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PSA制氮设备在油田开发中的应用及特点


PSA制氮设备在油田开发中的应用及特点

随着油田开发的不断深入,在国外,氮气已被广泛应用于油气井的开采、完井及修井,甚至利用高压氮气的惰性进行气体收集和管道系统吹扫,从而防止易燃气体的燃烧和油田地下管道的腐蚀。在国内,氮气在油田的应用起步较晚,到80年代氮气才开始应用于油田的开采。经过大量的物模、数模及现场试验,证明注氮气工艺技术是切实可行的。当然,先进的技术还需要优良的设备来实施,由于进口设备成本高、维护困难,不适于中国油田的现状。某公司开发了适于我国油田的中空纤维膜分离制氮注氮设备。目前,该设备在油田应用很多,效果良好。本文分析了制氮设备在油田开发中的应用及特点。 


选择制氮设备的循环取决于许多因素,其中包括电费、产量、产品压力和所需的浓氮盆。还必须决定采用切换式换热器还是采用分子筛吸附器去除水分和二氧化碳。切换式换热器技术已日臻成熟,能为许多种设备提供安全,无故障运行。在对自清除条件没有约束的地方采用分子筛吸附器设计更有利些,最终的选择取决于空气的质量和循环的类型。 

1、结构特点 
(1)设备配置的全部硬件既相互独立又合理集中,空气压缩机和氮气增压机都采用柴油机直联式,克服了油田现场分散,大功率供电困难的缺点,并且其冷却方式为风冷,适应野外作业水源不足的条件,只有计量泵和氮气发生系统及中央控制室等需要现场提供电源。(2)空气源系统(空气压缩机和动力柴油机)、氮气发生系统(包括前置冷冻干燥机)分别做成滑撬,共同安装在同一台载车上。其中氮气发生系统为框架式全封闭恒温结构,通风良好,保证分离制氮膜组处于良好的工作状态。(3)氮气增压机与计量系统和活性剂的储罐共同安装在另一台载车上,氮气增压机带有防尘外壳,既可保证通风良好,又能避免野外恶劣环境对设备的影响。(4)制氮设备应具有移动性,因为某一油田注入氮气提高采收率后,该油田的进一步开发可能要用其它新的开采技术来代替。因此,制氮设备应能在使用数年后较容易地搬迁到其它油田注氮或挪作它用,这对装置的设计、制造和安装具有更高的技术要求。(5)由于油田大都处于环境比较恶劣的地区,因而制注氮装置也应能够适应野外工作,特别是冷却水系统和空气过滤器等,在设计时就应考虑防止昆虫、灰尘、花絮等的侵入。 

