井下燃爆是指气体钻井钻遇含气层位时发生可燃气体燃爆的现象^[1]。井下燃爆的条件是地层中的烃类气体进入井筒与空气混合，达到井筒环境条件下的燃爆界限，且钻具摩擦形成的高温足以点燃混合气。井下燃爆经常发生在以空气为循环介质的气体钻井中^[2]，给气体钻井的井下安全带来很大挑战。国内外针对气体钻井井下燃爆问题已经进行了一些研究，但主要集中在排砂管线返出气体的监测方面，针对井下环境进行燃爆的试验研究比较少，特别是不同压力、温度和混合气体积分数下发生燃爆规律方面的研究鲜有报道。为此，笔者研制了现场快速直接测定地层烃类气体燃爆界限的装置，并给出了高效测量方法，开展了快速测量燃爆界限的试验，验证了该测量装置的安全性和精确性，得到了温度和压力升高会使甲烷燃爆范围变宽的规律。

1.   燃爆界限测量装置的研制

为满足不同井眼条件下快速测量燃爆界限的要求，依据最优原则选择控制压力、温度和混合气体积分数这3个可变参数；为达到经济高效的目的，以温度为最先控制量，在调配好混合气体积分数的条件下加压进行燃爆试验。在此基础上，研制了气体钻井井下燃爆界限测量装置，该装置由高温高压可变容积燃爆测试筒（简称测试筒）和系统总成2部分组成。

测试筒主要由气腔、柱塞与推进机构、支架与底座等3部分组成，如图1所示。气腔为一个可以模拟地层或井下压力、温度的圆柱状封闭空间，其直径大于临界熄火直径，长度足够形成连续传播的火焰，而且气腔足够长，还能使测试中的压力调节范围足够大；气腔内有搅拌球和磁力驱动装置，用于搅拌气腔内的气体，使之均匀混合。柱塞与推进机构改变体积，可以调节气腔内的压力及气腔进气与排气的量。测试筒上有一套控制供给空气和地层烃类气体的供气系统，可以通过安装在其上的传感器将数据输送到计算机，通过计算机实现自动化控制，从而实现不同测试条件下的燃爆监测与分析。

图  1  测试筒的结构

Figure  1.  Structure of the test barrel

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测试筒周围是测试装置的系统总成，包括：空气和烃类气体的自动控制供气装置，点火及温度控制装置，测试尾气的处理及分析装置，各相关传感器和伺服控制机构，以及内置分析、控制软件的计算机。测试装置的系统总成如图2所示。

图  2  测试装置的系统总成

Figure  2.  System assembly of the test device

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气体钻井井下燃爆界限测量装置可以根据实际应用效果，将装置主体和其他相关辅助机构集成为一个模块。该模块具有便携、安全、高效、准确的特点，可以直接在井场提供服务。

2.   井下燃爆界限测量方法

2.1   装置使用方法

打开温控箱，将气腔加热至设定温度并待其温度恒定，用空气压缩机向带搅拌器的高压气瓶注入高压空气。如果进行氮气或二氧化碳气体测试，则注入一定量空气后再向带搅拌器的高压气瓶中注入高压氮气或二氧化碳气体并连续搅拌，直至罐中氧气的体积分数达到要求值。开动调速电机，驱动空心柱塞到达右死点，同时带搅拌器的高压气瓶中的混合气体通过空气/氮气进气控制阀注入气腔，使气腔内的压力达到标准大气压。

