PSA制氮設(shè)備在油田開發(fā)中的應(yīng)用及特點(diǎn)

隨著油田開發(fā)的不斷深入，在國外，氮?dú)庖驯粡V泛應(yīng)用于油氣井的開采、完井及修井，甚至利用高壓氮?dú)獾亩栊赃M(jìn)行氣體收集和管道系統(tǒng)吹掃，從而防止易燃?xì)怏w的燃燒和油田地下管道的腐蝕。在國內(nèi)，氮?dú)庠谟吞锏膽?yīng)用起步較晚，到80年代氮?dú)獠砰_始應(yīng)用于油田的開采。經(jīng)過大量的物模、數(shù)模及現(xiàn)場試驗(yàn)，證明注氮?dú)夤に嚰夹g(shù)是切實(shí)可行的。當(dāng)然，先進(jìn)的技術(shù)還需要優(yōu)良的設(shè)備來實(shí)施，由于進(jìn)口設(shè)備成本高、維護(hù)困難，不適于中國油田的現(xiàn)狀。某公司開發(fā)了適于我國油田的中空纖維膜分離制氮注氮設(shè)備。目前，該設(shè)備在油田應(yīng)用很多，效果良好。本文分析了制氮設(shè)備在油田開發(fā)中的應(yīng)用及特點(diǎn)。 

選擇制氮設(shè)備的循環(huán)取決于許多因素，其中包括電費(fèi)、產(chǎn)量、產(chǎn)品壓力和所需的濃氮盆。還必須決定采用切換式換熱器還是采用分子篩吸附器去除水分和二氧化碳。切換式換熱器技術(shù)已日臻成熟，能為許多種設(shè)備提供安全，無故障運(yùn)行。在對自清除條件沒有約束的地方采用分子篩吸附器設(shè)計(jì)更有利些，最終的選擇取決于空氣的質(zhì)量和循環(huán)的類型。 

1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

（1）設(shè)備配置的全部硬件既相互獨(dú)立又合理集中，空氣壓縮機(jī)和氮?dú)庠鰤簷C(jī)都采用柴油機(jī)直聯(lián)式，克服了油田現(xiàn)場分散，大功率供電困難的缺點(diǎn)，并且其冷卻方式為風(fēng)冷，適應(yīng)野外作業(yè)水源不足的條件，只有計(jì)量泵和氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)及中央控制室等需要現(xiàn)場提供電源。（2）空氣源系統(tǒng)（空氣壓縮機(jī)和動(dòng)力柴油機(jī)）、氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)（包括前置冷凍干燥機(jī)）分別做成滑撬，共同安裝在同一臺(tái)載車上。其中氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)為框架式全封閉恒溫結(jié)構(gòu)，通風(fēng)良好，保證分離制氮膜組處于良好的工作狀態(tài)。（3）氮?dú)庠鰤簷C(jī)與計(jì)量系統(tǒng)和活性劑的儲(chǔ)罐共同安裝在另一臺(tái)載車上，氮?dú)庠鰤簷C(jī)帶有防塵外殼，既可保證通風(fēng)良好，又能避免野外惡劣環(huán)境對設(shè)備的影響。（4）制氮設(shè)備應(yīng)具有移動(dòng)性，因?yàn)槟骋挥吞镒⑷氲獨(dú)馓岣卟墒章屎螅撚吞锏倪M(jìn)一步開發(fā)可能要用其它新的開采技術(shù)來代替。因此，制氮設(shè)備應(yīng)能在使用數(shù)年后較容易地搬遷到其它油田注氮或挪作它用，這對裝置的設(shè)計(jì)、制造和安裝具有更高的技術(shù)要求。（5）由于油田大都處于環(huán)境比較惡劣的地區(qū)，因而制注氮裝置也應(yīng)能夠適應(yīng)野外工作，特別是冷卻水系統(tǒng)和空氣過濾器等，在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮防止昆蟲、灰塵、花絮等的侵入。 

2、氮?dú)庠谟吞镩_發(fā)中的應(yīng)用及機(jī)理 

經(jīng)過大量的室內(nèi)試驗(yàn)和研究，對于大多數(shù)注氮?dú)獠荒芑煜囹?qū)替的油田來說，注氮?dú)馓岣哂吞锊墒章实目赡軝C(jī)理有幾個(gè)方面。 

2.1 提高油田采收率的可能機(jī)理 

一是在一定條件下，靠油田重力分異作用使注入氣進(jìn)入注入水所無法進(jìn)入的油濕裂縫中，驅(qū)替出其中的殘余油。二是靠油田重力分離作用，排替出被重力捕集在縫洞中的殘余油。三是靠注入的氮?dú)馊芙庥谠?，使原油體積膨脹，以其排油作用降低地面分離條件下的地層殘余油飽和度。四是改變流體流動(dòng)方向，驅(qū)替裂縫流道中的殘余油。五是靠油氣重力分異作用，回采構(gòu)造上部注入水未能波及到的剩余油。 

