廖廣志 吳浩 王紅莊 黨延齋 徐連祿 張哲 解紅軍

（1.中國石油勘探與生產分公司；2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；3.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院；4.中國膜工業(yè)協會石化專委會；5.天邦膜技術國家工程研究中心）

0 引言

目前我國大部分油藏開發(fā)已經進入中后期，產量開始遞減，存在油井含水率高、常規(guī)注水技術挖潛困難、投入產出比小等問題?！疤岣邌尉a量，提高采收率，降低開發(fā)成本”是石油工業(yè)的永恒主題。研究和發(fā)展提高采收率技術已成為保證石油工業(yè)產量持續(xù)穩(wěn)定增長的戰(zhàn)略性任務。近年來，隨著開采技術的突破，越來越多的新型驅油方式逐步開始了現場試驗及工業(yè)化推廣［1］。注氣開發(fā)（如注天然氣、二氧化碳、氮氣、空氣等）已被證明是一種高效的提高采收率技術?？諝怛屢驓庠簇S富、成本低廉在油田后期開發(fā)具有廣闊的應用前景。但是，由于空氣中氧氣的存在，使得該技術在停注重啟、洗井切換等生產操作中具有一定的爆炸風險。國內外多位專家應用理論和經驗公式對油氣-空氣混合物爆炸邊界條件開展研究［2-3］，分析了空氣驅生產過程中可能存在的安全隱患，提出了直接安全防護措施，即減氧空氣驅。

減氧空氣驅是向油藏注入氧氣含量（體積分數）為 2%～10%［4］的空氣，通過補充地層能量、降低原油黏度、形成煙道氣驅來驅動原油的一種提高采收率的技術［5］，也可用于二次、三次采油。通過調整注入方式或改變減氧空氣與泡沫注入比，減氧空氣驅適用于低滲、超低滲、中高滲，以及稀油、稠油等多種類型油藏。低成本減氧空氣制取技術則是該開發(fā)方式進一步推廣應用的關鍵。

1 減氧空氣制取技術初選

采用空分技術將空氣分離出部分氧氣制備氮氣即可獲得減氧空氣。空分技術主要有深冷分離、膜分離和變壓吸附分離技術。

1.1 深冷分離技術

深冷分離法是一種傳統(tǒng)制氮技術。根據空氣中氧氣和氮氣的沸點不同，將液化空氣在精餾塔中進行精餾，達到氧氮分離的目的。該技術制得的氮氣純度高、量大，但工藝流程復雜，占地面積大，一次性投資較高，操作維護要求高，運行費用高且產品儲運困難。因此，油田開發(fā)驅油用減氧空氣不宜采用這種工藝。

1.2 變壓吸附分離技術

變壓吸附制氮是20世紀70年代開發(fā)的一種適宜中小規(guī)模制氮的常溫空分技術。其原理是利用分子篩對不同氣體分子“吸附”性能的差異從而將氣體混合物分開。以空氣為原料，采用充滿微孔的碳分子篩作為吸附劑，在一定壓力下，利用空氣中氧、氮在碳分子篩表面的吸附量差異，即碳分子篩對氧的擴散吸附遠大于氮，將空氣中的氮和氧分離出來。通過加壓吸附、減壓脫附的過程，完成氧氮分離［6］。

與深冷分離法相比，變壓吸附技術具有工藝流程簡單、操作簡便、投資較省等優(yōu)點。但由于碳分子篩強度較低，工作壓力一般為0.7～1.0 MPa。在制取減氧空氣時，由于所需壓力一般大于1.2 MPa，碳分子篩在大氣流沖刷下易粉化，造成沸碳。

1.3 膜分離技術

膜分離技術是以分離膜為核心，利用各種氣體在高分子膜上滲透速率的不同而實現氣體分離。膜分離推動力為氣體在膜兩側的分壓差，氣體分子首先被吸附并溶解于膜的高壓側表面，借助于濃度梯度在膜中擴散，最后從膜的低壓側解析出來［7-8］。小分子和極性較強的分子（如氧氣）通過速度較快，在膜的滲透側被富集；大分子和極性較弱的分子（如氮氣）通過速度較慢，積聚在膜的滯留側被富集，從而實現混合氣體分離。膜分離器是將成千上萬根中空纖維分離膜集裝在一個殼內，結構類似于列管式換熱器，如圖1所示。

圖1 膜分離器結構

膜分離器可以在最小的空間內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。同時，膜分離技術沒有相變、無需再生，設備簡單，操作及維護費用低。

1.4 三種減氧空氣制取技術分析

經研究得出的深冷分離、膜分離和變壓吸附空分技術制取減氧空氣的適用界限見圖 2，技術性能對比如表1所示［9］。由表1可以看出，膜分離法和變壓吸附法均可應用于驅油用減氧空氣制取。

圖2 空分技術制取減氧空氣的適用界限

表1 三種減氧空氣（氮氣）技術性能對比

2 膜分離和變壓吸附減氧空氣制取技術對比

2.1 膜分離法工藝流程

膜分離空分制氮（減氧）工藝流程為：空氣經壓縮機壓縮至 1.2～2.4 MPa，冷卻后進入氣液分離器、精密過濾器、冷凍式干燥機除去液體、油霧；再經過一級超精密過濾器和一級活性炭過濾器過濾，脫除固體顆粒物和油霧，將壓縮空氣中的油含量降低到0.01 mg/L以下，并除去直徑大于0.01 μm的固體顆粒物。凈化后的壓縮空氣經空氣換熱器加熱，在一定壓力和溫度下，在膜分離器內進行氧氮分離，最終得到壓力略低于進氣壓力的高壓氮氣（一般較進氣壓力低0.1～0.2 MPa），氮氣濃度可達99%以上，氮氣露點可以達到-40 ℃。工藝流程見圖3。

