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高能氣體壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)研究

文檔作者：周敏蒲春生王香增孫志宇秦文龍文檔來源：中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院＼西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院陜西延長石油集團(tuán)有限公司研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)) 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
高能氣體壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)研究
周 敏
蒲春生
王香增
孫志宇
秦文龍
(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東東營257000)
／中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東東營257000、
＼西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安71 0065 ，
(陜西延長石油集團(tuán)有限公司研究院，陜西西安71 0o63)
(中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東東營257000)
(西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安71 0065)
[摘要]首次采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)對高能氣體壓裂彈燃?xì)饨M分的安全性進(jìn)行評價(jià)研究，利用密閉爆發(fā)器測試
技術(shù)模擬了7種高能氣體壓裂彈的爆燃過程，并使用紅外光譜分析技術(shù)對燃?xì)獬煞种卸拘詺怏w進(jìn)行了檢
測。研究表明， 不同壓裂彈爆燃產(chǎn)生的毒性氣體的量和種類都有所不同，復(fù)合推進(jìn)劑較雙基推進(jìn)劑產(chǎn)生
的毒性氣體少，氧系數(shù)較小且含碳、氮量較大的壓裂彈易產(chǎn)生大量毒性氣體，其燃?xì)饨M分較危險(xiǎn)， 并給
出了毒性氣體產(chǎn)生機(jī)理和壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)方法。此項(xiàng)研究從燃?xì)饨M分安全性方面為壓裂
彈優(yōu)選提供理論依據(jù)，對低滲透油藏高能氣體壓裂的安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。
[關(guān)鍵詞]高能氣體壓裂；壓裂彈；燃?xì)饨M分；試驗(yàn)評價(jià)；毒性氣體
[中圖分類號]TE357．28 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1000—9752(2009 J O2—0126—04
高能氣體壓裂(High Energy Gas Fracture，簡寫HEGF)是提高石油二次和三次采收率的一種新
的采油技術(shù)_1]。它是利用推進(jìn)劑在井筒內(nèi)快速燃燒，有控制地生成大量高溫高壓氣體，沿射孔孔眼進(jìn)入
地層，形成多條不受地應(yīng)力限制的徑向裂縫，溝通天然裂縫，并且由于壓裂過程中的負(fù)壓作用、脈沖作
用、熱化學(xué)作用等，可以有效清除近井地帶由于鉆井、射孔和各種措施造成的污染和堵塞，改善近井地
帶滲流環(huán)境，達(dá)到油氣井增產(chǎn)、注水井增注的目的。
針對高能氣體壓裂彈爆燃過程中有毒性氣體產(chǎn)生的問題，筆者利用密閉爆發(fā)器測試技術(shù)模擬了7種
高能氣體壓裂彈的爆燃過程，并使用紅外光譜測試技術(shù)分析燃?xì)獬煞种械亩拘詺怏w，對高能氣體壓裂彈
燃?xì)饨M分的安全性進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)研究，給出了毒性氣體產(chǎn)生機(jī)理和壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)方
法，這對于壓裂彈的優(yōu)選和HEGF的安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。
1 試驗(yàn)部分
1．1 試驗(yàn)原理
采用密閉爆發(fā)器測試技術(shù)模擬井下高溫高壓地質(zhì)條件下壓裂彈爆燃過程中釋放高能氣體的做功過
程，然后運(yùn)用紅外光譜測試技術(shù)對燃?xì)獬煞诌M(jìn)行定性、定量分析。
1．2 樣品及儀器
樣品為國內(nèi)現(xiàn)用的7種高能氣體壓裂彈產(chǎn)品，樣品編號為l ～7 (6 樣品為長慶油田中毒井用壓
裂彈編號)；伴生氣為長慶油田西210井(中毒井)和董7655井中的氣體；原油為長慶油田西2lO井
(中毒井)中的油樣。試驗(yàn)前將樣品刮成粉末，以保證樣品在密閉爆發(fā)器中均勻、充分燃燒。表1為不
同廠家生產(chǎn)的HEGF樣品信息表。
[收稿日期]2009—02—03
