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PSA制氮設備在油田開發中的應用及特點


PSA制氮設備在油田開發中的應用及特點

隨著油田開發的不斷深入,在國外,氮氣已被廣泛應用于油氣井的開采、完井及修井,甚至利用高壓氮氣的惰性進行氣體收集和管道系統吹掃,從而防止易燃氣體的燃燒和油田地下管道的腐蝕。在國內,氮氣在油田的應用起步較晚,到80年代氮氣才開始應用于油田的開采。經過大量的物模、數模及現場試驗,證明注氮氣工藝技術是切實可行的。當然,先進的技術還需要優良的設備來實施,由于進口設備成本高、維護困難,不適于中國油田的現狀。某公司開發了適于我國油田的中空纖維膜分離制氮注氮設備。目前,該設備在油田應用很多,效果良好。本文分析了制氮設備在油田開發中的應用及特點。 


選擇制氮設備的循環取決于許多因素,其中包括電費、產量、產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。切換式換熱器技術已日臻成熟,能為許多種設備提供安全,無故障運行。在對自清除條件沒有約束的地方采用分子篩吸附器設計更有利些,最終的選擇取決于空氣的質量和循環的類型。 

1、結構特點 
(1)設備配置的全部硬件既相互獨立又合理集中,空氣壓縮機和氮氣增壓機都采用柴油機直聯式,克服了油田現場分散,大功率供電困難的缺點,并且其冷卻方式為風冷,適應野外作業水源不足的條件,只有計量泵和氮氣發生系統及中央控制室等需要現場提供電源。(2)空氣源系統(空氣壓縮機和動力柴油機)、氮氣發生系統(包括前置冷凍干燥機)分別做成滑撬,共同安裝在同一臺載車上。其中氮氣發生系統為框架式全封閉恒溫結構,通風良好,保證分離制氮膜組處于良好的工作狀態。(3)氮氣增壓機與計量系統和活性劑的儲罐共同安裝在另一臺載車上,氮氣增壓機帶有防塵外殼,既可保證通風良好,又能避免野外惡劣環境對設備的影響。(4)制氮設備應具有移動性,因為某一油田注入氮氣提高采收率后,該油田的進一步開發可能要用其它新的開采技術來代替。因此,制氮設備應能在使用數年后較容易地搬遷到其它油田注氮或挪作它用,這對裝置的設計、制造和安裝具有更高的技術要求。(5)由于油田大都處于環境比較惡劣的地區,因而制注氮裝置也應能夠適應野外工作,特別是冷卻水系統和空氣過濾器等,在設計時就應考慮防止昆蟲、灰塵、花絮等的侵入。 

2、氮氣在油田開發中的應用及機理 
經過大量的室內試驗和研究,對于大多數注氮氣不能混相驅替的油田來說,注氮氣提高油田采收率的可能機理有幾個方面。 
2.1 提高油田采收率的可能機理 
一是在一定條件下,靠油田重力分異作用使注入氣進入注入水所無法進入的油濕裂縫中,驅替出其中的殘余油。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。三是靠注入的氮氣溶解于原油,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。四是改變流體流動方向,驅替裂縫流道中的殘余油。五是靠油氣重力分異作用,回采構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??諝鈮嚎s機是中空纖維膜制氮系統的動力源,提供一定壓力的空氣。該空氣壓縮機能在0~100%容量內控制,帶有自動進氣閥及卸載啟動裝置。安裝在儀表盤上的指示燈能迅速、可靠地指出故障開關或操作系統中的故障位置。當發動機油壓低、壓縮機溫度高、發動機冷卻液液位低、發動機溫度高及燃料油位低時均能檢測到并自動停機,實現了氣、電、油、冷卻液控制一體化,并具備完善的自動安全保護系統。(2)氮氣發生系統組成。一是冷凍干燥機。根據冷凍除濕原理,壓縮空氣在冷凍器中和制冷劑進行熱交換,空氣中的水分冷卻后發生冷凝,從而將其中所含的水蒸氣、油霧冷凝成液滴,由自動排水器排出。二是空氣預處理部分。包括油水分離器、凝聚過濾器、活性炭4級過濾,以除去空氣中的殘余水分和油以及灰塵、雜質,使進入到膜組的空氣凈化到0.01μm。每個過濾器上裝有1個自動排放閥,用來排出過濾器中的微量水分。為反映濾芯工作狀態(污染堵塞情況),在每個過濾器上裝有壓差指示器,分紅、綠2色指示,以提醒操作者及時更換。另外,在進氣管路中設有能自動恒溫控制的空氣電加熱器,當空氣溫度較低時及時加溫。三是膜分離制氮器。不同產量和純度的膜分離器,是由膜組并聯而成,為膜分離制氮的關鍵部件,是80年代國外新興的高科技技術,屬高分子材料科學。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散的特性,以達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,就象人的頭發絲一樣細。壓縮空氣由纖維束的一端進入,氣體分子在壓力作用下,首先在膜的高壓側接觸,然后是吸附、溶解、擴散、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,由高壓內側纖維壁向低壓外側滲出,由膜組件一側的開口排出;滲透速率小的“慢氣”--(氮氣被富集在高壓內側,由膜組件的另一端排出,從而實現了氧)氮分離。本設備選用的是超細中空纖維,具有能耗低、可靠性高、壽命長、技術可靠、增容簡單、體積小、規格全、露點低等特性。(4)膜分離制氮系統的控制。本系統采用全自動控制方式,由采樣檢測、純度控制、溫度控制及系統保護環節組成。其基本原理是通過產品氣采樣檢測支路,由氧檢電池在線隨機檢測氣體含氧量并通過氧分析儀顯示當時氣體含氧量(即反饋產品氣純度),通過調節純度控制閥使得膜組獲得合理的壓力差而調節氣體的純度。該系統還設有氣體達標自動排放的切換支路,將所需產品氣純度設定,即設定排放切換點,當含氧量低于設定排放點時,氣體通過合格產氣支路輸入使用點;反之則排放支路自動打開,將超標氣體自動排空。該系統中溫度控制是為了保護膜組及提高氮氣產量而設置的,系統的純度和溫度調節全部是自動完成的。保護部分主要是對加熱器進行保護,因為溫度過高會損壞膜組。這部分由過熱保護開關和入口壓力開關組成。當溫度由于失控而上升到60時,過熱保護開關將自動切斷控制系統的電源開關,阻止溫度繼續上升;當溫度下降到35時,保護開關自動閉和,加熱系統工作。另外,在達標產氣支路上裝有氮氣流量計數器,操作人員能隨時了解氮氣產出與使用量。 

2.3 制氮空分設備的選用 
傳統的深冷法制氮流程(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,產品純度高,對于大多數油田注氮來講,深冷法制氮仍將得到最為廣泛的應用。特別是分子篩流程的制氮裝置,其運行可靠、操作簡單等特點更適用于油田注氮。近年來,變壓吸附制氮和膜分離空氣分離技術的不斷發展和完善,為我們提供了可供選擇的機會。這種裝置體積小、便于撬裝、工藝流程簡單、啟動快、能耗低,對于要求氮氣純度不高,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備具有更大的吸引力。 
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