驱油用减氧空气制取技术优选

时间：2024-07-28

廖广志吴浩王红庄党延斋徐连禄张哲解红军

（1.中国石油勘探与生产分公司；2.中国石油天然气股份有限公司规划总院；3.中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院；4.中国膜工业协会石化专委会；5.天邦膜技术国家工程研究中心）

0 引言

目前我国大部分油藏开发已经进入中后期，产量开始递减，存在油井含水率高、常规注水技术挖潜困难、投入产出比小等问题。“提高单井产量，提高采收率，降低开发成本”是石油工业的永恒主题。研究和发展提高采收率技术已成为保证石油工业产量持续稳定增长的战略性任务。近年来，随着开采技术的突破，越来越多的新型驱油方式逐步开始了现场试验及工业化推广［1］。注气开发（如注天然气、二氧化碳、氮气、空气等）已被证明是一种高效的提高采收率技术。空气驱因气源丰富、成本低廉在油田后期开发具有广阔的应用前景。但是，由于空气中氧气的存在，使得该技术在停注重启、洗井切换等生产操作中具有一定的爆炸风险。国内外多位专家应用理论和经验公式对油气-空气混合物爆炸边界条件开展研究［2-3］，分析了空气驱生产过程中可能存在的安全隐患，提出了直接安全防护措施，即减氧空气驱。

减氧空气驱是向油藏注入氧气含量（体积分数）为 2%～10%［4］的空气，通过补充地层能量、降低原油黏度、形成烟道气驱来驱动原油的一种提高采收率的技术［5］，也可用于二次、三次采油。通过调整注入方式或改变减氧空气与泡沫注入比，减氧空气驱适用于低渗、超低渗、中高渗，以及稀油、稠油等多种类型油藏。低成本减氧空气制取技术则是该开发方式进一步推广应用的关键。

1 减氧空气制取技术初选

采用空分技术将空气分离出部分氧气制备氮气即可获得减氧空气。空分技术主要有深冷分离、膜分离和变压吸附分离技术。

1.1 深冷分离技术

深冷分离法是一种传统制氮技术。根据空气中氧气和氮气的沸点不同，将液化空气在精馏塔中进行精馏，达到氧氮分离的目的。该技术制得的氮气纯度高、量大，但工艺流程复杂，占地面积大，一次性投资较高，操作维护要求高，运行费用高且产品储运困难。因此，油田开发驱油用减氧空气不宜采用这种工艺。

1.2 变压吸附分离技术

变压吸附制氮是20世纪70年代开发的一种适宜中小规模制氮的常温空分技术。其原理是利用分子筛对不同气体分子“吸附”性能的差异从而将气体混合物分开。以空气为原料，采用充满微孔的碳分子筛作为吸附剂，在一定压力下，利用空气中氧、氮在碳分子筛表面的吸附量差异，即碳分子筛对氧的扩散吸附远大于氮，将空气中的氮和氧分离出来。通过加压吸附、减压脱附的过程，完成氧氮分离［6］。

与深冷分离法相比，变压吸附技术具有工艺流程简单、操作简便、投资较省等优点。但由于碳分子筛强度较低，工作压力一般为0.7～1.0 MPa。在制取减氧空气时，由于所需压力一般大于1.2 MPa，碳分子筛在大气流冲刷下易粉化，造成沸碳。

1.3 膜分离技术

膜分离技术是以分离膜为核心，利用各种气体在高分子膜上渗透速率的不同而实现气体分离。膜分离推动力为气体在膜两侧的分压差，气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧表面，借助于浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解析出来［7-8］。小分子和极性较强的分子（如氧气）通过速度较快，在膜的渗透侧被富集；大分子和极性较弱的分子（如氮气）通过速度较慢，积聚在膜的滞留侧被富集，从而实现混合气体分离。膜分离器是将成千上万根中空纤维分离膜集装在一个壳内，结构类似于列管式换热器，如图1所示。

图1 膜分离器结构

膜分离器可以在最小的空间内提供最大的分离膜表面积，故而膜分离系统具有占地面积小、重量轻、分离效率高等优点。同时，膜分离技术没有相变、无需再生，设备简单，操作及维护费用低。

1.4 三种减氧空气制取技术分析

经研究得出的深冷分离、膜分离和变压吸附空分技术制取减氧空气的适用界限见图 2，技术性能对比如表1所示［9］。由表1可以看出，膜分离法和变压吸附法均可应用于驱油用减氧空气制取。

图2 空分技术制取减氧空气的适用界限

表1 三种减氧空气（氮气）技术性能对比

2 膜分离和变压吸附减氧空气制取技术对比

2.1 膜分离法工艺流程

膜分离空分制氮（减氧）工艺流程为：空气经压缩机压缩至 1.2～2.4 MPa，冷却后进入气液分离器、精密过滤器、冷冻式干燥机除去液体、油雾；再经过一级超精密过滤器和一级活性炭过滤器过滤，脱除固体颗粒物和油雾，将压缩空气中的油含量降低到0.01 mg/L以下，并除去直径大于0.01 μm的固体颗粒物。净化后的压缩空气经空气换热器加热，在一定压力和温度下，在膜分离器内进行氧氮分离，最终得到压力略低于进气压力的高压氮气（一般较进气压力低0.1～0.2 MPa），氮气浓度可达99%以上，氮气露点可以达到-40 ℃。工艺流程见图3。