[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50774091)；國家西部開發(fā)科技行動(dòng)計(jì)劃重大攻關(guān)課題(2005BA901A13)；陜西省重大科技攻
關(guān)專項(xiàng)計(jì)劃(2006KZ01一G2)；陜西省高校重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2005JS04)。
[作者簡介]周敏(1979一)，女，2001年大學(xué)畢業(yè)，碩士生，現(xiàn)主要從事油氣田開發(fā)理論與系統(tǒng)工程方面的研究工作。
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第31卷第2期 周敏等：高能氣體壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)研究 · 127 ·
表1 樣品信息表
注；氧系數(shù)：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#。
氣體檢測儀為美國Nicolet公司NEXUS 870型傅里葉變換紅外光譜儀。標(biāo)準(zhǔn)氣體為國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)
中心研制(裝于氣體鋼瓶內(nèi))。
1．3 試驗(yàn)步驟
通過電點(diǎn)火方式引燃密閉爆發(fā)器中的樣品，由壓力傳感器和JV52O6型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化裝置讀取最高壓力
(P 。 )，注意控制生成氣體最大壓力為50~70MPa。5min后待密閉爆發(fā)器中的氣體冷卻，迅速開啟密
閉爆發(fā)器活塞，將生成的高壓氣體用專用導(dǎo)管裝入鋁箔材料的氣體采樣袋中。然后于20℃ 、0．1MPa壓
力下取30ml氣樣在紅外檢測儀上進(jìn)行定性
和定量分析。
1．4 氣體檢測試驗(yàn)
根據(jù)氣體的紅外特征吸收峰定性分析
濃縮氣體樣品中氣體的種類，固定測試參
數(shù)條件下采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體的特征紅外
吸收強(qiáng)度與試樣的紅外吸收強(qiáng)度相比較進(jìn)
行相應(yīng)氣體組分的定量分析，取2次測試
平均值為試樣氣體測試結(jié)果。該研究中所
涉及的標(biāo)準(zhǔn)氣體的紅外特征吸收峰峰位見
表2[z， 。
2 結(jié)果與討論
表2 氣體紅外特征吸收峰表
氣體名稱 特征吸收峰峰位／cm
二氧化碳(C02)
一氧化碳(C0)
甲烷(CH4)
氯化氫(HC1)
水蒸汽(Hz0)
二氧化氮(N02)
一氧化氮(N0)
甲醛(HCHO)
氫氰酸(HCN)
2．1 壓裂彈樣品燃?xì)獬煞址治?
表3為1#～7 樣品燃?xì)獬煞譁y試結(jié)果，圖1為1 ～7 樣品產(chǎn)生的燃?xì)獬煞衷诔汉?O℃ 時(shí)測試
的紅外光譜圖。結(jié)果表明，1#～7 樣品在密閉爆發(fā)器中爆燃后經(jīng)紅外檢測，均檢測出CO。、CO、CH
等氣體。2 、5 、7 樣品的燃?xì)獬煞种袡z測出有HC1氣體和汽化(或升華)的高氯酸，在紅外圖譜中
的(2980~2770)cm- 處出現(xiàn)系列尖峰為HC1氣體的特征紅外吸收，紅外圖譜中1088cm- 、81lcm 處
出現(xiàn)系列尖峰為高氯酸的特征紅外吸收。2 、6 樣品的燃?xì)獬煞种谐藱z測出COz、CO、CH 等氣
體，還檢測出HCN氣體，且在相同的藥量時(shí)，6 樣品的燃?xì)獬煞种蠬CN 的含量為2 樣品燃?xì)庵?
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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石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)) 2009年4月
表3 樣品燃?xì)獬煞譁y試結(jié)果表
樣品編號 COz含量／1o。mg·m。 CO含量／10 mg·Ⅱ|。HCN含量／mg·m
在≥0．055未檢冉
0．55
在≥0．055未檢出
在≥O．055未檢出
在≥0．055未檢出
55．41
在≥O．055未檢出
6-0 30ml紅外氣體池 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
坡數(shù)／cm。1
圖1 1 ～7 樣品產(chǎn)生的燃?xì)獬煞值募t外光譜圖
比較7個(gè)樣品可知，5 樣品產(chǎn)生的毒性氣體最少；2#、6 樣品都含有環(huán)氧樹脂(氧系數(shù)極小且分
子結(jié)構(gòu)中有大量苯環(huán))，其氧系數(shù)[43較小，含碳、氮量較大，不僅產(chǎn)生大量C0，還產(chǎn)生了HCN，兩種
氣體的協(xié)同作用使其毒性倍增，大大增加了2#、6 樣品的危險(xiǎn)性；1 樣品由于含有高氯酸鉀(屬富氧
物質(zhì)且不含碳、氮元素)和環(huán)氧樹脂(氧系數(shù)極小且含碳量很大)，產(chǎn)生的CO最多；從表3可以明顯
看出，2 、5 、7 樣品產(chǎn)生的C0較其他樣品少，它們都是含有高氯酸銨(屬富氧物質(zhì)且不含碳元素)
的復(fù)合推進(jìn)劑_5]，而3 、4#、6 樣品都是含有硝化纖維素的單、雙基推進(jìn)劑。
2．2 壓裂彈樣品與伴生氣配比后燃?xì)獬煞址治?
