氮氣及泡沫技術服務介紹

1、氮氣及泡沫技術服務介紹,試油測試公司 龐濤濤 柳迪2017.06,目錄,一、氮氣泡沫服務油田應用情況簡介二、氮氣泡沫設備的原理介紹三、公司氮氣泡沫設備簡介四、氮氣泡沫設備操作及風險識別與控制五、近年來施工情況介紹及發(fā)展建議,一、氮氣及泡沫服務油田應用情況簡介,氮氣，常況下是一種無色無味無嗅的氣體，且通常無毒。氮氣占大氣總量的78.12%（體積分數(shù)），是空氣的主要成份。常溫下為氣體，在標準大氣壓下，冷卻至-195.8℃時，變成沒

2、有顏色的液體，冷卻至-209.86℃時，液態(tài)氮變成雪狀的固體。氮氣的化學性質很穩(wěn)定，常溫下很難跟其他物質發(fā)生反應，適用于油田生產各個方面。,1、氮氣的特性,氮氣/泡沫工藝技術應用概況—國內,（1）氣舉排液和氣舉誘噴------最普遍的方式特點：該技術施工安全，工藝簡單，排液速度快，可控制排液深度。由于氮氣屬于隋性氣體，來源廣泛，在常溫下很難與其它物質發(fā)生化學反應，不會因天然氣混合，發(fā)生爆炸，具有施工安全、工藝簡單、排液速度快、可控制

3、排液深度等特點。所以在井下作業(yè)排液施工中常用注氮氣排液技術，特別適用于含天然氣井的排液。氣舉排液又分兩種方式：常規(guī)氣舉閥注氣排液方式，連續(xù)油管氮氣排液方式。,2、氮氣在油田的應用,（2）氮氣排酸氮氣排酸是利用向井筒注入高純度氮氣，將酸化后井筒內的殘酸液體從油管內排出。通過不斷注入氮氣，逐步降低井筒流體的密度，減少液柱對地層的回壓，以達到舉通井筒或降液到預定深度，實現(xiàn)誘噴的目的。使用氮氣可大大降低井筒的液柱壓力，在井筒形成負壓，可

4、以使地層中殘酸比較完全地排入井筒，進而隨氮氣排出地面，達到酸化后排酸的目的。氮氣排酸也分兩種方式：常規(guī)氣舉閥注氣排酸方式，連續(xù)油管注氮氣排酸方式。,2、氮氣在油田的應用,（3）氮氣驅油（提高采收率）----新疆油田應用廣泛特點：氮氣的壓縮系數(shù)高，有利于補充地層能量；膨脹性大，有利于滲流驅油；體積系數(shù)大，注入同體積氣體，可驅替出更多的油氣；臨界溫度低，受溫度的影響??；密度隨壓力升高而增加，隨溫度的升高而降低，可利用重力分異作用驅替構造

5、高部位剩余油；氮氣的表面張力低，驅油效率高；導熱性差，可配合蒸汽混注驅稠油。采用熱氮氣驅油效果較好，熱氮氣溫度高達200-300℃（發(fā)動機尾氣加熱）。遼河油田和渤海遼東油田稠油井應用較多。,2、氮氣在油田的應用,（4）氮氣氣密測試——（液氮用的較普遍）利用氮氣對天燃氣平臺、生產系統(tǒng)（大型導管架）、高壓系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)以及陸地終端進行氣密測試檢測。在氮氣中加入百分之一的氦氣按所測系統(tǒng)的額定壓力分四階段增壓，每階段到達所測壓力時利用氦

6、氣測漏儀以及氦氣探頭對所測系統(tǒng)每個法蘭聯(lián)結處進行測漏。發(fā)現(xiàn)漏點以及泄漏程度及時做 好記錄，放壓為零后進行更換和維修。維修完以后按照以上步驟重復操作。一直到沒有漏點合格。合格的系統(tǒng)可以確保一年的氣體漏失低于25立方英尺。OTIS----常年做此服務，收入不菲。,2、氮氣在油田的應用,（5）氮氣干燥對海上平臺備用的外輸油管進行惰化干燥，防止其氧化銹蝕。 ①先使用海綿清管器對管柱進行三次初步干燥，清掃出立管中的殘水及雜物。②啟動氮氣設

7、備，以低排量進行注氮操作，直到管柱出口端有氮氣溢出。③加大氮氣排量，對管柱進行吹掃，至少持續(xù)一小時。④吹掃結束后，出口端裝上法蘭并關閉閥門。對立管以小排量注入氮氣增壓到3公斤，穩(wěn)壓20分鐘后開閥迅速放壓，照上面步驟重復做4次。用防爆儀測氧氣含量，氧氣含量低于百分之二。用露點儀測露點值，露點值低于零下20度。立管干燥結束。⑤干燥結束后把立管內壓力由3公斤放到0.69公斤，立管兩端閥門用死睹睹上，保持內部充滿氮氣。防止由于長時間不用氧

8、化銹蝕。,2、氮氣在油田的應用,氮氣泡沫的應用中國石油大學（華東）泡沫流體研究中心所在的油氣田開發(fā)工程學科為國家重點學科，中心目前有教授1人，副教授3人，講師3人，博士7人，碩士10人，形成了合理的科研梯隊。2009年5月，與中海油服共建泡沫流體聯(lián)合實驗室。,2、氮氣在油田的應用,,2、氮氣在油田的應用,,,2、氮氣在油田的應用,（6）氮氣泡沫調剖驅油提高油氣開采效率一直是油氣開采領域研究的熱點和難點。隨著我國高含水、稠油、出砂油藏