圖3 膜分離法工藝流程

2.2 變壓吸附法工藝流程

原料空氣經壓縮機壓縮至 0.7～1.0 MPa，經過氣液分離器、高效除油器除去大部分油、水、塵埃；進入冷凍式干燥機，使壓縮空氣的壓力露點降至2～8 ℃，除去大量的水分；再經過精密過濾器和活性炭過濾器進一步除去油氣后進入儲氣罐緩沖，通過填裝吸附劑的變壓吸附分離系統(tǒng)進行凈化。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進入，氣流經空氣擴散器擴散后，均勻進入吸附塔，進行氧氮吸附分離，最后從出口端流出氮氣，進入氮氣緩沖罐。制氮過程約1 min，吸附劑經均壓和減壓至常壓，脫除所吸附的雜質組分（主要為氧氣），完成吸附劑的再生。氮氣壓力較進氣壓力低0.2～0.3 MPa，氮氣常壓露點為-40 ℃。圖4為變壓吸附法工藝流程示意圖。

圖4 變壓吸附法工藝流程

2.3 經濟性對比

膜分離和變壓吸附減氧空氣技術的經濟性對比見表2。表2中，膜分離法膜數據按UBE膜工作溫度40 ℃條件計；裝置運行電費按0.8元/（kW·h）計；壓縮空氣按二級能效螺桿壓縮機在1.2 MPa下比功率9.2 kW/（m3/min）計；運輸保險費用按每年300天計；人工費用按一套設備4個工作人員計算，未含管理費用。由表2可知，在對比工況條件下，制取氧氣含量為 5%～10%的減氧空氣時膜分離法經濟性較好，制取氧氣含量 2%～5%的減氧空氣時變壓吸附法經濟性較好。與變壓吸附法相比，膜分離法因其機動性好、成本低等顯著優(yōu)勢，尤其適用于制取中小氣量、氧氣純度低的減氧空氣，可廣泛應用于中小規(guī)模集中建站，以及分開注入、井場注入和車載式注入等多種使用場合［10］，特別適宜于油田二次、三次采油用減氧空氣的制取。

表2 膜分離和變壓吸附制氮（減氧）技術性能對比

3 空分減氧膜的選用

空分減氧膜的性能優(yōu)劣是由膜材料及其結構、制備工藝決定的。膜材料除了要具有優(yōu)良的滲透性，還需要具有良好的耐溫性、耐污染性及較高機械強度。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、聚酰亞胺和聚酰胺等。為了獲得較大的滲透流量，除選用滲透系數較大膜材料之外，還要將膜表層制作得非常薄，因此高分子膜一般是復合膜，膜結構如圖5所示。

圖5 復合膜結構示意圖

膜主要具有分離透過特性和物理化學特性。分離透過性包括分離系數和分離滲透速率；物理化學特性包括耐油污染性、耐熱性、耐有機強度和機械強度等。耐油污染性是空分減氧膜非常重要的特性，由膜材料和膜結構決定。一般親油性膜被油氣污染后會膨脹，油氣進入中空纖維內部，導致分離系數降低，滲透速率提高，現場應用中表現為耗氣量增加。親油性膜污染后不可修復，需要更換全部膜組件以恢復產能。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，現場應用表現為產氣量及耗氣量均降低，但疏油性膜可根據受污染情況和膜材料特性進行再生修復。

國內市場氮氣膜組件主要有美國空氣產品公司Prism膜、美國捷能公司Generon膜、法國液化空氣公司Medal膜、荷蘭Parker膜、日本宇部和天邦膜技術國家工程研究中心 TBM-UBE膜，各種膜的性能比較見表3。

表3 常用膜性能比較

為了保證空分膜減氧設備安全、穩(wěn)定、長周期運行，應盡可能選用耐油污染性強、適應溫度范圍寬（可在-40～80 ℃溫度下工作）、滲透性好，且可修復的中空纖維膜組件，適用于驅油用減氧空氣制備的膜有日本宇部和天邦膜技術國家工程研究中心的TBM-UBE膜。

目前中國石油天然氣集團有限公司（簡稱中國石油）正在研制開發(fā)5×104～20×104m3/d空分膜減氧一體化成套裝置。中國石油集團濟柴動力有限公司成都壓縮機分公司與天邦膜技術國家工程研究中心有限責任公司合作已為青海油田分公司設計制造了一套 5×104m3/d高壓空分膜減氧一體化成套裝置，該裝置要求能適應高海拔、大風沙等環(huán)境條件。隨著空分膜減氧一體化成套裝置系列化產品的研制與建成運行，必將大力助推中國石油減氧空氣驅油技術的工業(yè)化推廣和發(fā)展。

4 結束語

油田開發(fā)二次、三次采油用減氧空氣（氧氣含量5%～10%）采用膜分離和變壓吸附法在技術上均可行，膜分離法經濟性較優(yōu)，尤其適用于減氧空氣驅。

油田開發(fā)現場應用時發(fā)現，與變壓吸附法相比，膜分離制取減氧空氣技術具有無噪音、連續(xù)運行可靠性高、能耗低、開停機快速、在較惡劣環(huán)境下可運行等顯著優(yōu)點。

石油開采行業(yè)盡可能選用耐油污染性強、適應溫度范圍寬且可修復的中空纖維膜組件，以保證空分膜減氧設備安全、穩(wěn)定、長周期運行。國內已具備空分膜減氧設備的工業(yè)化生產能力。