CN1102426C

CN1102426C - 一种现场快速制取惰性气体的方法

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Publication number: CN1102426C
Application number: CN00113183A
Authority: CN
Inventors: 孟英峰; 李永杰; 梁红; 张万福
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: CN1305866A

Abstract

本发明提出将柴油机的尾气含氧浓度降低，使其低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度，以成为惰性气体供石油、天然气及煤层气开发使用。其具体方法可以是：通过对柴油机的负荷调节，使其在较高负荷工作；或对进气系统稍加改造以改变进气量；或在尾气冷却、除水、除尘之前对尾气进行第二次燃烧。本发明简单易行，设备投资少，成本低，易搬迁，特别适宜于石油、天然气及煤层气开发使用，亦可用于其它需要使用惰性气体的行业。

Description

一种现场快速制取惰性气体的方法

本发明涉及惰性气体的制取方法，尤其是石油、天然气开采行业及煤层气开采行业中所使用的惰性气体的制取方法。

在石油、天然气钻井过程中，通常采用泥浆冷却钻头、冲洗井底。泥浆的压力一般高于地层压力，因而相应产生的缺点是泥浆易污染油层，且较高的井底压力影响了钻速的提高。在20世纪50年代，出现了欠平衡钻井，包括空气钻井、雾化钻井、充气液钻井和泡沫钻井等，其压力低于地层压力，使井底压力降低，有利于钻速的提高，并减少对油层的污染；但其存在的主要问题之一是，空气中的氧可能引起油、气井下的失火和爆燃，因而必须采用惰性气体入井。国外在欠平衡钻井中采用的惰性气体通常是氮气，后来为了降低成本，有的采用氮气中加入空气作为惰性气体使用。通常制取氮气的方法有空气分离制氮技术、采用吸附剂的变压吸附制氮技术、液态氮技术以及采用分子筛的膜分离技术等，用上述技术制取氮所使用的设备复杂、投资大、成本高，且气源量有时满足不了钻井的需求。除此之外，也有人用锅炉燃烧所产生的烟道气制取含氧浓度较低的惰性气体，但其设备庞大，投资费用高，不利于移动，对石油、天然气及煤气开采行业亦不大适用。由于上述原因，欠平衡钻井技术在国外尚未大规模采用，在我国也仅少数油田在试用。生产适合井下使用的惰性气体的技术关键是减少气体中的含氧浓度，使其能避免井下失火；同时要降低惰性气体的制取成本；其所使用的设备要适合钻井作业经常移动、搬迁的特点。

本发明的目的在于，提出一种能够利用现场已有设备、便于搬迁、成本低、制取速度快、气源量充足的惰性气体制取方法，以满足石油、天然气、煤气开采行业的需要。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：将现场使用的柴油机的尾气中的含氧浓度降低，使其低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度，以成为惰性气体供石油、天然气及煤层气开发使用。

降低柴油机尾气的含氧浓度的方法可以是：

1.调节柴油机的负荷，使其保持较高负荷工作，从而使尾气中的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度。

2.降低柴油机的进气增压比或增设进气阻力，以降低柴油机的进气量，从而改变柴油机的燃烧情况，使柴油机尾气的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度。

3.在尾气冷却、除水、除尘之前，设置燃烧器对尾气进行第二次燃烧，使燃烧后的尾气的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度。

本发明的优点是：

(1)惰性气体来自现场柴油机的尾气，不增加设备投资，仅通过负荷匹配或简易的调整改造，即可使其尾气中的含氧浓度达到防止井下失火含氧浓度的要求，大大降低了成本。

(2)本发明简单易行，气源、气量能满足石油、天然气、煤层气的开发要求，且设备易于搬迁，适合石油、天然气、煤层气开发特征。

(3)利用本发明的技术方案所产生的惰性气体，以氮气、二氧化碳为主要成分，仅有少量剩余氧气，其防火效果比单纯用氮气加入空气作为惰性气体的防火效果好。

附图说明如下：

图1是本发明实施例1的工艺流程示意图；

图2是本发明实施例2去掉增压器(6)的工艺流程示意图；

图3是本发明实施例2增设进气阻流阀(7)的工艺流程示意图；

图4是本发明实施例3的工艺流程示意图。

下面结合附图说明本发明的实施例：

实施例1：以一台Z12V190B型柴油机为例。参看图1，气体经增压器(6)进入柴油机(1)，调节负荷(5)，使柴油机在较高负荷下工作，所得尾气进入冷却、除水、除尘器(2)进行冷却、除水、除尘后输送到空气压缩机(3)，使其达到使用所需压力，再送入现场使用。含氧浓度监测器(4)对尾气的含氧浓度进行监测，以便及时调节负荷(5)，使尾气的含氧浓度达到要求。

由有关柴油机的知识可知，当柴油机功率增加，若转速不变，进气量不变，则其燃油量增加，尾气中的含氧浓度降低。其具体数值可通过以下方法计算：

将柴油机带足负荷，例如以此柴油机带现场的发电机、水刹车等作为负荷，此时：

(1)柴油机理论进气量V₀(i)可用以下经验公式计算：

V_{0} (i) = \frac{71.45 \times n (i) \times \frac{1}{2}}{1000} \times {1.75}^{\frac{1}{1.25}} \times 1.1 ({NM}^{3} / \min)

式中n(i)——柴油机转速 (转/分)；

71.45——Z12V190B型柴油机气缸排量 (升/分)；

——1.75为Z12V190B型柴油机所用的GJ20型涡

轮增压器的增压比，指数是考虑增压器工

作为1.25的多变过程。

(2)理论燃烧所需空气量V_f(K，I，J)

