CN100569634C

CN100569634C - 用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法

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Publication number: CN100569634C
Application number: CNB2007100493441A
Authority: CN
Inventors: 张星
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2027-06-20
Also published as: CN101100292A

Abstract

本发明公开了一种用于气体钻井工艺的复合膜分离制氮系统。本发明中的膜分离制氮系统包括空气预处理，所述空气预处理系统包括压缩空气进气管，在所述压缩空气进气管和氮气出气管之间安装有直通气管，在直通气管上安装有手动阀门；所述钻井工艺自控系统由可编程自控系统组成，内含的气体钻井工艺程序软件，将所述氮气膜分离系统入气端的气体主要参数控制为：温度≤65℃，压力＜2.41MPa，出气端氧含量为总体积的0.01-5%，产氮量为1800-5400m³/h。本发明中的复合膜分离制氮系统具有耐水、耐高温高压、抗污、安全、可维护、高效、节能、长寿、环保等优点，能适应任何地区野外全天候石油、天燃气钻井可变工况。

Description

用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法

技术领域：

本发明涉及一种制氮系统及制氮方法，尤其涉及一种适用于野外作业的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法，属于工业机械制造领域。

背景技术：

氮气是一种惰性气体，可广泛应用于各种以隔氧为主要目的的工业设备运行过程，由于空气中含有约百分之八十的氮气，所以，氮气便于被采集，随之也出现了各种各样的氮气制造系统。

目前，氮气也早已被广泛应用于油气井的开采、完井及修井，但在油田钻井中的应用却处于初级阶段。事实证明，氮气用于油田钻井效果非常好，主要是由于缺乏适合野外作业和适应恶劣环境的制氮设备。现有的钻井制氮设备一般是碳分子筛变压吸附制氮装置，这种装置包括空气冷却器、空气过滤器组、氮气分离系统，其中氮气分离系统以压缩空气为原料，以碳分子筛为吸附剂，采用变压吸附流程(简称P.S.A)，在常温低压下，利用空气中的氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同，把氧和氮加以分离，从而得到氮气。这种装置的缺点在于：在生产过程中包含纯化(除氧)过程，这个过程需要加入氢气并用蒸气提供适合的温度，达到氢氧反应以除氧的目的，所以需要的设备较多，整体体积大，安装和移动都不方便，而且受外界因素的影响较大，氮气的纯度不易控制。

另外也有用均质膜制氮设备的，这种设备同样包括空气冷却器、空气过滤器组、氮气分离系统，但氮气分离系统是利用空气中各组份在膜管中流动速度的差异而将氮气分离出来，这种方式受外界因素影响较小，氮气纯度较高，是一种比较好的制氮装置，但目前市场上的均质膜制氮设备有以下缺陷：整个装置没有形成一个有效的固化产品，而是采用现场组装的方式完成，所以体积较大，移动不方便，而且质量控制有一定难度；另外均质膜的耐高温性能较差，而野外作业时有时空气温度很高，经过冷却器后温度依然很高(或因停电冷却器不工作)，会对均质膜膜管造成一定的损害(此时若停气则可能引起卡钻等事故)，从而缩短设备的寿命，所以这种设备不太适应恶劣的工作环境。

发明内容：

本发明的目的就在于解决上述问题而提供一种适用于野外作业的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法。

本发明通过以下方式来实现上述目的：

本发明中的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统包括空气预处理系统、氮气膜分离系统和氮气钻井工艺自动控制系统，在氮气钻井工艺自动控制系统的控制下，压缩空气经空气预处理系统、氮气膜分离系统输出，所有设备均置于箱式撬体内；所述空气预处理系统由压缩空气进气管、空气冷却器、空气过滤器组和空气加热器依次通过气管连接而成；所述氮气膜分离系统由复合膜管组件和氮气输出管线系统组成；所述氮气钻井工艺自动控制系统由可编程自动控制系统和工艺控制执行电器系统组成。

把所有设备均固定安装于箱式撬体内，不但能有效缩小体积，而且各部件之间连接稳固，能稳定地控制设备性能和氮气纯度；空气预处理系统可以将压缩空气中的灰尘、杂质清除干净，并使空气达到适应于复合膜的最佳分离温度，以提高氮气的产量和纯度；氮气膜分离系统中的复合膜管组件具有工作温度范围大、耐水性强、耐油性强、抗污染性强、可维护等优点，这些优点是现在市场上的均质膜管组件所不具备的；可编程自动控制系统即PLC控制器，是一种通用的自动控制系统，可以对氮气膜分离系统中的温度、压力、氮气纯度等变量按设计的预定值进行自动控制。

