油田減氧空氣膜分離裝置應(yīng)用研究

廖廣志，吳浩，徐連祿，云慶，黨延齋，張哲，姚海峰

1.中國石油天然氣股份有限公司勘探與生產(chǎn)分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；3.天邦膜技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司；4.中國膜工業(yè)協(xié)會石油和化工膜技術(shù)應(yīng)用專業(yè)委員會

0 引言

目前，中國大部分油藏開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入中后期，產(chǎn)量開始遞減，存在油井含水率高、常規(guī)注水技術(shù)挖潛困難、投入產(chǎn)出比小等問題，研究和發(fā)展提高采收率技術(shù)已成為保證油田產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)定增長的戰(zhàn)略性任務(wù)。隨著開采技術(shù)的突破，越來越多的提高采收率方法逐步開始了現(xiàn)場試驗及工業(yè)化推廣［1］。注氣開發(fā)（如，注天然氣、二氧化碳、氮氣、空氣等）已被證明是一類高效的提高采收率的技術(shù)?？諝怛?qū)因氣源豐富、成本低廉在油田后期開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于空氣中氧氣的存在，油田注空氣過程中存在著油氣-空氣混合物爆炸的風(fēng)險，特別是在停注重啟、洗井切換、壓縮機(jī)積碳停機(jī)等非連續(xù)生產(chǎn)操作中爆炸風(fēng)險較大。近年來，基于油氣爆炸理論和注空氣工況，對高溫高壓油氣-空氣混合物爆炸的邊界條件有一些研究［2-3］，且在對空氣驅(qū)工藝中可能存在的安全隱患和爆炸風(fēng)險進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了利用減氧空氣減爆和防爆的方法［4］。

減氧空氣驅(qū)，是向油藏內(nèi)注入氧氣含量接近或低于爆炸所需臨界氧氣濃度的空氣，如體積分?jǐn)?shù)5%～10%［5］，通過補(bǔ)充地層能量、形成煙道氣驅(qū)來驅(qū)動原油［6-7］，從而達(dá)到防止油氣爆炸、改善油藏開發(fā)效果的目的。與其他注氣技術(shù)相同，減氧空氣驅(qū)可用于二次、三次采油，能通過調(diào)整注入方式或采用減氧空氣泡沫提高采收率，適用于低滲透、超低滲透、中高滲透，稀油、稠油等多種類型的油藏。故減氧空氣驅(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

1 減氧空氣膜分離技術(shù)

氣體膜分離技術(shù)是利用各種氣體在高分子膜上滲透速率的不同實現(xiàn)氣體分離，以氣體在膜兩側(cè)的分壓差為推動力。其過程是氣體分子首先被吸附并溶解于膜的高壓側(cè)表面，然后借助于濃度梯度在膜中擴(kuò)散，最后從膜的低壓側(cè)解析出來［8-9］。小分子和極性較強(qiáng)的分子（如，水汽、氧氣、二氧化碳等）通過速度較快，在膜的滲透側(cè)被富集；而大分子和極性較弱的分子（如，氮氣、氬氣等）通過速度較慢，積聚在膜的滯留側(cè)被富集，進(jìn)而實現(xiàn)氣體分離。氣體膜分離技術(shù)沒有相變、無需再生，具有設(shè)備簡單、操作及維護(hù)費用低等優(yōu)點。

減氧空氣膜分離器（組件）是將成千上萬根中空纖維分離膜集裝在一個外殼內(nèi)，結(jié)構(gòu)類似于列管式換熱器（如圖1所示），可以在最小的空間里提供最大的分離膜表面積，故而膜分離系統(tǒng)具有占地面積小、重量輕、分離效率高等優(yōu)點。

圖1 減氧空氣膜分離器（組件）示意圖

減氧空氣膜分離工藝流程為：①空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至 1.2～2.4 MPa，經(jīng)過冷卻后，氣液分離器、精密過濾器、冷凍式干燥機(jī)（吸附式干燥機(jī)）除去其中的液體和油霧，隨后經(jīng)過一級超精密過濾器和一級活性炭過濾器的過濾，脫除固體顆粒物和油蒸氣，將壓縮空氣中的油量降到0.01 mg/m3以下、并過濾除去直徑大于0.01 μm的固體顆粒物；②凈化后的壓縮空氣進(jìn)入空氣換熱器加熱恒溫，以一定壓力、溫度在膜分離器內(nèi)進(jìn)行氧氣和氮氣分離，最終得到壓力略低于進(jìn)氣壓力的減氧空氣（較進(jìn)氣壓力低0.1～0.2 MPa），減氧空氣中的氮氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）可以在 90%～99%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，其露點可以達(dá)到-40 ℃。同時，在膜分離器滲透側(cè)可以得到富氧空氣，富氧空氣的氧氣濃度（體積分?jǐn)?shù)）可達(dá)40%以上。圖2所示為減氧空氣膜分離工藝流程圖。

