[发明专利]用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种制氮系统及制氮方法，尤其涉及一种适用于野外作业的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法，属于工业机械制造领域。

背景技术：

氮气是一种惰性气体，可广泛应用于各种以隔氧为主要目的的工业设备运行过程，由于空气中含有约百分之八十的氮气，所以，氮气便于被采集，随之也出现了各种各样的氮气制造系统。

目前，氮气也早已被广泛应用于油气井的开采、完井及修井，但在油田钻井中的应用却处于初级阶段。事实证明，氮气用于油田钻井效果非常好，主要是由于缺乏适合野外作业和适应恶劣环境的制氮设备。现有的钻井制氮设备一般是碳分子筛变压吸附制氮装置，这种装置包括空气冷却器、空气过滤器组、氮气分离系统，其中氮气分离系统以压缩空气为原料，以碳分子筛为吸附剂，采用变压吸附流程(简称P.S.A)，在常温低压下，利用空气中的氧和氮在碳分子筛中的扩散速率不同，把氧和氮加以分离，从而得到氮气。这种装置的缺点在于：在生产过程中包含纯化(除氧)过程，这个过程需要加入氢气并用蒸气提供适合的温度，达到氢氧反应以除氧的目的，所以需要的设备较多，整体体积大，安装和移动都不方便，而且受外界因素的影响较大，氮气的纯度不易控制。

另外也有用均质膜制氮设备的，这种设备同样包括空气冷却器、空气过滤器组、氮气分离系统，但氮气分离系统是利用空气中各组份在膜管中流动速度的差异而将氮气分离出来，这种方式受外界因素影响较小，氮气纯度较高，是一种比较好的制氮装置，但目前市场上的均质膜制氮设备有以下缺陷：整个装置没有形成一个有效的固化产品，而是采用现场组装的方式完成，所以体积较大，移动不方便，而且质量控制有一定难度；另外均质膜的耐高温性能较差，而野外作业时有时空气温度很高，经过冷却器后温度依然很高(或因停电冷却器不工作)，会对均质膜膜管造成一定的损害(此时若停气则可能引起卡钻等事故)，从而缩短设备的寿命，所以这种设备不太适应恶劣的工作环境。

发明内容：

本发明的目的就在于解决上述问题而提供一种适用于野外作业的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统及膜分离制氮方法。

本发明通过以下方式来实现上述目的：

本发明中的用于钻井工艺的复合膜分离制氮系统包括空气预处理系统、氮气膜分离系统和氮气钻井工艺自动控制系统，在氮气钻井工艺自动控制系统的控制下，压缩空气经空气预处理系统、氮气膜分离系统输出，所有设备均置于箱式撬体内；所述空气预处理系统由压缩空气进气管、空气冷却器、空气过滤器组和空气加热器依次通过气管连接而成；所述氮气膜分离系统由复合膜管组件和氮气输出管线系统组成；所述氮气钻井工艺自动控制系统由可编程自动控制系统和工艺控制执行电器系统组成。

把所有设备均固定安装于箱式撬体内，不但能有效缩小体积，而且各部件之间连接稳固，能稳定地控制设备性能和氮气纯度；空气预处理系统可以将压缩空气中的灰尘、杂质清除干净，并使空气达到适应于复合膜的最佳分离温度，以提高氮气的产量和纯度；氮气膜分离系统中的复合膜管组件具有工作温度范围大、耐水性强、耐油性强、抗污染性强、可维护等优点，这些优点是现在市场上的均质膜管组件所不具备的；可编程自动控制系统即PLC控制器，是一种通用的自动控制系统，可以对氮气膜分离系统中的温度、压力、氮气纯度等变量按设计的预定值进行自动控制。

经过试验表明，复合膜管在100℃的水中浸泡24小时后仍然完好无损，复合膜与均质膜的性能对比见下表所示：

由上表可以看出，用复合膜制氮系统比用均质膜制氮系统要稳定、可靠得多，而且适应能力也强得多，寿命也会长得多。