经过试验表明，复合膜管在100℃的水中浸泡24小时后仍然完好无损，复合膜与均质膜的性能对比见下表所示：

由上表可以看出，用复合膜制氮系统比用均质膜制氮系统要稳定、可靠得多，而且适应能力也强得多，寿命也会长得多。

在实际工作过程中，压缩空气从本发明中的膜分离制氮系统的压缩空气进气管进入，然后通过空气冷却器(一般采用风冷方式)进行冷却脱水后进入空气过滤器组，空气过滤器组会将压缩空气中的灰尘、杂质清除干净，这有利于保护复合膜管，干净的压缩空气经过空气加热器加热到一定温度(一般以50摄氏度为最佳)后被送进氮气膜分离系统，氮气膜分离系统由复合膜管组件和氮气输出管线系统构成，复合膜管组件是一个圆筒状的中空复合膜束，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，首先在复合膜的高压侧接触，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，由复合膜管组件一侧的开口排到外界空气中；渗透速率小的“气”——氮气被富集在高压内侧，由复合膜管组件的另一端排出至氮气储气罐，从而实现了氧—氮分离，得到氮气。

作为本发明中的膜分离制氮系统的最佳结构，所述空气过滤器组为：粗滤空气过滤器、中滤空气过滤器、细滤空气过滤器与超细滤空气过滤器按顺序串行相连。这四级过滤器能彻底除去压缩空气中的灰尘和杂质，而且过滤器不易堵塞，可减少清洗次数。

在所述箱式撬体内安装有对空气加热器进行温度控制的温度控制器。与常用温度控制方式一样，温度控制器的感应端安装于空气加热器的气体出口端，温度控制器的控制端与空气加热器的继电器开关连接，当空气加热器的气体出口端的空气温度低于设定温度时，空气加热器工作；当空气加热器的气体出口端的空气温度高于设定温度时，空气加热器停止工作。这样空气加热器的气体出口端的空气温度就能保持比较稳定，有利于氮气分离。

在所述箱式撬体内安装有空气压力安全控制器，空气压力安全控制器的压力检测器安装于空气过滤器组与空气加热器之间的气管上，空气压力安全控制器的控制端与空气加热器连接。当系统运转而无空气进入，或有空气进入但压力小于某一设定值时，空气加热器能在空气压力安全控制器的作用下自动关闭，从而保护膜组及空气加热器，使膜管稳定、安全工作而不受损害。

在所述压缩空气进气管和氮气出气管之间安装有直通气管，在直通气管上安装有手动阀门。直通气管便于在井场需要时方便地使用压缩空气。

在不合格氮气排气管上安装有泄压阀。系统停机后，管道和空器内仍有高压气体，不符合井场安全规范，为了便于安全地实施外围管道拆除搬迁作业，可以使用泄压阀让系统内部的压力得到泄放。

在所述氮气膜分离系统和氮气储气罐之间安装有氮气纯度控制系统。氮气纯度控制系统的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。

在所述压缩空气进气管和氮气出气管的端口均安装有快速接头，快速接头通过加固装置与箱式撬体连接，快速接头以卡式接头为最佳。这种结构可以缓冲现场作业时的强大冲撞力，防止损坏接头和管道焊缝。

本发明中的膜分离制氮方法，用可编程自动控制系统对氮气分离系统中各变量进行控制，其控制参数为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度≤65℃，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力＜2.41MPa；可编程自动控制系统的控制方法为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度＞65℃时，可编程自动控制系统会自动切断空气加热器的电源，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力≥2.41MPa时，可编程自动控制系统会打开泄压阀减压，所述氮气膜分离系统的出气端的气体氧含量为0.01-5％，通过氮气纯度控制系统控制，其原理为：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，通过可编程自动控制系统对纯度控制阀进行调节，使得膜组获得合理的压力差而调节气体的氧含量，所述氮气膜分离系统的出气端的产氮量为1800m³/h——5400m³/h；通过可编程自动控制系统调节不合格氮气放空阀来控制。

本发明的有益效果在于：

由上可知，本发明中的用于钻井工艺的新型膜分离制氮系统具有耐高温高压、抗污、安全、可维护、高效、节能、长寿、环保等优点，能适应任何地区野外全天候石油、天燃气钻井可变工况。

