專利名稱：基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)及其制氮工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)及其制氮工藝。
背景技術：
氣體鉆井(根據使用循環(huán)介質的不同)一般可分為:空氣鉆井、氮氣鉆井、天然氣鉆井、尾氣鉆井等不同種類，其中尤以空氣鉆井以空氣的廉價性、無限性、易得性而具有別的氣體鉆井形式無法比擬的優(yōu)勢。但對空氣鉆井，由于空氣中含有大量助燃劑氧氣，當使用空氣鉆井至儲層附近時，很容易與儲層附近的易燃氣體混合而被點燃繼而產生燃燒或爆炸。氣體鉆井就是采用以氣體為主要循環(huán)流體的欠平衡鉆井技術。20世紀30年代的美國開始研究氣體鉆井技術。但由于當時的技術水平、裝備及認識等原因，沒有得到規(guī)?；瘧?。直至20世紀60年代，隨著空氣鉆井馬達等的問世以及各種設備的不斷完善，氣體鉆井技術又重新受到人們的重視。

氮氣鉆井作為氣體鉆井的一種，因其不僅具有氣體鉆井技術的優(yōu)越性；具有鉆井介質的廉價性、無限性、而且具有遇可燃氣體不發(fā)生燃燒或爆炸的安全性及防止腐蝕、延長鉆頭壽命、提高鉆達井深的成功率、大大降低鉆探成本等優(yōu)勢，而成為近幾年油氣開發(fā)研究者們非常關注的課題之一。而制氮設備作為氮氣鉆井中制取鉆井介質——氮氣的關鍵設備也就越來越多的受到人們的重視。近幾年以來，隨著制膜工藝的不斷發(fā)展，膜分離制氮成為制取氮氣的一種新型科學制氮方法。膜分離法制氮的研究和發(fā)展推動了膜分離制氮設備的發(fā)展，給氮氣鉆井注入了新的活力，大大加快了氮氣鉆井的推廣應用。隨著空氣鉆井技術的日益成熟，作為其配套使用或者說必要輔助手段的氮氣鉆井技術的提高也越來越受到人們的重視。與空氣鉆井比較，氮氣鉆井技術的關鍵即氮氣生產設備。氮氣生產設備的各項性能指標的提高可使氮氣鉆井技術得以更廣泛使用，從而有效地解決儲層或某些特殊工況情況下可能產生的井下燃燒和爆炸以及鉆井施工中的惡性井漏，壓差卡鉆、鉆井速度慢等技術性難題，能在鉆進油氣層井段時，做到“零污染”，對于及時保護和發(fā)現(xiàn)低壓、低飽和、低滲透率油層(油氣藏)，對提高油井單井產量和采收率具有顯著效果，并可提高鉆速5-10倍。因此，通過對當前現(xiàn)有裝置進行分析研究，找出其存在的不足和缺點，從而對其進行改進，以達到使其結構布局合理、降低成本、使用維護方便、能耗低、壓力損失小等技術指標，就顯得尤為重要和迫切。這樣不僅降低了設備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進、更科學、取得更高的經濟效益和社會效益提供了生產先進生產設備的基礎。氮氣鉆井是欠平衡鉆井技術的一種，它的循環(huán)流體是干燥氮氣。氮氣鉆井首次使用是在二十世紀中后期。我國的氮氣鉆井技術研究始于上個世紀八十年代，雖然取得一些成果，但因制氮設備未能解決，使研究出的成果難以轉化為生產力，沒有得到及時應用。上個世紀九十年代，隨著制氮工藝的發(fā)展和制氮設備的研制成功，氮氣鉆井技術的研究與應用又一次被廣泛重視起來。首先是遼河油田試用成功，逐步推廣到勝利、江漢等油田，但當時還未用在欠平衡鉆井上。直到2000年12月，勝利油田鉆井四公司一先進鉆井隊用國產鉆機鉆探的云南武定縣云參科研一井，首次采用氮氣鉆井技術鉆進，獲得一次成功，開了先河。此后，氮氣鉆井技術在吐哈、新疆、四川、遼河、江漢等油田分別獲得成功。2004年至2005年，吐哈油田欠平衡鉆井技術得到迅速發(fā)展，先后在窿14井、中石化鄂爾多斯D12-1井、紅臺2-15井、紅臺2-17井、紅臺2-4井等8 口井采用欠平衡鉆井技術，其中有5 口井在儲層段進行全過程欠平衡純氮氣鉆井。其中紅臺2-15井是國內首次進行全過程欠平衡純氮氣鉆井，取得顯著效果，獲得的高產油氣流是常規(guī)鉆井的10-15倍。證實了這項新技術在油田勘探開發(fā)中有良好的經濟效益和廣闊的推廣應用前景。盡管當前我國的一些油氣田已經采用了氮氣鉆井對油氣井進行開采，并取得一些成績，但與國外相比，目前我國氮氣鉆井的差距仍然較大，這不僅反映在技術裝備的配套和研制水平上，還反映在工藝方法和基礎理論研究上，而且在多工藝綜合技術上尚未起步。