鄭富林，黃濤，李建奎，于鳳麗，趙杰

（山東恒業(yè)石油新技術(shù)應(yīng)用有限公司，山東 東營 257000）

油田經(jīng)過多年開采，地層虧空嚴(yán)重，稠油油田原油粘度大，流動性差，不易開采，原油產(chǎn)量逐漸下降[1-3]。針對上述問題，需要向地層注入能量，常規(guī)方法之一為注入一定壓力的常溫氮氣，以增加地層能量，實現(xiàn)途徑為：通過某種氣體制備方法，獲得高純度（約95%-99%）氮氣，經(jīng)過壓縮機的增壓，將壓力升至25MPa～35MPa左右，將約35～45℃溫度的氮氣注入地層，提高地層能量，以達(dá)到原油增產(chǎn)目的[4-9]。

油田氮氣增產(chǎn)的氮氣制備技術(shù)路線有變壓吸附法（PSA）、膜分離法、低溫法等。前些年，油田氮氣增產(chǎn)領(lǐng)域使用較多的設(shè)備是膜分離制氮-增壓車，運行較為穩(wěn)定，但是一臺制氮增壓車的購置成本約為700～800萬，且維護(hù)保養(yǎng)非常昂貴，膜管的采購周期長，究其原因在于作為核心制氮部件的膜管主要依賴進(jìn)口品牌，例如PRISM、UBE、GENERON、MEDAL等，且膜管對壓縮空氣的潔凈度要求非常高，會增加壓縮空氣處理的工藝流程復(fù)雜度[10-13]。近年來，由于國際形勢有所變化，我國在諸多領(lǐng)域面臨“卡脖子”的難題，不能再單純依賴進(jìn)口膜管完成氮氣制備。與此同時，我國以碳分子篩為代表的吸附劑技術(shù)不斷取得突破，性能達(dá)到甚至超過進(jìn)口碳分子篩，為我國自研PSA制注氮設(shè)備奠定了基礎(chǔ)[14]。由于PSA法制氮設(shè)備購置和維護(hù)成本較低，涉及部件全部國產(chǎn)化，純度較高等特點，在原油增產(chǎn)市場的占有率逐年升高，引起了各方重視。然而，PSA法制氮設(shè)備的容器體積龐大，如何更好地撬裝化設(shè)計并符合道路運輸尺寸限制，同時使之適應(yīng)油田現(xiàn)場頻繁運移、低溫大風(fēng)等苛刻工況，成為設(shè)備研發(fā)人員需要重視的課題。

1 制注氮設(shè)備設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場需求調(diào)研分析，筆者提出PSA900-95%-35Q型油田制注氮設(shè)備，設(shè)計性能指標(biāo)如表1：

表1 主要設(shè)計性能參數(shù)

1.1 工藝流程及工作原理

制注氮設(shè)備的工藝流程如圖1所示，空氣由空壓機（CA-01）空濾吸入機頭，壓縮成壓力為1.0MPa的壓縮空氣，后流經(jīng)四級過濾器（F-01～F-04），去除壓縮空氣中絕大部分的粉塵、水滴、油滴，末級過濾精度為0.01μm&0.01ppm，達(dá)標(biāo)后的潔凈壓縮空氣進(jìn)入緩沖罐（TK-01）緩存，流經(jīng)成對工作的吸附塔（AK-01和AK-02，AK-03和AK-04），吸附塔內(nèi)的吸附劑通過氣動角座閥（VL-01～VL-08,VL-11～VL-18）周期性地開啟和關(guān)閉控制吸附-均壓-解吸動作（見表2），從而制備純度95%的氮氣，氮氣流經(jīng)吸附塔頂部出口后匯集至緩沖罐（TK-02），經(jīng)過濾器（F-05）除塵，氧分析儀（AI）完成純度檢測，流量計（FT-01）完成計量，此時若氮氣純度不合格，將由截止閥（VJ-01）放空，若氮氣純度合格（≥95%），氮氣則被吸入氮氣增壓機（CN-01），壓力由0.8MPa升至35MPa，完成氮氣注入井下增產(chǎn)前的制備流程。

圖1 工藝流程圖

吸附塔工作時成對存在，AK-01和AK-02的動作時序如表2所示，另一對吸附塔（AK-03和AK-04）動作時序與前者相同，只是啟動時間滯后25s。吸附動作時，氣動角座閥VL-01/05打開，解吸動作時VL-08打開，均壓時VL-03/04打開，雙塔交替吸附完成制氮動作。

表2 吸附塔動作時序表

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成與特點

圖2 結(jié)構(gòu)布局圖

結(jié)構(gòu)組成方面，空氣壓縮機單獨成撬，置于平板車鵝頸上；緩沖罐、吸附塔、氮氣增壓機、控制柜、變頻柜等成撬后，置于平板車的低平板處，兩撬之間軟管連接；整撬總寬度2.5m，上車總高4m，符合《GB1589-2016》對半掛車限寬2.55m、限高4m的外形尺寸要求[15]。