烃类气体气瓶中的高压气体通过三通阀注入气腔，根据预定烃类气体的体积分数确定注入量。启动吸球电磁铁，将搅拌球由储球室内吸出。启动调速电机驱动空心柱塞左行，至端面到达储球室中心位置，半遮盖储球室。吸球电磁铁断电，6个电磁铁排列的1号电磁铁启动，搅拌球被吸到1号电磁铁位置。之后1号电磁铁断电，2号电磁铁启动，搅拌球移动到2号电磁铁位置。按上述顺序依次操作，直至搅拌球移动到6号电磁铁位置。然后以相反顺序操作，直至搅拌球又移动到1号电磁铁位置。搅拌球往复运动，直至左、右端全烃体积分数传感器读数一致且稳定，停止搅拌。搅拌结束时，搅拌球停留在1号电磁铁位置。1号电磁铁断电，吸球电磁铁启动，搅拌球被吸到紧靠柱塞端部的位置。将柱塞退至右死点，吸球电磁铁断电，搅拌球落回储球室，将柱塞向左推进，封住储球室。通过带防爆安全功能的可控排气阀微量放气，调整气腔内压力至标准大气压。

关闭可控排气阀，进行测试。必要时调整压力、温度等参数并点火，直至点燃。测试结束后，打开可控排气阀排气，尾气通过安全排气口排放，同时用气体组分分析仪分析尾气组分。此时，螺杆推动柱塞运行至左死点位置，使气腔内尾气完全排出，为下一次测试做好注气准备。

气体钻井井下燃爆界限快速测量装置的全部测试流程如图3所示。

图  3  点火测试流程示意

Figure  3.  Schematic diagram of the ignition test flow

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测量试验中，由储球室的搅拌球将气腔内的混合气体搅拌均匀。而在实际工况下，地层产出气体与井筒中空气的混合可能并不均匀，在现场应用中可能存在一定误差。但对于埋深1 000.00 m的地层而言，地层压力10～20 MPa，井筒压力只有1 MPa左右，地层侵入井筒内的烃类气体与空气的混合速度极快，在一些井段气体混合程度较为均匀，因此气体钻井井下燃爆界限快速测量装置采用均匀混合气体进行试验的结果较为准确。

2.2   燃爆界限组合测量方法

2.2.1   常压（定压）燃爆界限点测量

以甲烷气体为测试对象，介绍气体钻井井下燃爆界限快速测量装置在常压下测量燃爆界限的方法。常压燃爆下限点的测量依据二分法原理，使取值点在要求的精度内无限靠近实际燃爆下限点，在温度恒定时依次通入空气和甲烷气体，搅拌均匀后启动压力恒定控制程序，设置气腔内压力p为0.1 MPa，前2次试验中气腔内混合气体体积分数分别为富氧状态下的必不燃全烃体积分数C^N和富氧状态下的必燃全烃体积分数C^Y，取C^N和C^Y的中值C^M并判断C^N与C^Y的差值是否满足甲烷气体体积分数测量的允许误差(ε=0.5%)^[3]，若满足，则C^M即为燃爆下限点，否则测试体积分数为C^M时是否发生燃爆，根据结果对C^Y和C^N进行赋值，并重复上述过程，具体流程如图4所示（图4中，Y和N分别代表发生燃爆和不发生燃爆）。

图  4  常压燃爆界限点测量流程

Figure  4.  Measurement process of normal pressure blasting limit point

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图5为利用二分法寻找常压下燃爆下限点的示意图（图区中数字为试验序号）。该方法可以根据燃爆情况调整注入气腔混合气的体积分数，高效测量该压力和温度下甲烷气体的燃爆下限。

图  5  利用二分法寻找常压下燃爆下限点的示意

Figure  5.  Using the dichotomy to find the lower blasting limit at normal pressure

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二分法原理同样适于贫氧情况下点燃的甲烷气体最大体积分数的测量（即寻找燃爆上限点），只需改变注气顺序先向气腔注入甲烷至压力达到0.1 MPa再通入适量空气，搅拌均匀后控制压力在0.1 MPa，前2次试验气腔内混合气体体积分数分别为贫氧状态下的必不燃全烃体积分数和贫氧状态下的必燃全烃体积分数，再寻找中值、判断误差，并进行燃爆试验。图6为利用二分法寻找常压下燃爆上限点的示意图（图区中数字为试验序号）。

