膜制氮：未來石油開發新技術
□ 魏存祥 / 西南石油大學機電工程學院
來源：《石油與裝備》/ 振威石油網
氮氣現已被廣泛地用于石油領域，主要包括：鉆井技術如垂直井、水平井和欠平衡井；完井及修井領域的應用油、氣井的開采，完井及修井，也用于保持壓力和儲存氣體；管道中的應用，利用氮氣的惰性和高壓氮氣進行氣體收集和管道系統的吹掃，以防易燃氣體的燃燒和油田地下管道的腐蝕；二次和三次采油等領域的應用，用于保持井底壓力、注入氮氣和使煤層氣再生等。但是該項技術主要掌握在國外，在國內仍處于起步階段。
圖1 工藝流程圖
氮氣在石油 領域中的廣泛應用
鉆井領域的應用 垂直井和水平井：在很多鉆井作業中，氮氣被用來替代空氣以消除地下燃燒或爆炸的危險，氮氣是一種極輕的鉆井液，即使在穿透率高的情況下鉆頭也可正常工作。同時，由于運用氮氣可以減少或完全不使用其他鉆井泥漿，井身會更加清潔。氮氣的流速隨井身直徑、井深以及井的位移和結構的不同而不同。
不平衡井：人們對于鉆井技術的普遍認可(不論在陸地或海底)開始于不平衡井的理論，即鉆井和產出同時進行。這種方法不同于傳統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可控制、密閉的循環系統回地表。采用這種方法對油井損害小(或根本沒有)，油產量高，而且通常會延長油井的壽命。另外，有用的碳氫化合物會在鉆井的同時生產出來，而不是在完井后，氮氣可單獨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。
完井及修井的應用 在完井中，氮氣可用于膠結，測定壓力，安放鎮壓機及其他與壓力有關的裝置，也可用來控制泥漿的重量，氮氣還可用于鉆孔時的引爆，低密度、高壓力的氮氣用于清潔油井也很理想。在修井中，不論新井或老井，如果產出率太低，要注入表面活性劑和酸來提高油的滲透率，氮氣在高壓下是表面活化劑注入地下口時的理想載體，高壓的氣氛可以替代鉆井液，減少靜壓，從而使井開始產出。用氮氣來清潔油井對油井的損壞很小或根本沒有損壞，事實上它還可提高油井產量和延長油井壽命。
管道中的應用 在鉆井或更新油井時，以前通常采用不間斷的管道系統，裝有增壓機的氮氣發生裝置可以輸送氣態氮，不斷發展的鉆井技術要求在現場連續幾天甚至幾周提供氮氣，特別是在遙遠或難以接近的作業地點、例如海底，管道腐蝕是使用管道系統時需要額外考慮的問題，因為該系統也用來運送酸或其他易反應的化學劑。
三次采油中的應用 保持壓力：氮氣用來保持井下壓力，以免隨時間推移自然的壓力耗盡后油井會減產，氣體冷凝系統的壓力必須保持在碳氫化合物露點上否則會發生冷凝，使以后不可能有產出，在油井內氣體存量很少時，可以采用氮氣注入的方法增加壓力。氮氣注入：由于氮氣不溶于油和水，因此可用它將碳氫化合物由注入井引入生產井，使油井繼續產油。煤層甲烷再生：將氮氣注入含甲烷的煤層中可使甲烷再生并大大提高甲烷的產量。氣頂：井內壓力的消竭可以以氮氣作為氣頂來消除靜壓的必變，當靜壓減小時，油氣生產率就會提高。
膜制氮技術的產生
膜分離法制氮原理 當空氣中的氮氣和氧氣在驅動力—膜兩側壓差作用下，由于它們在膜中的溶解度和擴散系數的不同，導致滲透速率較快的水蒸氣，氧等氣體優先透過膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮氣在滯留側富集，成為干燥的富氮氣體。
工藝流程 實際生產過程中，噴油螺桿壓縮機產生的壓縮空氣，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，會析出液態的油和水，該液態的油和水會對膜性能造成傷害。因此，在選擇好膜的前提下，還應該提供一個膜系統的空氣處理和控制系統的完整解決方案。空壓機提供的壓縮空氣進入空氣緩沖罐，再進入多級過濾器，包含活性碳過濾器——除去空氣中的顆粒、油、水。潔凈的空氣進入膜進行氧氮分離，產生的氮氣進入到用戶用氣工段。一般情況下，進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，潔凈的空氣再進入膜進行分離，合格氣體進入下道工序，不合格氣體自動排放。因此，維護膜系統時，其中的定期工作之一是檢查過濾器的工作情況。
技術特點 技術先進，是常溫空氣分離的最新技術；沒有噪音，完全靜態運行，滿足環保要求；沒有運動部件，設備維護保養少；連續運行可靠性高、設備使用壽命長，可達10年以上；增容簡單，僅僅需要并聯添加膜件即可；和PSA比較，沒有大的空氣罐和氮氣罐，體積小、重量輕，是移動制氮設備的不二選擇；氮氣露點低、可達-60℃；氮氣沒有任何灰塵、顆粒；開停機方便迅速，操作簡單，能在短時間產生合格氮氣；設備形式可以根據用戶應用情況，有箱式、撬裝式、集裝箱式；設備對土建沒有任何特殊要求，安裝費用低；對環境無特殊要求，可在惡劣工況下運行。
膜制氮技術 在國內外現狀
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，這也是目前國內的差距所在。
上世紀90年代后期，膜制氮技術開始在石油領域應用，近幾年得到發展，但相對于國外油氣領域的氮氣應用，我國尚處于初期。隨著近幾年國內油氣客戶不斷的應用總結與經驗的積累，膜制氮設備的潛在優勢及豐富的開發應用前景，已被國內油氣領域業內人士所認同與關注。特別是現在世界范圍內，原油價格高企，油氣資源比過去任何時候都重要。作為一種有效的技術，膜制氮技術更引起了世界各國的重視。
由于膜技術還掌握在外國公司手中，國內的一些企業多數是依靠國外的技術來進行組裝、調試和倒賣等，其自身并未掌握技術的核心。具有自主知識產權的膜分離制氮工業應用還有待時日。
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