功能特點方面：1）防噴防粉化：結(jié)合工程實踐設(shè)計了專用的吸附塔內(nèi)件，防止吸附劑隨氣流飄出；吸附劑頂部采用椰棕墊壓緊，可補償吸附劑沉降；2）防風(fēng)砂抗低溫：整撬設(shè)計保溫層罩殼，上翻門結(jié)構(gòu)，下翻門兼用巡檢踏步；3）操作巡檢便利安全：空氣壓縮機控制柜、制氮機控制柜、增壓機變頻柜等操作面板在俯視圖L側(cè)，操作巡檢方便；空氣壓縮機冷卻器熱排風(fēng)、消音器富氧排空和設(shè)備排污朝向W側(cè)，增壓機熱排風(fēng)朝向撬頂，符合HSE管理要求。

成本方面：綜合考慮購置成本和使用維護(hù)成本，PSA制注氮法成本是膜分離制氮的一半左右，更為重要的是，可有利避免在油田制注氮技術(shù)領(lǐng)域被國外“卡脖子”現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 關(guān)鍵部件選型

本設(shè)備選用國產(chǎn)碳分子篩，型號HT1，性能參數(shù)如下：氮氣產(chǎn)能e=500Nm3/(h·t)@95%&0.85MPa，空氮比2.0，堆比重n=660～680Kg/m3；

碳分子篩用量和吸附塔容積計算：氮氣體積流量Q=900Nm3/h，分子篩用量M=Q/e=900/500=1.8t=1800kg，單個吸附塔有效容積v=M/n/4=1800/670/4=0.67m3；

空壓機選型：空氣需求量Qd=2.0*Q=2×900/60=30Nm3/min，選用雙級噴油螺桿空壓機型號S200(VV-D-N-10)，排量34.5Nm3/min，排氣壓力1.0MPa，風(fēng)冷，電機額定功率200kW；

增壓機選型：V型往復(fù)活塞式，型號VF-1.7/8-350，吸氣壓力0.8MPa，排氣壓力35MPa，風(fēng)冷，四級壓縮，電機額定功率185kW；

牽引車選型：鵝頸平板運輸半掛車，驅(qū)動形式6×4，上牌噸位34t，長×寬×高=13m×2.5m×1.6m。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 全性能試驗分析

由于本裝置配備齊全，在增壓機排氣端安裝閥門，調(diào)整開度模擬負(fù)載的前提下，完全具備全性能試驗條件。大氣壓101.3kPa&環(huán)境溫度25℃時，空壓機排氣壓力、制氮排氣壓力、氮氣流量、氮氣純度、增壓機排氣壓力的試驗數(shù)據(jù)如表3所示。試驗結(jié)果表明，當(dāng)空壓機排氣壓力為0.9MPa時，制注氮設(shè)備的增壓機排氣壓力達(dá)到35MPa，氮氣純度95%以上，氮氣流量均值約928Nm3/h，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。

表3 制注氮設(shè)備試驗數(shù)據(jù)

2.2 制氮排量-純度變化規(guī)律

氮氣純度是本套設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)之一，研發(fā)人員對不同純度下該制氮機的制氮流量進(jìn)行了測試。如圖3所示，氮氣排量隨氮氣純度的升高而降低，且純度為95%、96%、97%條件下，氮氣流量變化不大；當(dāng)?shù)獨饧兌雀哂?7%后，氮氣排量急劇下降，純度98%時流量為570Nm3/h，純度99%時流量為450Nm3/h。分析原因，當(dāng)?shù)獨饧兌雀哂?7%后，影響制氮能力的另一因素空氮比起到更大作用，因為空氣壓縮機型號未變，較低的壓縮空氣供應(yīng)嚴(yán)重限制了氮氣的制備，說明該條件下壓縮空氣供應(yīng)量不足。此外，本套設(shè)備不能一味地降低流量而提高純度，由于氮氣增壓機為定頻電機，氮氣流量過低會導(dǎo)致壓縮后的氮氣溫度超溫報警，影響增壓機的正常運轉(zhuǎn)。

圖3 氮氣排量隨純度變化曲線

3 結(jié)語

試驗表明，本文所研制的拖車式PSA油田制注氮增產(chǎn)設(shè)備的各項性能參數(shù)均已達(dá)標(biāo)，滿足油田注氮需求。此外，單拖車形式不但解決了PSA制氮設(shè)備運輸?shù)谋憷裕覍⒂吞镏频O(shè)備的購置成本降至膜分離制氮的一半左右，同時增強了國產(chǎn)設(shè)備自主性。

本設(shè)備制氮流量隨純度升高呈降低趨勢，在滿足道路運輸?shù)那疤嵯?，后續(xù)設(shè)計中加大吸附劑裝填量，加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊性，將氮氣純度由95%提升至99%，研制更高純度的制注氮增產(chǎn)設(shè)備，以適應(yīng)趨嚴(yán)的注氮純度要求，是筆者今后的重點攻關(guān)方向。