用針管抽取5Oral伴生氣注人密封的聚乙烯薄膜袋中，與樣品同時(shí)放人密閉爆發(fā)器中制備高壓氣
體，采集高壓氣體后用紅外光譜法進(jìn)行定性、定量分析。試驗(yàn)表明，1 ～7 樣品與伴生氣爆燃反應(yīng)后，
產(chǎn)生的c0的量均增加l倍左右。此外，6 樣品(試驗(yàn)藥量約7g)與50ml伴生氣混合后燃?xì)獬煞种?
HCN的量增加約4倍，其余樣品HCN含量變化不大。
6 樣品是含有硝化纖維素的雙基推進(jìn)劑，2 樣品是含有高氯酸銨的復(fù)合推進(jìn)劑，這使得6 樣品的
氧系數(shù)較2 樣品小，含碳、氮量較2 樣品大，因此，6 樣品燃燒后產(chǎn)生的HCN較2 樣品多；且其
燃燒產(chǎn)物中仍含有一定量的NH。，與石油伴生氣混合后發(fā)生二次反應(yīng)使HCN含量倍增。反應(yīng)方程式[6]
如下：
NH +CH (或C2H 6)一H2+ HCN
2．3 6 樣品與有機(jī)烴類物質(zhì)配比后燃?xì)獬煞址治?
試驗(yàn)中采用6 樣品分別與伴生氣、石油醚(精制的石油產(chǎn)物)和原油混合，在密閉爆發(fā)器中爆燃
反應(yīng)后，用紅外光譜法測試其產(chǎn)生的燃?xì)獬煞?。試?yàn)結(jié)果表明(如表4)，有機(jī)烴類物質(zhì)參與6 樣品的
熱分解燃燒過程，使生成的CO和HCN氣體含量增加。當(dāng)有伴生氣參與6 樣品的熱分解反應(yīng)時(shí)，燃?xì)?
中CO含量增加約1倍，HCN含量增加約4倍； 當(dāng)液體的烴類物質(zhì)(石油醚、原油)參與6 樣品的熱
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第3l卷第2期 周敏等： 高能氣體壓裂彈燃?xì)饨M分安全性試驗(yàn)評價(jià)研究
分解反應(yīng)時(shí)，燃?xì)庵蠧O含量增加程度略小一些，HCN含量增加約10倍。
表4 6 樣品與不同烴類成分配比后燃?xì)獬煞譁y試結(jié)果表
由于6 樣品燃燒產(chǎn)物中仍含有一定量的NH。，和原油混合后能與其輕質(zhì)組分發(fā)生二次反應(yīng)，進(jìn)一
步大大增加了HCN 的含量。反應(yīng)方程式如下：
C6 H14+ 6NH3— 6HCN+ 13H2
C H2井2+ nNH3— nHCN + (2n+ 1)H2
3 結(jié) 論
1)采用密閉爆發(fā)器測試技術(shù)模擬井下高溫高壓地質(zhì)條件下壓裂彈爆燃過程中釋放高能氣體的做功
過程，然后運(yùn)用紅外光譜檢測技術(shù)對燃?xì)獬煞诌M(jìn)行定性、定量分析，監(jiān)測燃燒氣體產(chǎn)物的種類和濃度，
可為壓裂彈配方設(shè)計(jì)和安全使用提供有效的評價(jià)方法和途徑。
2)2 、6 樣品的危險(xiǎn)性較大，其中6 樣品最危險(xiǎn)；5#、7 樣品的安全性較好，其中5 樣品的安
全性最好。一般復(fù)合推進(jìn)劑的安全性要比雙基推進(jìn)劑的好；氧系數(shù)較大，含碳、氮量較小的壓裂彈的安
全性較好。
3)6 樣品主要是含有雙酚A環(huán)氧樹脂的雙芳一3配方，燃燒產(chǎn)物中檢測出危險(xiǎn)含量的HCN氣體，
且與石油伴生氣或原油混合反應(yīng)后，燃燒產(chǎn)物中的HCN含量增加4～lO倍。建議高能氣體壓裂增產(chǎn)措
施中不宜用6 樣品配方的壓裂彈，可采用其他材料(如聚氨酯)代替雙酚A環(huán)氧樹脂。
[參考文獻(xiàn)]
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[4] 王德才．火藥學(xué)[M]．南京：南京理工大學(xué)出版社，1988．
[5]劉繼華．火藥物理化學(xué)性能[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997．
[6] 陳濤，陳彬南，史蓉蓉，等．氣體碳氮共滲中HCN 的伴生與消除試驗(yàn)研究[J]．南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995， (增刊)
82～ 86．

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