附图说明：

图1是本发明中的钻井用氮气制造系统去掉外壳顶部后的俯视结构示意图；

图2是本发明中的氮气制造流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明中的用于钻井工艺的新型膜分离制氮系统包括包括空气预处理系统、氮气膜分离系统和氮气钻井工艺自动控制系统，在氮气钻井工艺自动控制系统的控制下，压缩空气经空气预处理系统、氮气膜分离系统输出，所有设备均置于箱式撬体3内；所述空气预处理系统由压缩空气进气管7、空气冷却器8、空气过滤器组11和空气加热器5依次通过气管连接而成；所述氮气膜分离系统由复合膜管组件19和氮气输出管线系统组成；所述氮气钻井工艺自动控制系统由可编程自动控制系统15和工艺控制执行电器系统组成。

把所有设备均固定安装于箱式撬体3内，不但能有效缩小体积，而且各部件之间连接稳固，能稳定地控制设备性能和氮气纯度；空气预处理系统可以将压缩空气中的灰尘、杂质清除干净，并使空气达到适应于复合膜的最佳分离温度，以提高氮气的产量和纯度；氮气膜分离系统中的复合膜管组件具有工作温度范围大、耐水性强、耐油性强、抗污染性强、可维护等优点，这些优点是现在市场上的均质膜管组件所不具备的；可编程自动控制系统15即PLC控制器，是一种通用的自动控制系统，可以对氮气膜分离系统中的温度、压力、氮气纯度等变量按设计的预定值进行自动控制。

如图1所示，空气过滤器组11为：粗滤空气过滤器9、中滤空气过滤器10、细滤空气过滤器12与超细滤空气过滤器13按顺序串行相连。这四级过滤器能彻底除去压缩空气中的灰尘和杂质，而且过滤器不易堵塞，可减少清洗次数。

在箱式撬体3内安装有对空气加热器5进行温度控制的温度控制器16。与常用温度控制方式一样，温度控制器16的感应端安装于空气加热器5的气体出口端，温度控制器16的控制端与空气加热器5的继电器开关连接，当空气加热器5的气体出口端的空气温度低于设定温度时，空气加热器5工作；当空气加热器5的气体出口端的空气温度高于设定温度时，空气加热器5停止工作。这样空气加热器5的气体出口端的空气温度就能保持比较稳定，有利于氮气分离。

在箱式撬体3内安装有空气压力安全控制器4，空气压力安全控制器4的压力检测器2安装于空气过滤器组11与空气加热器5之间的气管上，空气压力安全控制器4的控制端与空气加热器5连接。当系统运转而无空气进入，或有空气进入但压力小于某一设定值时，空气加热器5能在空气压力安全控制器4的作用下自动关闭，从而保护膜组及空气加热器5，使膜管稳定、安全工作而不受损害。

在压缩空气进气管7和氮气出气管21之间安装有直通气管6，在直通气管6上安装有手动阀门18。直通气管6便于在井场需要时方便地使用压缩空气。

在不合格氮气排气管17上安装有泄压阀14。系统停机后，管道和空器内仍有高压气体，不符合井场安全规范，为了便于安全地实施外围管道拆除搬迁作业，可以使用泄压阀14让系统内部的压力得到泄放。

在氮气膜分离系统和氮气储气罐20之间安装有氮气纯度控制系统22。氮气纯度控制系统22的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。

在压缩空气进气管7和氮气出气管21的端口均安装有快速接头1，快速接头1通过加固装置与箱式撬体3连接，快速接头1为卡式接头。这种结构可以缓冲现场作业时的强大冲撞力，防止损坏接头和管道焊缝。

在实际工作过程中，压缩空气从本发明中的膜分离制氮系统的压缩空气进气管进入，然后通过空气冷却器8(一般采用风冷方式)进行冷却脱水后进入空气过滤器组11，空气过滤器组11会将压缩空气中的灰尘、杂质清除干净，这有利于保护复合膜管，干净的压缩空气经过空气加热器加热到一定温度(一般以50摄氏度为最佳)后被送进氮气膜分离系统19，氮气膜分离系统由复合膜管组件19和氮气输出管线系统构成，复合膜管组件19是一个圆筒状的中空复合膜束，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，首先在复合膜的高压侧接触，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，由复合膜管组件19一侧的开口排到外界空气中；渗透速率小的“气”——氮气被富集在高压内侧，由复合膜管组件19的另一端排出至氮气储气罐，从而实现了氧-氮分离，得到氮气。

