CN1102426C - 一种现场快速制取惰性气体的方法 - Google Patents
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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
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: 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Vf(K,I,J) 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)
mf(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;
(3)尾气含空气量VO2(K,I,J):
VO2(K,I,J)=V0(i)-Vf(K,I,J) (Nm3/min)
(4)尾气量Vf2(K,I,J):
Vf2(K,I,J)=V02(K,I,J)+Vf(K,I,J)×1.05
=Vo(i)+Vf(K,I,J)×0.05 (Nm3/min)
式中:Vf(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):
(6)除水后的含氧浓度,
(K,I,J):
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)
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。
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