V_{f} (K, I, J) = m_{f} (i, j) \times \frac{Ne (i, j)}{60} \times \frac{\frac{14.3}{1.293}}{1000} ({Nm}^{3} / \min)

式中 Ne(i，j)——n(i)转速下的第j种功率数 (kw)，

(同一转速下不同负荷时的功率与油耗不同)

m_f(i，j)——n(i)转速下，Ne(i，j)功率下的燃油消耗率

(g/kw，h)

此项由该柴油机性能曲线查取。

14.3——1公斤0^#柴油完全燃烧时理论所需空气质量；

——将上述空气质量换算为标态下体积Nm³。

(3)尾气含空气量VO₂(K，I，J)：

VO₂(K，I，J)＝V₀(i)-V_f(K，I，J) (Nm³/min)

(4)尾气量V_f2(K，I，J)：

V_f2(K，I，J)＝V₀₂(K，I，J)+V_f(K，I，J)×1.05

＝V_o(i)+V_f(K，I，J)×0.05 (Nm³/min)

式中：V_f(K，I，J)×0.05为理论耗空气量燃烧后的摩尔数增加部份。

(5)尾气含氧浓度 (K，I，J)：

α_{O_{2}} (K, I, J) = \frac{V_{O 2} (K, I, J) \times 0.209}{V_{f_{2}} (K, I, J)}

式中：

(K，I，J)×0.209为尾气中含氧量。

(6)除水后的含氧浓度， (K，I，J)：

α_{O_{2} H_{2} O} (K, I, J) = \frac{V_{O_{2}} (K, I, J) \times 0.209}{V_{f_{2}} (K, I, J) - V_{f_{2}} (K, I, J) \times 0.12} - - - (%)

式中：0.12是用燃烧理论计算的燃烧产物含水蒸汽浓度。

按上述理论计算，Z12V190B型柴油机在1000～1300转/分的常用转速下，当负荷大于720kW时，尾气冷却后的含氧浓度满足防火要求。

实施例2：仍以Z12V190B型柴油机为例。通过实施例1所述理论计算可知，随着转速的提高，柴油机的尾气量增加。该柴油机在常用转速1000～1300转/分下产生的尾气量约为70NM³/min左右，大于现场需要的尾气量(现场需用尾气量约为30～40Nm³/min)，而燃烧时，空气过量系数较大，尾气含氧浓度较高。据此，可采用降低供气量的方法来降低尾气的含氧浓度，具体方法是去掉该柴油机增压器或增加进气阻力，以降低柴油机的进气量。

(1)参看图2，将柴油机的增压器(6)去掉，气体在一个大气压下进入柴油机(1)，所得尾气经冷却，除水、除尘器(2)冷却，除水、除尘后到达空压机(3)，使其达到现场所需压力后送至现场使用。含氧浓度监测器(4)对尾气的含氧浓度进行监测以便及时调节负荷，使含氧浓度达到要求。

根据有关涡轮增压器的资料介绍，在进气压力降低的情况下，对燃油耗量、进气量、燃烧值校正后进行尾气含氧浓度计算可知：去掉该柴油机增压器后，在常用转速1000～1300转/分时，柴油机输出功率为330～450kW的情况下，油消耗为253～290g/kw，h，尾气量为35～40Nm³/min，尾气含氧浓度达到防止井下失火要求。

(2)参看图3，保留增压器(6)，仅在进气管道上增加一个进气阻流阀(7)，通过调节进气阻流阀(7)的开度，降低进气量，调节负荷，同样可达到上述效果。

实施例3：通过对Z12V190B型柴油机的分析计算可知，该柴油机的尾气中，最高约有18％左右的氧未燃烧，因此，可在尾气冷却，除水、除尘之前增设一个补燃器，将尾气进一步燃烧，使其中的含氧浓度降低，达到防止井下失火的要求。

参看图4，空气经增压器(6)进入柴油机(1)，所产生的尾气送入补燃器(8)燃烧后进入冷却，除水、除尘器(2)，然后进入空压机(3)压缩至现场所需压力后输至现场使用。含氧浓度监测器(4)对尾气的含氧浓度进行监测，以便调节燃料(9)的燃料量，使燃烧后的尾气符合要求。

由燃烧学的知识可知，每一公斤柴油完全燃烧所需理论空气量为14NM³左右，折算为柴油机尾气可燃烧处理量为：14×0.21÷0.1＝29.4NM³。故可在尾气进入冷却、除水、除尘器(2)之前，设置一个喷油量为2kg/min的补燃器(8)进行补燃，即可保证尾气的含氧浓度达到防止井下失火的要求。

若现场气源方便，也可使用天然气进行补燃。同样，由燃烧学的知识可知，每1NM³天然气完全燃烧所需理论空气量为9.5NM³，折算为柴油机尾气可燃烧处理量为9.5×0.21÷0.1＝19NM³。故可在尾气进入冷却、除水、除尘器(2)之前，设置一个燃气量为2.5NM³/min的补燃器(8)进行补燃，即可保证尾气的含氧浓度达到防止井下失火要求。

Claims

1.一种现场快速制取惰性气体的方法，将柴油机尾气中的含氧浓度降低，使其成为惰性气体供石油、天然气及煤层气开发使用，其特征在于，降低柴油机尾气含氧浓度的方法包括：

(1)调节柴油机的负荷，使其保持较高负荷工作，从而使尾气中的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度；

(2)降低柴油机的进气增压比或增设进气阻力，以降低柴油机的进气量，从而改变柴油机的燃烧情况，使柴油机尾气的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度；

(3)在尾气冷却、除水、除尘之前，设置燃烧器对尾气进行第二次燃烧，使燃烧后的尾气的含氧浓度低于引起石油、天然气井下失火的含氧浓度。