2、氮气在油田开发中的应用及机理 
经过大量的室内试验和研究,对于大多数注氮气不能混相驱替的油田来说,注氮气提高油田采收率的可能机理有几个方面。 
2.1 提高油田采收率的可能机理 
一是在一定条件下,靠油田重力分异作用使注入气进入注入水所无法进入的油湿裂缝中,驱替出其中的残余油。二是靠油田重力分离作用,排替出被重力捕集在缝洞中的残余油。三是靠注入的氮气溶解于原油,使原油体积膨胀,以其排油作用降低地面分离条件下的地层残余油饱和度。四是改变流体流动方向,驱替裂缝流道中的残余油。五是靠油气重力分异作用,回采构造上部注入水未能波及到的剩余油。 
2.2 组成及功能 
(1)空气压缩机。空气压缩机是中空纤维膜制氮系统的动力源,提供一定压力的空气。该空气压缩机能在0~100%容量内控制,带有自动进气阀及卸载启动装置。安装在仪表盘上的指示灯能迅速、可靠地指出故障开关或操作系统中的故障位置。当发动机油压低、压缩机温度高、发动机冷却液液位低、发动机温度高及燃料油位低时均能检测到并自动停机,实现了气、电、油、冷却液控制一体化,并具备完善的自动安全保护系统。(2)氮气发生系统组成。一是冷冻干燥机。根据冷冻除湿原理,压缩空气在冷冻器中和制冷剂进行热交换,空气中的水分冷却后发生冷凝,从而将其中所含的水蒸气、油雾冷凝成液滴,由自动排水器排出。二是空气预处理部分。包括油水分离器、凝聚过滤器、活性炭4级过滤,以除去空气中的残余水分和油以及灰尘、杂质,使进入到膜组的空气净化到0.01μm。每个过滤器上装有1个自动排放阀,用来排出过滤器中的微量水分。为反映滤芯工作状态(污染堵塞情况),在每个过滤器上装有压差指示器,分红、绿2色指示,以提醒操作者及时更换。另外,在进气管路中设有能自动恒温控制的空气电加热器,当空气温度较低时及时加温。三是膜分离制氮器。不同产量和纯度的膜分离器,是由膜组并联而成,为膜分离制氮的关键部件,是80年代国外新兴的高科技技术,属高分子材料科学。它是利用某些金属膜或生物膜对某些气体组分具有选择性渗透和扩散的特性,以达到气体分离和纯化的目的。(3)膜组分离制氮原理。中空膜分离制氮膜组是一个圆筒状的中空纤维膜束,每束包含了上百万根中空纤维,以提供最大限度的分离面积,每根纤维直径约几十微米,就象人的头发丝一样细。压缩空气由纤维束的一端进入,气体分子在压力作用下,首先在膜的高压侧接触,然后是吸附、溶解、扩散、脱溶、逸出。每种气体的渗透速率不同,氧、二氧化碳、水蒸气等的渗透速率快,由高压内侧纤维壁向低压外侧渗出,由膜组件一侧的开口排出;渗透速率小的“慢气”--(氮气被富集在高压内侧,由膜组件的另一端排出,从而实现了氧)氮分离。本设备选用的是超细中空纤维,具有能耗低、可靠性高、寿命长、技术可靠、增容简单、体积小、规格全、露点低等特性。(4)膜分离制氮系统的控制。本系统采用全自动控制方式,由采样检测、纯度控制、温度控制及系统保护环节组成。其基本原理是通过产品气采样检测支路,由氧检电池在线随机检测气体含氧量并通过氧分析仪显示当时气体含氧量(即反馈产品气纯度),通过调节纯度控制阀使得膜组获得合理的压力差而调节气体的纯度。该系统还设有气体达标自动排放的切换支路,将所需产品气纯度设定,即设定排放切换点,当含氧量低于设定排放点时,气体通过合格产气支路输入使用点;反之则排放支路自动打开,将超标气体自动排空。该系统中温度控制是为了保护膜组及提高氮气产量而设置的,系统的纯度和温度调节全部是自动完成的。保护部分主要是对加热器进行保护,因为温度过高会损坏膜组。这部分由过热保护开关和入口压力开关组成。当温度由于失控而上升到60时,过热保护开关将自动切断控制系统的电源开关,阻止温度继续上升;当温度下降到35时,保护开关自动闭和,加热系统工作。另外,在达标产气支路上装有氮气流量计数器,操作人员能随时了解氮气产出与使用量。 

2.3 制氮空分设备的选用 
传统的深冷法制氮流程(分子筛和可逆板式换热器流程),由于其气量范围广,工艺成熟,产品纯度高,对于大多数油田注氮来讲,深冷法制氮仍将得到最为广泛的应用。特别是分子筛流程的制氮装置,其运行可靠、操作简单等特点更适用于油田注氮。近年来,变压吸附制氮和膜分离空气分离技术的不断发展和完善,为我们提供了可供选择的机会。这种装置体积小、便于撬装、工艺流程简单、启动快、能耗低,对于要求氮气纯度不高,气量不大的小注氮油田,或是单井注氮诱喷的油田,使用变压吸附和膜分离制氮空分设备具有更大的吸引力。 
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