图  6  利用二分法寻找常压下燃爆上限点的示意

Figure  6.  Using the dichotomy to find the upper blasting limit at normal pressure

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2.2.2   变压燃爆界限点测量

根据常压（定压）燃爆界限点测量结果，可获得某一温度和压力下的燃爆界限，以此为基础，保持温度不变，调整气腔内甲烷气体的体积分数至该温度和压力下燃爆上限以上或下限以下，气腔内甲烷体积分数相对于燃爆界限的增减设置某一梯度∆C，从原压力开始进行点火测试，连续缓慢地推动柱塞使压力连续升高，同时连续点火。如果点燃，则测到该条件下点燃的最低压力，增大或减小气腔甲烷气体的体积分数后，重新进行增压测试。如果柱塞到达左端极限位置仍未点燃，则验证是否因增减梯度过大引起，直至因气体密度过小而无法测量。

变压燃爆界限点测量流程如图7所示。利用该方法测量不同压力下的燃爆下限点时，根据定压燃爆界限测量获取某一温度和压力下的燃爆界限C，维持此温度和压力但气腔内甲烷气体体积分数相对燃爆下限减少0.5%，打开电机推动柱塞，通过减小气腔体积的方式不断增压并持续点火，若增压过程中发生燃爆则此压力为该气体体积分数下发生燃爆的最小压力（即测得此压力和温度下的燃爆下限点），可继续减小甲烷气体的体积分数进行增压测量。

图  7  变压燃爆界限点测量流程

Figure  7.  Measurement process of variable pressure blasting limit point

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已知某一温度下压力为0.1 MPa时的燃爆下限，寻找其他压力下燃爆下限的过程如图8所示。

图  8  利用二分法寻找变压下燃爆下限点的过程

Figure  8.  The process of find the lower blasting limit under variable pressure by dichotomy

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燃爆上限随压力改变的测量与燃爆下限的原理基本相同，只是将C定义为某一温度和压力下的燃爆上限，燃爆发生后令C=C+ΔC，再次进行试验。已知某一温度下压力为0.1 MPa时的燃爆上限，寻找其他压力下燃爆上限点的过程如图9所示。

图  9  利用二分法寻找变压下燃爆上限点的过程

Figure  9.  The process of find the upper blasting limit under variable pressure by dichotomy

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2.2.3   给定温度–压力变化范围的燃爆上下限曲面测量

根据给定温度和定压燃爆界限点测量结果得出该压力和温度下的燃爆界限；然后改变压力，绘制出燃爆界限随压力变化的曲线；最后通过改变最初的温度条件，得到燃爆界限随温度和压力变化的曲面，如图10所示。

图  10  利用各温度对应的变压燃爆曲线制作的燃爆曲面

Figure  10.  Using the variable pressure blasting curve corresponding to each temperature to plot a blasting curve surface

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根据测得的数据，合理调整钻井方案，可避免出现井下燃爆及其带来的不良后果。

2.3   现场应用方法

现场应用中，排砂管线内的传感器测量经过除尘、干燥后气体各组分的体积分数，并根据测量结果配制出相同指标的烃类气体。以配制出的气体为研究对象，测量其在不同条件下的燃爆界限，最后根据大量试验结果得出该气体的燃爆曲面。根据排砂管线内传感器的测量数据，动态调节配制出的烃类气体，及时修正燃爆曲面，以便获得精确的预测结果。

后续生产过程中，将排砂管线内传感器的实时测量数据与燃爆装置所得出的燃爆曲面结合，判断气体钻井过程中可能发生燃爆的阶段，适时将空气改为氮气、钻井液等，以保证钻井安全。

3.   井下燃爆试验

为检验气体钻井井下燃爆界限快速测量装置的安全性和精确度，以甲烷气体为试验对象，配制了甲烷气体和空气的混合气，在不同压力和温度下，进行混合气井下燃爆界限测定试验。压力一定、温度不定时的试验数据及结果见表1，压力不定、温度基本稳定时的试验数据及结果见表2。