當前階段，隨著制造氮氣的技術在國內外的不斷發(fā)展，尤其膜制氮技術，以其獨特的優(yōu)勢脫穎而出，成為氮氣鉆井中氮氣制造的主要技術方法，并推動了氮氣制造設備的不斷發(fā)展。氮氣制造設備首先在美國和加拿大等國生產制造，其中比較出名的有西梅卡、柏美亞公司，這兩家膜分離氮氣生產設備公司于20世紀90年代中期進入我國，現(xiàn)在均都已擁有多家分公司。我國的很多油田現(xiàn)用制氮設備均來自這些公司。我國當前也有一些公司可生產膜分離制氮設備，但油氣鉆井用膜分離制氮設備當前國內還沒有廠家生產。但無論外國設備還是國產設備當前階段都有局限于滿足使用要求的設計思路，這樣內部結構的科學性、設備的效率、耗能控制、使用維護的方便性、某些部件的合理性等問題都有待改善和提高，尤其在線檢測還是該類產品的一個空白。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點和不足，提供一種基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，該基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)不僅降低了設備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進、更科學、取得更高的經濟效益和社會效益提供了生產先進生產設備的基礎。本發(fā)明的另一目的是提供了一種基于上述制氮系統(tǒng)的制氮工藝。本發(fā)明的目的通過下述技術方案實現(xiàn):基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，主要由依次相連通的空氣壓縮機、后冷卻器、空氣緩沖灌、過濾器組、加熱器、膜管組、氮氣緩沖灌構成，所述空氣壓縮機與空氣源相連，氮氣緩沖灌與用戶終端相連。所述后冷卻器的進氣口設置有溫度測控器及空壓保護閥。所述過濾器組由4個過濾器組合而成。所述加熱器為電加熱器。
所述加熱器和膜管組之間設置有氣動球閥。所述膜管組和氮氣緩沖灌之間依次設置有單向閥、純度控制閥、背壓閥、氮氣流量計、放空閥。所述氮氣緩沖灌的出口設置有手動球閥和三通管?；谏鲜鲋频到y(tǒng)的制氮工藝，其特征在于，包括以下步驟:
(a)外部空氣通過空氣壓縮機壓縮后，進入后冷卻器；(b)后冷卻器對進入的壓縮空氣進行降溫，經后冷卻器降溫后流出的壓縮空氣進入空氣緩沖灌；(c)壓縮空氣經緩沖后由空氣緩沖灌進入過濾器組，經過濾器組過濾后，潔凈空氣進入加熱器；(d)潔凈空氣在加熱器中被加熱后進入膜管組；(e)膜管組將經前期處理的空氣進行分離，得到純度達95%以上的氮氣；(f)所得氮氣經單向閥、氮氣流量計、放空閥進入氮氣緩沖灌，穩(wěn)定的氮氣流由其出氣口送至用戶終端。所述步驟(a)中，外部空氣經空氣壓縮機壓縮至壓力為2.4MPa。所述步驟(d)中，潔凈空氣在加熱器中被加熱至50°C。綜上所述，本發(fā)明的有益效果是:不僅降低了設備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進、更科學、取得更高的經濟效益和社會效益提供了生產先進生產設備的基礎。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例:如圖1所示，本發(fā)明涉及的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，主要由依次相連通的空氣壓縮機1、后冷卻器2、空氣緩沖灌3、過濾器組4、加熱器5、膜管組6、氮氣緩沖灌7構成，所述空氣壓縮機I與空氣源相連，氮氣緩沖灌7與用戶終端相連。所述后冷卻器2的進氣口設置有溫度測控器及空壓保護閥。所述過濾器組4由4個過濾器組合而成。所述加熱器5為電加熱器。所述加熱器5和膜管組6之間設置有氣動球閥10。所述膜管組6和氮氣緩沖灌7之間依次設置有單向閥11、純度控制閥12、背壓閥13、氮氣流量計14、放空閥15。所述氮氣緩沖灌7的出口設置有手動球閥和三通管。基于上述制氮系統(tǒng)的制氮工藝，其特征在于，包括以下步驟:(a)外部空氣通過空氣壓縮機I壓縮后，進入后冷卻器2 ； (b)后冷卻器2對進入的壓縮空氣進行降溫，經后冷卻器2降溫后流出的壓縮空氣進入空氣緩沖灌3 ；(c)壓縮空氣經緩沖后由空氣緩沖灌3進入過濾器組4， 經過濾器組4過濾后，潔凈空氣進入加熱器5 ；(d)潔凈空氣在加熱器5中被加熱后進入膜管組6 ；
