膜制氮：未來(lái)石油開(kāi)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(lái)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(kāi)采，完井及修井，也用于保持壓力和儲(chǔ)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)夂褪姑簩託庠偕取５窃擁?xiàng)技術(shù)主要掌握在國(guó)外，在國(guó)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?lái)替代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(huì)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(duì)于鉆井技術(shù)的普遍認(rèn)可(不論在陸地或海底)開(kāi)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(guò)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(duì)油井損害小(或根本沒(méi)有)，油產(chǎn)量高，而且通常會(huì)延長(zhǎng)油井的壽命。另外，有用的碳?xì)浠衔飼?huì)在鉆井的同時(shí)生產(chǎn)出來(lái)，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(lái)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(cè)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(lái)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)庥糜谇鍧嵱途埠芾硐�。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(lái)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(kāi)始產(chǎn)出。用氮?dú)鈦?lái)清潔油井對(duì)油井的損壞很小或根本沒(méi)有損壞，事實(shí)上它還可提高油井產(chǎn)量和延長(zhǎng)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(chǎng)連續(xù)幾天甚至幾周提供氮?dú)猓貏e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(wèn)題，因?yàn)樵撓到y(tǒng)也用來(lái)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?lái)保持井下壓力，以免隨時(shí)間推移自然的壓力耗盡后油井會(huì)減產(chǎn)，氣體冷凝系統(tǒng)的壓力必須保持在碳?xì)浠衔锫饵c(diǎn)上否則會(huì)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)浠衔镉勺⑷刖肷a(chǎn)井，使油井繼續(xù)產(chǎn)油。煤層甲烷再生：將氮?dú)庾⑷牒淄榈拿簩又锌墒辜淄樵偕⒋蟠筇岣呒淄榈漠a(chǎn)量。氣頂：井內(nèi)壓力的消竭可以以氮?dú)庾鳛闅忭攣?lái)消除靜壓的必變，當(dāng)靜壓減小時(shí)，油氣生產(chǎn)率就會(huì)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(dòng)力—膜兩側(cè)壓差作用下，由于它們?cè)谀ぶ械娜芙舛群蛿U(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(guò)膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮?dú)庠跍魝?cè)富集，成為干燥的富氮?dú)怏w。
工藝流程 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中，溫度降低，會(huì)析出液態(tài)的油和水，該液態(tài)的油和水會(huì)對(duì)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�？諌簷C(jī)提供的壓縮空氣進(jìn)入空氣緩沖罐，再進(jìn)入多級(jí)過(guò)濾器，包含活性碳過(guò)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(guò)濾器能將空氣中的顆粒除到＜0.01um，油＜0.003ppm，完全能滿足膜對(duì)空氣質(zhì)量的要求；在過(guò)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(dòng)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(guò)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(méi)有噪音，完全靜態(tài)運(yùn)行，滿足環(huán)保要求；沒(méi)有運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，可達(dá)10年以上；增容簡(jiǎn)單，僅僅需要并聯(lián)添加膜件即可；和PSA比較，沒(méi)有大的空氣罐和氮?dú)夤�，體積小、重量輕，是移動(dòng)制氮設(shè)備的不二選擇；氮?dú)饴饵c(diǎn)低、可達(dá)-60℃；氮?dú)鉀](méi)有任何灰塵、顆粒；開(kāi)停機(jī)方便迅速，操作簡(jiǎn)單，能在短時(shí)間產(chǎn)生合格氮?dú)�；設(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(duì)土建沒(méi)有任何特殊要求，安裝費(fèi)用低；對(duì)環(huán)境無(wú)特殊要求，可在惡劣工況下運(yùn)行。
膜制氮技術(shù) 在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
目前國(guó)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(guó)內(nèi)的差距所在。
上世紀(jì)90年代后期，膜制氮技術(shù)開(kāi)始在石油領(lǐng)域應(yīng)用，近幾年得到發(fā)展，但相對(duì)于國(guó)外油氣領(lǐng)域的氮?dú)鈶?yīng)用，我國(guó)尚處于初期。隨著近幾年國(guó)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(shì)及豐富的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景，已被國(guó)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(guò)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(guó)的重視。
由于膜技術(shù)還掌握在外國(guó)公司手中，國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)多數(shù)是依靠國(guó)外的技術(shù)來(lái)進(jìn)行組裝、調(diào)試和倒賣(mài)等，其自身并未掌握技術(shù)的核心。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的膜分離制氮工業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日。
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