圖2 減氧空氣膜分離工藝流程圖

2 減氧空氣膜分離裝置技術(shù)要求

2.1 空氣凈化及預(yù)處理技術(shù)

空氣凈化和預(yù)處理系統(tǒng)是保證減氧空氣膜性能及壽命的重要部分。清除壓縮空氣中的有害成分，是膜的性能得到充分利用的關(guān)鍵，可有效延長膜組件的使用壽命。氣體膜分離設(shè)備的設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗表明，如果空氣凈化和預(yù)處理系統(tǒng)存在設(shè)計缺欠和使用不當(dāng)，將會導(dǎo)致膜組件污染，嚴(yán)重降低其分離效率和使用壽命。如，過濾器選用壓差表控制，當(dāng)壓差表顯示不正常時，過濾器已到工作極限，導(dǎo)致過濾器濾芯擊穿失效，污染物進(jìn)入分離膜；過濾系統(tǒng)沒有活性炭過濾器或活性炭過濾器安裝在加熱器后面，導(dǎo)致VOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）類污染物無法濾除，污染分離膜。特別地，有時因設(shè)計不良，導(dǎo)致過濾器排污閥故障，污物不能及時排出導(dǎo)致過濾器瞬間擊穿失效，污染分離膜。圖3所示為膜組件被污染后的狀態(tài)，圖4所示為過濾器濾芯擊穿失效膜損壞的狀態(tài)。

圖3 減氧空氣分離用膜組件被污染狀態(tài)

圖4 過濾器濾芯擊穿失效膜損壞狀態(tài)

2.1.1 減氧空氣分離膜組件進(jìn)氣要求

氮氣和減氧空氣分離膜組件的通用進(jìn)氣標(biāo)準(zhǔn)可參照ISO 8573-1-2001Compressed Air - Part1:Contaminants and Purity Classes（壓縮空氣第1部分：雜質(zhì)和質(zhì)量等級）要求的空氣凈化等級。主要污染物的凈化等級見表 1。氮氣和減氧空氣分離膜組件的進(jìn)氣參數(shù)要求見表2。

表2 氮氣和減氧空氣分離膜組件的進(jìn)氣參數(shù)要求

基于氮氣和減氧空氣分離膜組件進(jìn)氣標(biāo)準(zhǔn)及壓縮機(jī)廠家提供的壓縮空氣出口標(biāo)準(zhǔn)，可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，對壓縮空氣凈化和預(yù)處理工藝進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化，保障分離膜組件的可靠、安全和經(jīng)濟(jì)運行。

2.1.2 過濾器及濾芯的選用

膜分離法制氮氣和減氧空氣的凈化預(yù)處理至少需要5級過濾，按進(jìn)氣順序分別是：用于液滴去除的氣水分離器或3 μm前置過濾器，用于去除1 μm顆粒和油霧的凝聚式精密過濾器，用于去除0.01 μm顆粒和油霧的凝聚式超精密過濾器，用于去除油蒸氣的大容量活性炭過濾器，用于去除固體干顆粒的1 μm除顆粒過濾器。

對壓縮空氣過濾濾芯的要求：應(yīng)具有多層深度過濾，容納污垢能力較強(qiáng)；應(yīng)具有較小的阻力，減小壓縮空氣壓力損失；應(yīng)選用特殊的硼硅玻璃纖維材料，斥水、疏油，提供很好的凝聚過濾效果；應(yīng)采用超聲波焊接技術(shù)，使濾芯更堅固；應(yīng)具有針氈積液層，使濾除物可順利排出；最好選用英國WALKER原裝濾芯，100%經(jīng)過嚴(yán)格出廠檢驗。

