膜制氮：未來石油開發(fā)新技術(shù)
□ 魏存祥 / 西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 

來源：《石油與裝備》/ 振威石油網(wǎng)

 

　　氮?dú)猬F(xiàn)已被廣泛地用于石油領(lǐng)域，主要包括：鉆井技術(shù)如垂直井、水平井和欠平衡井；完井及修井領(lǐng)域的應(yīng)用油、氣井的開采，完井及修井，也用于保持壓力和儲存氣體；管道中的應(yīng)用，利用氮?dú)獾亩栊院透邏旱獨(dú)膺M(jìn)行氣體收集和管道系統(tǒng)的吹掃，以防易燃?xì)怏w的燃燒和油田地下管道的腐蝕；二次和三次采油等領(lǐng)域的應(yīng)用，用于保持井底壓力、注入氮?dú)夂褪姑簩託庠偕�等。但是該�?xiàng)技術(shù)主要掌握在國外，在國內(nèi)仍處于起步階段。 

 
　　　　                 圖1 工藝流程圖

　　氮?dú)庠谑��?領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用 

　　鉆井領(lǐng)域的應(yīng)用 垂直井和水平井：在很多鉆井作業(yè)中，氮?dú)獗挥脕硖娲�空氣以消除地下燃燒或爆炸的危險(xiǎn)，氮?dú)馐且环N極輕的鉆井液，即使在穿透率高的情況下鉆頭也可正常工作。同時(shí)，由于運(yùn)用氮?dú)饪梢詼p少或完全不使用其他鉆井泥漿，井身會更加清潔。氮?dú)獾牧魉匐S井身直徑、井深以及井的位移和結(jié)構(gòu)的不同而不同。 

　　不平衡井：人們對于鉆井技術(shù)的普遍認(rèn)可(不論在陸地或海底)開始于不平衡井的理論，即鉆井和產(chǎn)出同時(shí)進(jìn)行。這種方法不同于傳統(tǒng)的鉆井液地下口使用高壓，它使鉆井液保持低壓，這就使鉆井液和成品通過一個(gè)可控制、密閉的循環(huán)系統(tǒng)回地表。采用這種方法對油井損害小(或根本沒有)，油產(chǎn)量高，而且通常會延長油井的壽命。另外，有用的碳?xì)浠�合物會在鉆井的同時(shí)生產(chǎn)出來，而不是在完井后，氮?dú)饪蓡为?dú)或與其他鉆井液一起使用來減輕流體靜壓和地下口的壓力。 

　　完井及修井的應(yīng)用 在完井中，氮?dú)饪捎糜谀z結(jié)，測定壓力，安放鎮(zhèn)壓機(jī)及其他與壓力有關(guān)的裝置，也可用來控制泥漿的重量，氮?dú)膺�可用于鉆孔時(shí)的引爆，低密度、高壓力的氮?dú)庥糜谇鍧嵱途�也很理想。在修井中，不論新井或老井，如果產(chǎn)出率太低，要注入表面活性劑和酸來提高油的滲透率，氮?dú)庠诟邏合率潜砻婊罨瘎┳⑷氲叵驴跁r(shí)的理想載體，高壓的氣氛可以替代鉆井液，減少靜壓，從而使井開始產(chǎn)出。用氮?dú)鈦砬鍧嵱途畬τ途�的損壞很小或根本沒有損壞，事實(shí)上它還可提高油井產(chǎn)量和延長油井壽命。
 
　　管道中的應(yīng)用 在鉆井或更新油井時(shí)，以前通常采用不間斷的管道系統(tǒng)，裝有增壓機(jī)的氮?dú)獍l(fā)生裝置可以輸送氣態(tài)氮，不斷發(fā)展的鉆井技術(shù)要求在現(xiàn)場連續(xù)幾天甚至幾周提供氮?dú)猓�特別是在遙遠(yuǎn)或難以接近的作業(yè)地點(diǎn)、例如海底，管道腐蝕是使用管道系統(tǒng)時(shí)需要額外考慮的問題，因?yàn)樵撓到y(tǒng)也用來運(yùn)送酸或其他易反應(yīng)的化學(xué)劑。 

　　三次采油中的應(yīng)用 保持壓力：氮?dú)庥脕肀３志�下壓力，以免隨時(shí)間推移自然的壓力耗盡后油井會減產(chǎn)，氣體冷凝系統(tǒng)的壓力必須保持在碳?xì)浠�合物露點(diǎn)上否則會發(fā)生冷凝，使以后不可能有產(chǎn)出，在油井內(nèi)氣體存量很少時(shí)，可以采用氮?dú)庾⑷氲姆椒ㄔ黾訅毫Α５獨(dú)庾⑷耄河捎诘獨(dú)獠蝗苡谟秃退�，因此可用它將碳�(xì)浠�合物由注入井引入生產(chǎn)井，使油井繼續(xù)產(chǎn)油。煤層甲烷再生：將氮?dú)庾⑷牒�甲烷的煤層中可使甲烷再生并大大提高甲烷的產(chǎn)量。氣頂：井內(nèi)壓力的消竭可以以氮?dú)庾鳛闅忭攣硐�除靜壓的必變，當(dāng)靜壓減小時(shí)，油氣生產(chǎn)率就會提高。 