图2是本发明中的氮气制造流程图。如图2所示，外界空气经空气压缩机组23压缩后依次经过以下部件：压缩空气进气管7、空气控制阀24、温度计25、空气冷却器8、空气过滤器组11、压力表26、空气压力安全控制器4、空气加热器5(空气加热器5外接温度控制器16)、温度计29、空气气动阀30、复合膜管组件19，经过复合膜管组件19后的气体为含少量氧气的氮气，这种氮气再依次经过氧气含量传感器31、温度传感器32、压力表33、流量计34、流量调节阀35、背压阀36，然后分离为主、从两个支路，主支路是：氮气输气阀37、氮气储气罐20、氮气输出阀41、氮气出气管，从支路是：泄压阀14、不合格氮气放空阀40、不合格氮气排气管(17)，一般情况通过主支路，需要减压或排放不合格氮气时通过从支路；另外，在压缩空气进气管7和氮气出气管21之间安装有直通气管6，在直通气管6上安装有手动阀门18。

结合图1和图2，本发明中的膜分离制氮方法，用可编程自动控制系统15对氮气分离系统中各变量进行控制，其控制参数为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度即温度计29所显示的温度≤65℃，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力即压力表26所显示的压力＜2.41MPa；可编程自动控制系统15的控制方法为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度即温度计29所显示的温度＞65℃时，可编程自动控制系统15会自动切断空气加热器5的电源，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力即压力表26所显示的压力≥2.41MPa时，可编程自动控制系统15会打开泄压阀14减压，所述氮气膜分离系统的出气端的气体氧含量为0.01-5％，通过氮气纯度控制系统控制，其原理为：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，通过可编程自动控制系统15对纯度控制阀进行调节，使得膜组获得合理的压力差而调节气体的氧含量，所述氮气膜分离系统的出气端的产氮量为1800m³/h-5400m³/h；通过可编程自动控制系统15调节不合格氮气放空阀40来控制。

Claims

1、一种用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统，包括空气预处理系统、氮气膜分离系统和氮气钻井工艺自动控制系统，在氮气钻井工艺自动控制系统的控制下，压缩空气经空气预处理系统、氮气膜分离系统输出，所有设备均置于箱式撬体(3)内；所述空气预处理系统由压缩空气进气管(7)、空气冷却器(8)、空气过滤器组(11)和空气加热器(5)依次通过气管连接而成，所述空气过滤器组(11)为：粗滤空气过滤器(9)、中滤空气过滤器(10)、细滤空气过滤器(12)与超细滤空气过滤器(13)按顺序串行相连；所述氮气膜分离系统由复合膜管组件(19)和氮气输出管线系统组成；所述氮气钻井工艺自动控制系统由可编程自动控制系统(15)和工艺控制执行电器系统组成；在所述箱式撬体(3)内还安装有对空气加热器(5)进行温度控制的温度控制器(16)和空气压力安全控制器(4)，空气压力安全控制器(4)的压力检测器(2)安装于空气过滤器组(11)与空气加热器(5)之间的气管上，空气压力安全控制器(4)的控制端与空气加热器(5)连接；其特征在于：在所述压缩空气进气管(7)和氮气出气管(21)之间安装有直通气管(6)，在直通气管(6)上安装有手动阀门(18)。

2、根据权利要求1所述的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统，其特征在于：在不合格氮气排气管(17)上安装有泄压阀(14)。

3、根据权利要求1所述的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统，其特征在于：在所述氮气膜分离系统和氮气储气罐(20)之间安装有氮气纯度控制系统(22)。

4、根据权利要求1所述的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统，其特征在于：在所述压缩空气进气管(7)和氮气出气管(21)的端口均安装有快速接头(1)，快速接头(1)通过加固装置与箱式撬体(3)连接。

5、一种如权利要求1所述的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统所用的膜分离制氮方法，其特征在于：用可编程自动控制系统(15)对氮气分离系统中各变量进行控制，其控制参数为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度≤65℃，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力＜2.41MPa；可编程自动控制系统(15)的控制方法为：所述氮气膜分离系统的入气端的气体温度＞65℃时，可编程自动控制系统(15)会自动切断空气加热器(5)的电源，所述氮气膜分离系统的入气端的气体压力≥2.41MPa时，可编程自动控制系统(15)会打开泄压阀减压，所述氮气膜分离系统的出气端的气体氧含量为0.01-5％，通过氮气纯度控制系统(22)控制，其原理为：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，通过可编程自动控制系统(15)对纯度控制阀进行调节，使得膜组获得合理的压力差而调节气体的氧含量，所述氮气膜分离系统的出气端的产氮量通过可编程自动控制系统(15)调节不合格氮气放空阀来控制。

6、根据权利要求5所述的膜分离制氮方法，其特征在于：可编程自动控制系统(15)对氮气分离系统中各变量控制的参数为：所述氮气膜分离系统的出气端的气体氧含量为0.01-5％，所述氮气膜分离系统的出气端的产氮量为1800m³/h-5400m³/h。