图3 膜分离法工艺流程

2.2 变压吸附法工艺流程

原料空气经压缩机压缩至 0.7～1.0 MPa，经过气液分离器、高效除油器除去大部分油、水、尘埃；进入冷冻式干燥机，使压缩空气的压力露点降至2～8 ℃，除去大量的水分；再经过精密过滤器和活性炭过滤器进一步除去油气后进入储气罐缓冲，通过填装吸附剂的变压吸附分离系统进行净化。洁净的压缩空气由吸附塔底端进入，气流经空气扩散器扩散后，均匀进入吸附塔，进行氧氮吸附分离，最后从出口端流出氮气，进入氮气缓冲罐。制氮过程约1 min，吸附剂经均压和减压至常压，脱除所吸附的杂质组分（主要为氧气），完成吸附剂的再生。氮气压力较进气压力低0.2～0.3 MPa，氮气常压露点为-40 ℃。图4为变压吸附法工艺流程示意图。

图4 变压吸附法工艺流程

2.3 经济性对比

膜分离和变压吸附减氧空气技术的经济性对比见表2。表2中，膜分离法膜数据按UBE膜工作温度40 ℃条件计；装置运行电费按0.8元/（kW·h）计；压缩空气按二级能效螺杆压缩机在1.2 MPa下比功率9.2 kW/（m3/min）计；运输保险费用按每年300天计；人工费用按一套设备4个工作人员计算，未含管理费用。由表2可知，在对比工况条件下，制取氧气含量为 5%～10%的减氧空气时膜分离法经济性较好，制取氧气含量 2%～5%的减氧空气时变压吸附法经济性较好。与变压吸附法相比，膜分离法因其机动性好、成本低等显著优势，尤其适用于制取中小气量、氧气纯度低的减氧空气，可广泛应用于中小规模集中建站，以及分开注入、井场注入和车载式注入等多种使用场合［10］，特别适宜于油田二次、三次采油用减氧空气的制取。

表2 膜分离和变压吸附制氮（减氧）技术性能对比

3 空分减氧膜的选用

空分减氧膜的性能优劣是由膜材料及其结构、制备工艺决定的。膜材料除了要具有优良的渗透性，还需要具有良好的耐温性、耐污染性及较高机械强度。商业用材料大多为耐高温的玻璃态高分子膜，如醋酸纤维素、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺和聚酰胺等。为了获得较大的渗透流量，除选用渗透系数较大膜材料之外，还要将膜表层制作得非常薄，因此高分子膜一般是复合膜，膜结构如图5所示。

图5 复合膜结构示意图

膜主要具有分离透过特性和物理化学特性。分离透过性包括分离系数和分离渗透速率；物理化学特性包括耐油污染性、耐热性、耐有机强度和机械强度等。耐油污染性是空分减氧膜非常重要的特性，由膜材料和膜结构决定。一般亲油性膜被油气污染后会膨胀，油气进入中空纤维内部，导致分离系数降低，渗透速率提高，现场应用中表现为耗气量增加。亲油性膜污染后不可修复，需要更换全部膜组件以恢复产能。疏油性膜被油污染后，油气会在中空纤维表面覆盖，膜的渗透率降低，现场应用表现为产气量及耗气量均降低，但疏油性膜可根据受污染情况和膜材料特性进行再生修复。

国内市场氮气膜组件主要有美国空气产品公司Prism膜、美国捷能公司Generon膜、法国液化空气公司Medal膜、荷兰Parker膜、日本宇部和天邦膜技术国家工程研究中心 TBM-UBE膜，各种膜的性能比较见表3。

表3 常用膜性能比较

为了保证空分膜减氧设备安全、稳定、长周期运行，应尽可能选用耐油污染性强、适应温度范围宽（可在-40～80 ℃温度下工作）、渗透性好，且可修复的中空纤维膜组件，适用于驱油用减氧空气制备的膜有日本宇部和天邦膜技术国家工程研究中心的TBM-UBE膜。

目前中国石油天然气集团有限公司（简称中国石油）正在研制开发5×104～20×104m3/d空分膜减氧一体化成套装置。中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司与天邦膜技术国家工程研究中心有限责任公司合作已为青海油田分公司设计制造了一套 5×104m3/d高压空分膜减氧一体化成套装置，该装置要求能适应高海拔、大风沙等环境条件。随着空分膜减氧一体化成套装置系列化产品的研制与建成运行，必将大力助推中国石油减氧空气驱油技术的工业化推广和发展。