2.2 組成及功能 

（1）空氣壓縮機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)是中空纖維膜制氮系統(tǒng)的動(dòng)力源，提供一定壓力的空氣。該空氣壓縮機(jī)能在0～100%容量內(nèi)控制，帶有自動(dòng)進(jìn)氣閥及卸載啟動(dòng)裝置。安裝在儀表盤上的指示燈能迅速、可靠地指出故障開關(guān)或操作系統(tǒng)中的故障位置。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)油壓低、壓縮機(jī)溫度高、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液液位低、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度高及燃料油位低時(shí)均能檢測到并自動(dòng)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氣、電、油、冷卻液控制一體化，并具備完善的自動(dòng)安全保護(hù)系統(tǒng)。（2）氮?dú)獍l(fā)生系統(tǒng)組成。一是冷凍干燥機(jī)。根據(jù)冷凍除濕原理，壓縮空氣在冷凍器中和制冷劑進(jìn)行熱交換，空氣中的水分冷卻后發(fā)生冷凝，從而將其中所含的水蒸氣、油霧冷凝成液滴，由自動(dòng)排水器排出。二是空氣預(yù)處理部分。包括油水分離器、凝聚過濾器、活性炭4級(jí)過濾，以除去空氣中的殘余水分和油以及灰塵、雜質(zhì)，使進(jìn)入到膜組的空氣凈化到0.01μm。每個(gè)過濾器上裝有1個(gè)自動(dòng)排放閥，用來排出過濾器中的微量水分。為反映濾芯工作狀態(tài)（污染堵塞情況），在每個(gè)過濾器上裝有壓差指示器，分紅、綠2色指示，以提醒操作者及時(shí)更換。另外，在進(jìn)氣管路中設(shè)有能自動(dòng)恒溫控制的空氣電加熱器，當(dāng)空氣溫度較低時(shí)及時(shí)加溫。三是膜分離制氮器。不同產(chǎn)量和純度的膜分離器，是由膜組并聯(lián)而成，為膜分離制氮的關(guān)鍵部件，是80年代國外新興的高科技技術(shù)，屬高分子材料科學(xué)。它是利用某些金屬膜或生物膜對某些氣體組分具有選擇性滲透和擴(kuò)散的特性，以達(dá)到氣體分離和純化的目的。（3）膜組分離制氮原理。中空膜分離制氮膜組是一個(gè)圓筒狀的中空纖維膜束，每束包含了上百萬根中空纖維，以提供最大限度的分離面積，每根纖維直徑約幾十微米，就象人的頭發(fā)絲一樣細(xì)。壓縮空氣由纖維束的一端進(jìn)入，氣體分子在壓力作用下，首先在膜的高壓側(cè)接觸，然后是吸附、溶解、擴(kuò)散、脫溶、逸出。每種氣體的滲透速率不同，氧、二氧化碳、水蒸氣等的滲透速率快，由高壓內(nèi)側(cè)纖維壁向低壓外側(cè)滲出，由膜組件一側(cè)的開口排出;滲透速率小的“慢氣”--（氮?dú)獗桓患诟邏簝?nèi)側(cè)，由膜組件的另一端排出，從而實(shí)現(xiàn)了氧）氮分離。本設(shè)備選用的是超細(xì)中空纖維，具有能耗低、可靠性高、壽命長、技術(shù)可靠、增容簡單、體積小、規(guī)格全、露點(diǎn)低等特性。（4）膜分離制氮系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)采用全自動(dòng)控制方式，由采樣檢測、純度控制、溫度控制及系統(tǒng)保護(hù)環(huán)節(jié)組成。其基本原理是通過產(chǎn)品氣采樣檢測支路，由氧檢電池在線隨機(jī)檢測氣體含氧量并通過氧分析儀顯示當(dāng)時(shí)氣體含氧量（即反饋產(chǎn)品氣純度），通過調(diào)節(jié)純度控制閥使得膜組獲得合理的壓力差而調(diào)節(jié)氣體的純度。該系統(tǒng)還設(shè)有氣體達(dá)標(biāo)自動(dòng)排放的切換支路，將所需產(chǎn)品氣純度設(shè)定，即設(shè)定排放切換點(diǎn)，當(dāng)含氧量低于設(shè)定排放點(diǎn)時(shí)，氣體通過合格產(chǎn)氣支路輸入使用點(diǎn);反之則排放支路自動(dòng)打開，將超標(biāo)氣體自動(dòng)排空。該系統(tǒng)中溫度控制是為了保護(hù)膜組及提高氮?dú)猱a(chǎn)量而設(shè)置的，系統(tǒng)的純度和溫度調(diào)節(jié)全部是自動(dòng)完成的。保護(hù)部分主要是對加熱器進(jìn)行保護(hù)，因?yàn)闇囟冗^高會(huì)損壞膜組。這部分由過熱保護(hù)開關(guān)和入口壓力開關(guān)組成。當(dāng)溫度由于失控而上升到60時(shí)，過熱保護(hù)開關(guān)將自動(dòng)切斷控制系統(tǒng)的電源開關(guān)，阻止溫度繼續(xù)上升;當(dāng)溫度下降到35時(shí)，保護(hù)開關(guān)自動(dòng)閉和，加熱系統(tǒng)工作。另外，在達(dá)標(biāo)產(chǎn)氣支路上裝有氮?dú)饬髁坑?jì)數(shù)器，操作人員能隨時(shí)了解氮?dú)猱a(chǎn)出與使用量。 

2.3 制氮空分設(shè)備的選用 

傳統(tǒng)的深冷法制氮流程（分子篩和可逆板式換熱器流程），由于其氣量范圍廣，工藝成熟，產(chǎn)品純度高，對于大多數(shù)油田注氮來講，深冷法制氮仍將得到最為廣泛的應(yīng)用。特別是分子篩流程的制氮裝置，其運(yùn)行可靠、操作簡單等特點(diǎn)更適用于油田注氮。近年來，變壓吸附制氮和膜分離空氣分離技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，為我們提供了可供選擇的機(jī)會(huì)。這種裝置體積小、便于撬裝、工藝流程簡單、啟動(dòng)快、能耗低，對于要求氮?dú)饧兌炔桓?，氣量不大的小注氮油田，或是單井注氮誘噴的油田，使用變壓吸附和膜分離制氮空分設(shè)備具有更大的吸引力。