2.1.3 過濾器排污系統(tǒng)的選用

若只有浮球排污閥、電子排污閥等自動排污閥，而無手動排污檢查口，則很容易導(dǎo)致過濾器過濾出的雜物、管路銹蝕的鐵銹等堵塞排污管。一旦污染物無法順利排出，污染減氧分離膜分離組件，將導(dǎo)致膜分離組件性能衰減，減氧單元不能正常工作。

因此，建議增加手動排污口和目視檢查口，定時巡檢，根據(jù)排污情況調(diào)整排污閥，保證壓縮空氣凈化處理系統(tǒng)能可靠安全地工作。

2.1.4 除水系統(tǒng)（冷干機(jī)）的選用

一般減氧單元膜分離組件的工作溫度小于 50℃，壓縮機(jī)的排氣經(jīng)冷卻后是飽和的濕空氣。空氣冷卻后，出口溫度通常高于環(huán)境溫度 15 ℃以上，當(dāng)夏季環(huán)境溫度高于 30 ℃時，進(jìn)入減氧單元的壓縮空氣溫度會超過 45 ℃，若無除水系統(tǒng)，會導(dǎo)致液態(tài)水進(jìn)入膜組件，減氧單元不能正常工作。另外，活性炭過濾器吸附液體水后會粉化，無法吸附油蒸氣，并且活性炭過濾器的最佳工作溫度為 30 ℃以下。因此，當(dāng)使用環(huán)境溫度高于 30 ℃時，應(yīng)加裝冷凍式干燥機(jī)，將壓力露點控制在10 ℃左右。

因此，建議選用風(fēng)冷式多風(fēng)扇頂排結(jié)構(gòu)的冷干機(jī)：實現(xiàn)變頻恒溫控制（壓力露點 3～10 ℃）；帶不銹鋼旁路結(jié)構(gòu)，滿足工藝技術(shù)要求（最高壓力2.5 MPa）；可以在-30～45 ℃環(huán)境條件下正常啟動、可靠工作；可以適應(yīng)風(fēng)沙、雨雪等野外作業(yè)環(huán)境。

冷干機(jī)的空氣-空氣換熱器和空氣-冷媒換熱器，加上除霧式冷凝液分離器，被封裝在一個模塊內(nèi)。模塊垂直安裝確保冷凝出的冷凝液向下流到自動排水器。這種濕熱壓縮空氣向下、干冷壓縮空氣向上的交叉逆流方式確保了最大的熱交換效率。預(yù)先冷卻進(jìn)入干燥機(jī)的空氣，可以減少后續(xù)空氣進(jìn)蒸發(fā)器所需的冷卻量。離開干燥機(jī)的空氣同時被加熱，可以避免下游管路外壁產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象。超大尺寸的空氣-冷媒換熱器加上逆流氣流可以使全部制冷劑被徹底蒸發(fā)（防止液體回到壓縮機(jī)）。高效冷凝液分離器位于換熱器模塊內(nèi)，無需維護(hù)，凝聚的冷凝液被高效率分離。

除水系統(tǒng)（冷干機(jī)）的選用建議：三位一體，即空氣-空氣換熱器、空氣-冷媒換熱器和水霧分離器及管路合為一體；選擇自上向下的垂直濕氣路徑，利于冷凝液排放；選用交叉逆流換熱器，最大化換熱效率，消耗功率為傳統(tǒng)機(jī)型的50%；保持穩(wěn)定的壓力露點。

2.1.5 活性炭過濾器的設(shè)計、選擇

目前，通用活性炭過濾器適宜的進(jìn)氣溫度為1.5～30 ℃，最高工作溫度為50 ℃，活性炭濾芯更換時間不大于500 h，不能滿足氮氣和減氧空氣分離膜組件進(jìn)氣標(biāo)準(zhǔn)。而碳床過濾器由于設(shè)計和使用問題導(dǎo)致沸碳和失效。壓縮空氣的氣態(tài)油和VOC等雜質(zhì)，來源于空氣壓縮機(jī)吸入的環(huán)境污染空氣和油潤滑空氣壓縮機(jī)潤滑油。這些雜質(zhì)因空氣壓縮而濃縮，隨壓縮空氣進(jìn)入膜分離組件，導(dǎo)致膜組件被污染后生產(chǎn)出不合格的減氧空氣。