　　膜制氮技術(shù)的產(chǎn)生 

　　膜分離法制氮原理 當(dāng)空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠隍?qū)動力—膜兩側(cè)壓差作用下，由于它們在膜中的溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的不同，導(dǎo)致滲透速率較快的水蒸氣，氧等氣體優(yōu)先透過膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮?dú)庠跍�留�?cè)富集，成為干燥的富氮?dú)怏w。 

　　工藝流程 實(shí)際生產(chǎn)過程中，噴油螺桿壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣，在排氣溫度和壓力下為油/水的飽和氣體，在后面的工藝過程中，溫度降低，會析出液態(tài)的油和水，該液態(tài)的油和水會對膜性能造成傷害。因此，在選擇好膜的前提下，還應(yīng)該提供一個(gè)膜系統(tǒng)的空氣處理和控制系統(tǒng)的完整解決方案。空壓機(jī)提供的壓縮空氣進(jìn)入空氣緩沖罐，再進(jìn)入多級過濾器，包含活性碳過濾器——除去空氣中的顆粒、油、水。潔凈的空氣進(jìn)入膜進(jìn)行氧氮分離，產(chǎn)生的氮?dú)膺M(jìn)入到用戶用氣工段。一般情況下，進(jìn)口的過濾器能將空氣中的顆粒除到＜0.01um，油＜0.003ppm，完全能滿足膜對空氣質(zhì)量的要求；在過濾器的中間還有溫度加熱及控制器——保證膜在最佳的工作條件下工作；恒溫的，潔凈的空氣再進(jìn)入膜進(jìn)行分離，合格氣體進(jìn)入下道工序，不合格氣體自動排放。因此，維護(hù)膜系統(tǒng)時(shí)，其中的定期工作之一是檢查過濾器的工作情況。 

　　技術(shù)特點(diǎn) 技術(shù)先進(jìn)，是常溫空氣分離的最新技術(shù)；沒有噪音，完全靜態(tài)運(yùn)行，滿足環(huán)保要求；沒有運(yùn)動部件，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)少；連續(xù)運(yùn)行可靠性高、設(shè)備使用壽命長，可達(dá)10年以上；增容簡單，僅僅需要并聯(lián)添加膜件即可；和PSA比較，沒有大的空氣罐和氮?dú)夤蓿�體積小、重量輕，是移動制氮設(shè)備的不二選擇；氮?dú)饴饵c(diǎn)低、可達(dá)-60℃；氮?dú)鉀]有任何灰塵、顆粒；開停機(jī)方便迅速，操作簡單，能在短時(shí)間產(chǎn)生合格氮?dú)猓辉O(shè)備形式可以根據(jù)用戶應(yīng)用情況，有箱式、撬裝式、集裝箱式；設(shè)備對土建沒有任何特殊要求，安裝費(fèi)用低；對環(huán)境無特殊要求，可在惡劣工況下運(yùn)行。 

　　膜制氮技術(shù) 在國內(nèi)外現(xiàn)狀 

　　目前國外著名的膜制氮公司主要有捷能（Geoeron）、普里森（Prism）、麥道（Medal）公司等。膜制氮裝置的核心就是膜的類型及性能，這也是目前國內(nèi)的差距所在。

　　上世紀(jì)90年代后期，膜制氮技術(shù)開始在石油領(lǐng)域應(yīng)用，近幾年得到發(fā)展，但相對于國外油氣領(lǐng)域的氮?dú)鈶?yīng)用，我國尚處于初期。隨著近幾年國內(nèi)油氣客戶不斷的應(yīng)用總結(jié)與經(jīng)驗(yàn)的積累，膜制氮設(shè)備的潛在優(yōu)勢及豐富的開發(fā)應(yīng)用前景，已被國內(nèi)油氣領(lǐng)域業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)同與關(guān)注。特別是現(xiàn)在世界范圍內(nèi)，原油價(jià)格高企，油氣資源比過去任何時(shí)候都重要。作為一種有效的技術(shù)，膜制氮技術(shù)更引起了世界各國的重視。 

　　由于膜技術(shù)還掌握在外國公司手中，國內(nèi)的一些企業(yè)多數(shù)是依靠國外的技術(shù)來進(jìn)行組裝、調(diào)試和倒賣等，其自身并未掌握技術(shù)的核心。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的膜分離制氮工業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日。