表  1  压力一定、温度不定时的试验数据及结果

Table  1.  Test data and results with constant pressure and variable temperature

编号	压力/ MPa	壳体温度/ ℃	甲烷体积 分数，%	燃爆情况	备注
1	0.1	38.0	4.73	否
2	0.1	37.0	4.75	燃
3	0.1	83.0	4.73	燃
4	0.1	33.0	14.20	燃
5	0.1	34.0	14.60	燃
6	0.1	38.5	15.00	否
7	0.1	86.0	15.78	否
8	0.1	37.0	14.80	燃
9	0.1	92.0	15.00	否
10	0.1	90.0	< 15.00	燃	加少量空气

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表  2  压力不定、温度基本稳定时的试验数据及结果

Table  2.  Test data and results with variable pressure and nearly constant temperature

编号	压力/MPa	壳体温度/℃	甲烷体积分数，%	燃爆情况
1	0.450	80	3.55	否
2	0.450	78	3.92	燃
3	0.365	68	27.40	否
4	0.400	69	25.00	燃
5	0.350	91	4.04	否
6	0.350	87	4.20	否
7	0.350	88	4.52	燃
8	0.100	86	15.78	否

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从表1可以看出：37.0 ℃温度下，体积分数4.75%的甲烷气体发生燃爆，而在38.0 ℃ 温度下体，积分数4.73%的甲烷气体不发生燃爆，但当温度升至83.0 ℃时就会发生燃爆；37.0 ℃温度下，体积分数14.80%的甲烷气体发生燃爆，而甲烷气体体积分数达到15.00%时，即使温度升高也不会发生燃爆，但加入少量空气后温度稍微升高即发生燃爆。分析上述试验结果可知，压力恒定为0.1 MPa、温度为38.0 ℃时的燃爆界限为4.75%～14.80%，与已知甲烷气体燃爆范围（5%～15%^[4]）的最大误差为0.25%；压力一定时，甲烷体积分数处于某一温度下的燃爆界限以外且不超过某一范围时，温度升高可在该体积分数下发生燃爆，换言之，压力一定时，温度越高，发生燃爆甲烷气体体积分数的范围越大。

从表2可以看出，每个试验所对应的温度相差不大，但压力相差较为明显。当压力为0.35 MPa、温度为87 ℃时，体积分数4.20%以下的甲烷气体不会发生燃爆；但温度变化不大，压力升至0.45 MPa时，体积分数3.55%的甲烷气体就会发生燃爆。同样，在86 ℃、0.10 MPa条件下，体积分数15.78%以上的甲烷气体不会发生燃爆，但压力升至0.40 MPa时，体积分数25.00%的甲烷气体即使温度只有69 ℃也会发生燃爆。分析上述试验结果可知，温度一定时，甲烷气体体积分数处于某一压力下的燃爆界限以外且不超过某一范围时，温度升高，可在该体积分数下发生燃爆，换句话说，温度一定时，压力越高，发生燃爆甲烷气体体积分数的范围越大。

综合上述试验结果，压力为0.1 MPa下测得的甲烷气体的燃爆界限与目前已知甲烷气体燃爆范围（5%～15%）相比存在0.25%的最大误差，符合甲烷气体检测±0.50%的允许误差^[3]。在一定范围内，温度和压力升高，会使可燃气体燃爆体积分数的范围增大。

4.   结论与认识

1）研制了一种现场条件下快速精确测定井下可燃气体燃爆界限的装置，可实现不同压力、温度和混合气体积分数下的燃爆界限测量，为气体钻井提供了安全保障。

2）给出了燃爆界限的组合测量流程，提供了压力、温度和体积分数的控制方法，提高了气体钻井井下燃爆界限快速测量装置的使用效率。

3）通过甲烷气体的燃爆界限测量试验，验证了气体钻井井下燃爆界限快速测量装置的安全性和有效性，发现了随着温度和压力升高，可燃气体的燃爆界限在某一范围内也会增大的规律。