設(shè)計、選擇適合油田現(xiàn)場工況的大容量活性炭過濾器，用于去除壓縮空氣中的氣態(tài)油和VOC等雜質(zhì)。其需要滿足：可以在-30～40 ℃環(huán)境條件下正常工作，除油氣至0.003 mg/m3、過濾精度不大于3 μm；具有壓緊防沸碳結(jié)構(gòu)和檢查口；選用優(yōu)質(zhì)活性碳，活性炭過濾器更換時間大于4 000 h，此為保證壓縮空氣凈化處理達(dá)到技術(shù)指標(biāo)的重要部件。

2.1.6 減氧膜組件進(jìn)氣恒溫控制要求

鋼制（材質(zhì)SS304以上）的原料空氣換熱器，應(yīng)具有換熱溫度調(diào)節(jié)、顯示、溫度過高保護(hù)和壓力連鎖等功能。由溫控儀和管狀電加熱器組成，通過PID調(diào)節(jié)將進(jìn)氣加熱在設(shè)定的范圍內(nèi)（40～50 ℃），使膜減氧組件在最適宜的條件下工作。

建議設(shè)有溫度連鎖控制，保證進(jìn)入膜減氧組件的壓縮空氣溫度恒定。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時，能自動切斷加熱器，起到保護(hù)膜組件的作用。需設(shè)有出入口壓力聯(lián)鎖開關(guān)，當(dāng)進(jìn)入膜減氧組件的壓縮空氣中斷或空氣壓力低于某一設(shè)定值時，加熱器能自動關(guān)閉，從而保護(hù)膜減氧組件及加熱器。

2.1.7 主要損耗件的更換時間

各級過濾器濾芯建議不要根據(jù)差壓表指示更換，濾芯2 000 h左右更換。

2.2 膜分離減氧組件的選擇和性能要求

減氧空氣膜性能優(yōu)劣是由膜材料及其結(jié)構(gòu)形態(tài)、制備工藝決定的。膜材料除了要具有優(yōu)良滲透性，還需要具有良好的耐溫性、耐污染性及較高的機(jī)械強(qiáng)度。商業(yè)用材料大多為耐高溫的玻璃態(tài)高分子膜，如，醋酸纖維素、聚砜、聚醚砜，以及聚酰亞胺和聚酰胺等。為了獲得較大的滲透流量，除選用滲透系數(shù)較大的膜材料之外，還要將膜表層制作得非常薄，因此高分子膜一般是復(fù)合膜。

2.2.1 膜分離減氧組件的選用條件

膜的性能主要分兩個方面：分離透過特性和物理化學(xué)特性。分離透過特性包括分離系數(shù)和分離滲透速率；物理化學(xué)特性包括耐油污染性、耐熱性，耐有機(jī)強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度等。

其中，耐油污染性是減氧空氣膜非常重要的特性，由膜材料和膜結(jié)構(gòu)決定。一般親油性膜被油氣污染后會膨脹，油氣會進(jìn)入中空纖維內(nèi)部，導(dǎo)致分離系數(shù)降低，滲透率較高?，F(xiàn)場應(yīng)用中表現(xiàn)為耗氣量增加，且污染后不可修復(fù)，需要更換全部膜組件以恢復(fù)產(chǎn)能。疏油性膜被油污染后，油氣會在中空纖維表面覆蓋，膜的滲透率降低，現(xiàn)場應(yīng)用表現(xiàn)為產(chǎn)氣量、耗氣量均降低，但根據(jù)受污染情況和膜材料特性可對膜組件再生修復(fù)。天邦膜技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司采用有效的膜組件修復(fù)再生技術(shù)［10］，可延長空分膜制減氧空氣的使用壽命。

常用驅(qū)油用減氧膜的性能對比見表3。

表3 常用驅(qū)油用減氧膜性能對比

為了保證減氧空氣膜設(shè)備在現(xiàn)場安全、穩(wěn)定、長周期運行，建議選用耐油污染性強(qiáng)、適應(yīng)溫度范圍寬（可在-40～80 ℃溫度下工作）、滲透性好、且可修復(fù)的、由宇部興產(chǎn)株式會社或Evonik Industries AG生產(chǎn)的聚酰亞胺材料的中空纖維膜組件。

