保生产安全。建议此系数为1.25，即当泄漏天然气与周围空气的混合物中CO₂体积分数超过17.32%时，应重点考虑CO₂引起的窒息危害，并为应急人员提供空气呼吸器等救生设备。

    3) 对含CO₂天然气气藏开发现场进行危险气体监测时，应同时监测CH₄和CO₂的浓度。CH₄监测仪器报警浓度取爆炸下限的1/5；考虑国家对于工作场所CO₂浓度的控制要求，CO₂监测仪器的报警浓度取1%(体积分数)，由于在生产中要考虑燃爆危险与窒息危险的转换，建议当CO₂的体积分数超过17.32%时给出相应报警提示。

[1] 戴金星，秦胜飞，陶士振，等.中国天然气工业发展趋势和天然气地学理论重要进展[J].天然气地球科学，2005，16(2)：127-142.

[2] 赵贤正，赵政璋，李景明，等.中国陆上天然气资源的特征及发展策略[J].石油学报，2004，25(5)：1-5.

[3] 中华人民共和国国家技术监督局.GB 17820—1999天然气[S].北京：中国标准出版社，1999.

[4] 魏永生，周邦智，郑敏燕.H₂，CO，CH₄混合气体爆炸极限的多元回归分析[J].化学研究与应用，2004，16(3)：419-421.

[5] 胡耀元，钟依均，应桃开，等.H₂，CO，CH₄多元爆炸性混合气体支链爆炸阻尼效应[J].化学学报，2004，62(10)：956-962.

[6] 伯纳德·刘易斯，京特·冯·埃尔贝.燃气燃烧与瓦斯爆炸[M].王方，译.北京：中国建筑工业出版社，2006.

 

(本文作者：张应安^1，2 刘振翼³ 王峰² 钱新明³ 张德平² 黄平³ 1.大庆石油学院；2.中国石油吉林油田公司采油工艺研究院；3.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室)