(e)膜管組6將經前期處理的空氣進行分離，得到純度達95%以上的氮氣；(f)所得氮氣經單向閥、氮氣流量計、放空閥進入氮氣緩沖灌7，穩(wěn)定的氮氣流由其出氣口送至用戶終端。所述步驟(a)中，外部空氣經空氣壓縮機I壓縮至壓力為2.4MPa。所述步驟(d)中，潔凈空氣在加熱器5中被加熱至50°C。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，凡是依據本發(fā)明的技術實質，對 以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，主要由依次相連通的空氣壓縮機(I)、后冷卻器(2)、空氣緩沖灌(3)、過濾器組(4)、加熱器(5)、膜管組￠)、氮氣緩沖灌(7)構成，所述空氣壓縮機(I)與空氣源相連，氮氣緩沖灌(7)與用戶終端相連。
2.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述后冷卻器(2)的進氣口設置有溫度測控器及空壓保護閥。
3.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述過濾器組(4)由4個過濾器組合而成。
4.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器(5)為電加熱器。
5.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱器(5)和膜管組(6)之間設置有氣動球閥(10)。
6.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述膜管組(6)和氮氣緩沖灌(7)之間依次設置有單向閥(11)、純度控制閥(12)、背壓閥(13)、氮氣流量計(14)、放空閥(15)。
7.根據權利要求1所述的基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)，其特征在于，所述氮氣緩沖灌(7)的出口設置有手動球閥和三通管。
8.基于上述制氮系統(tǒng)的制氮工藝，其特征在于，包括以下步驟: (a)外部空氣通過空氣壓縮機(I)壓縮后，進入后冷卻器(2); (b)后冷卻器(2)對進 入的壓縮空氣進行降溫，經后冷卻器(2)降溫后流出的壓縮空氣進入空氣緩沖灌(3)； (c)壓縮空氣經緩沖后由空氣緩沖灌(3)進入過濾器組(4)，經過濾器組(4)過濾后，潔凈空氣進入加熱器(5)； (d)潔凈空氣在加熱器(5)中被加熱后進入膜管組(6)； (e)膜管組(6)將經前期處理的空氣進行分離，得到純度達95%以上的氮氣； (f)所得氮氣經單向閥、氮氣流量計、放空閥進入氮氣緩沖灌(7)，穩(wěn)定的氮氣流由其出氣口送至用戶終端。
9.根據權利要求8所述的制氮工藝，其特征在于，所述步驟(a)中，外部空氣經空氣壓縮機(I)壓縮至壓力為2.4MPa。
10.根據權利要求8所述的制氮工藝，其特征在于，所述步驟(d)中，潔凈空氣在加熱器(5)中被加熱至50°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)。該基于膜分離原理的制氮系統(tǒng)主要由依次相連通的空氣壓縮機(1)、后冷卻器(2)、空氣緩沖灌(3)、過濾器組(4)、加熱器(5)、膜管組(6)、氮氣緩沖灌(7)構成，所述空氣壓縮機(1)與空氣源相連，氮氣緩沖灌(7)與用戶終端相連。本發(fā)明還公開了一種基于上述制氮系統(tǒng)的制氮工藝。本發(fā)明不僅降低了設備制造成本，降低能量消耗，推動膜制氮裝置的更廣泛應用，而且為我國氮氣鉆井的普及，油氣開采工藝更先進、更科學、取得更高的經濟效益和社會效益提供了生產先進生產設備的基礎。
文檔編號C01B21/04GK103101890SQ20111038515
公開日2013年5月15日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權日2011年11月14日
發(fā)明者母東艷 申請人:母東艷