聚酰亞胺的膜減氧組件的性能特點為: 膜材料具有很好的熱穩(wěn)定性和耐有機(jī)溶劑能力，被壓縮機(jī)油、VOC等污染可清洗修復(fù)；適用環(huán)境溫度范圍寬，-40～65 ℃，無需輔助系統(tǒng)；耐油、酸堿性好，不怕水；耐壓高，最高可達(dá)2.4 MPa，且壓力損失??；內(nèi)徑大，膜絲為開放平行式排列，不易堵塞，易反吹清洗；無需保養(yǎng)維護(hù)，可靠性高，膜壽命長。

2.2.2 膜分離減氧組件的服務(wù)期限、要求

在滿足現(xiàn)場條件情況下膜組件服務(wù)期不小于8 a（分離性能不低于 80%），若低于 80%，應(yīng)免費更換膜組件達(dá)到性能，并承擔(dān)更換膜組件的相關(guān)費用。

若用戶因操作問題導(dǎo)致膜組件損壞，應(yīng)提供修復(fù)服務(wù)。費用不超過膜組件價款的10%，性能要恢復(fù)至80%以上。

2.2.3 膜分離減氧組件檢測、監(jiān)管

應(yīng)建立減氧空氣膜分離組件評價檢測裝置，可在線檢測膜組件各項參數(shù)，針對油田不同區(qū)塊的減氧空氣純度要求，評估減氧空氣膜設(shè)備的安全運行情況。對油田減氧設(shè)備運營情況進(jìn)行檢測評估，出具安全評估檢測報告。油田減氧設(shè)備運營情況應(yīng)由專門技術(shù)人員進(jìn)行檢測評估，定時出具安全評估檢測報告，保障減氧設(shè)備安全運行。對不符合安全規(guī)范的設(shè)備，提供整改方案，監(jiān)督指導(dǎo)完成整改工作。

2.3 減氧空氣純度控制技術(shù)

減氧空氣純度控制應(yīng)具備在線實時自檢功能，通過調(diào)節(jié)純度控制閥實現(xiàn)減氧氣的氧含量在設(shè)定范圍內(nèi)。在線氧分析儀連續(xù)檢測氧氣在減氧空氣中的含量，并將信號發(fā)送給PLC（可編程控制器）。設(shè)備應(yīng)能在啟動10 min內(nèi)達(dá)到合格的減氧空氣純度。應(yīng)設(shè)有自動放空閥，當(dāng)減氧空氣含氧量超出設(shè)定值時，立即自動將不合格的減氧空氣排向大氣，從而確保注氣安全。當(dāng)減氧空氣合格后，系統(tǒng)自動打開供氣氣閥，關(guān)閉放空閥，恢復(fù)減氧空氣的供應(yīng)。

2.4 減氧空氣監(jiān)測要求

氧氣含量檢測可選用離子流在線氧氣分析儀，氧氣測量精度為±0.1%，傳感器的壽命為5 a，可測定的氧氣含量范圍為0.1%～25%。

流量監(jiān)測可配置在線流量顯示儀表和壓力修正變送器，在觸摸屏上可直讀減氧空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的瞬時流量和累計流量。

壓力監(jiān)測包括減氧膜組進(jìn)氣壓力和膜組排氣壓力。

減氧空氣膜設(shè)備需要具備操作溫度異常自動報警保護(hù)，減氧空氣氧含量超標(biāo)報警與排放的自動切換的功能。

3 結(jié)論及建議

本文描述了驅(qū)油用膜分離減氧空氣膜分離組件的進(jìn)氣要求、濾芯選用標(biāo)準(zhǔn)、過濾器排污系統(tǒng)設(shè)計、除水系統(tǒng)（冷干機(jī)）設(shè)計、活性炭過濾器設(shè)計選型、主要損耗件更換、減氧空氣膜分離組件選用等方面的技術(shù)要求。該技術(shù)要求在結(jié)合國內(nèi)外20多年的設(shè)計、選型、集成、制造與現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上整理完成。按此技術(shù)要求實施，可提升保障驅(qū)油用膜分離減氧空氣設(shè)備的安全運行和服務(wù)周期；降低膜分離減氧空氣設(shè)備的運行和維護(hù)成本，使減氧空氣驅(qū)技術(shù)更具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。因此，建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出完整的技術(shù)方案，并在油田開展一項減氧空氣膜分離裝置的示范工程。