9、的比例的增加，開采難度逐漸增大；同時儲層非均質性嚴重，層間矛盾突出；低壓井、水平井增多，漏失嚴重，排液困難，常規(guī)工藝技術難以進行有效開發(fā)。由于泡沫具有密度可調、對油層傷害小、攜砂能力強以及與天然氣混合不易發(fā)生爆炸等優(yōu)良性能；同時泡沫在地層中良好的選擇性，遇水穩(wěn)定、遇油消泡，調剖能力強，可以有效解決層間矛盾。特別是在上述復雜開采條件下具有較大優(yōu)勢。,2、氮氣在油田的應用,（7）氮氣泡沫壓裂泡沫壓裂液具有對地層傷害低、返排率高、攜砂性能

10、好、低濾失等優(yōu)點，特別適合低壓、低滲、水敏地層的壓裂改造。泡沫壓裂是指在常規(guī)壓裂液的基礎上加入起泡劑，氮氣或者二氧化碳氣體，形成泡沫從而組成以氣相為內相、液相為外相的低傷害壓裂液體系的壓裂過程。泡沫壓裂液屬于較為復雜的非牛頓液體，它的性質，流動行為和特征受到許多可變因素所控制。氣體泡沫質量(在給定溫度和壓力下，氣體體積占泡沫體積百分比)多為50%～70%，泡沫質量小于52%時為增能體系，一般用作常規(guī)壓裂后的尾追液，以幫助壓后殘液的返排

11、;氣泡質量大于52%時，內相氣泡顆粒小，穩(wěn)定性好，半衰期(從泡沫中分離出一半液體所需要的時間)長，分布均勻，流動時氣泡與氣泡相互接觸，相互干擾，使其黏度大，攜砂能力強，可以用于壓裂液。,2、氮氣在油田的應用,,（8）氮氣泡沫其他應用,2、氮氣在油田的應用,泡沫流體沖砂洗井技術 泡沫混排解堵技術 水平井泡沫酸洗技術 泡沫分流酸化技術泡沫堵水技術,常規(guī)酸化后泡沫助排技術蒸汽吞吐井氮氣泡沫調剖技術 邊底水油藏氮氣泡沫控水技術 泡

12、沫驅油技術氮氣泡沫鉆井技術氮氣泡沫固井,二、 氮氣泡沫設備的原理介紹,膜分離氣體技術是利用有些金屬膜或有機膜對某些氣體組分具有選擇性滲透和擴散的特性，以達到氣體分離和純化的目的。 環(huán)境空氣經壓縮凈化，除去油、水、灰塵后，進入膜分離器進行分離。首先，壓縮空氣中的氧氣、二氧化碳以及少量水汽會快速的滲透過膜壁，并通過膜組壓力箱側面的排氣孔在大氣壓條件下排出；而空氣中的氮氣滲透過膜壁的速度較慢，它沿著纖維孔流動并在壓力箱末端的產品氣集氣管處

13、流出，最后進入產品氮氣緩沖罐。,1、膜制氮設備原理,,膜制氮工作原理圖,,,,,滲透分離制氮過程：利用各氣體在分離膜內滲透擴散速率不同的物理方法分離，排出富氧空氣，留下高純度氮氣。,液氮設備主要包括：液氮儲存裝置和氮氣轉化設備(氮氣增壓泵)常見的液氮儲存裝置是氮氣罐，其容積一般為2000加侖和2500加侖兩種。其結構分為內外兩層，內層由不銹鋼制成，外層由鍛鋼制成，內層外表包有隔熱材料，內外層之間抽成真空，防止熱交換。罐上配有調壓閥，液

14、位表，安全閥，放壓閥等。液氮制備方法：在低溫條件下加壓，使空氣轉變?yōu)橐簯B(tài)空氣，然后減壓增溫。液態(tài)氮沸點-195.8℃ 液態(tài)氧沸點-182.96 °C。由于液態(tài)氮的沸點是－196℃（77K），比液態(tài)氧的沸點低，因此氮氣首先從液態(tài)空氣中蒸發(fā)出來。收集氣體再次低溫條件下加壓，就得到液氮了。,2、液氮設備原理,氮氣泵的作用就是將低壓液氮轉化成高壓常溫氮氣。由于制造廠商不同，氮氣泵的結構不大相同，但是其基本原理是一樣的。首先將低壓液氮

15、增壓至50到100psi，然后由高壓泵泵出，最高壓力可達15000psi，最后經過加熱得到我們所需的氮氣。,2、液氮設備原理,①膜制氮設備：優(yōu)點：通過膜組置換，氮氣從空氣中直接獲取，純度95%時膜組分離效率一般50%左右，成本低。缺點：受膜組性能影響，純度越高時，產氣量越小，最高純度99.9%。如想獲取大排量，需增加空壓機性能；目前，最高壓力50MPa（工作原理是氣體直接壓縮）。②液氮設備優(yōu)點：純度高,最高純度99.9999%，

16、排量可遠大于膜制氮設備（工作原理是液氮直接柱塞壓縮后再加熱汽化，1L液氮汽化為氣體氮為647L。）；壓力高，最高壓力105MPa缺點：需要單獨提供液氮，排量不受純度變化影響。,3、膜制氮和液氮設備的區(qū)別,（1）泡沫生成泡沫一般是由內充氣體、泡沫基液等形成的分散體系，其中液體是連續(xù)相，氣體是不連續(xù)相。泡沫基液一般是由液體、起泡劑和穩(wěn)泡劑按一定比例配制而成的溶液。泡沫流體是氣體在液體中充分分散形成，氣泡分散程度越高，泡沫流體的質量越好

17、。氣體在水基液體攪拌后的氣泡直徑是微米級或更小，氣泡在液體中分散后成乳化狀態(tài)，呈奶白色，不透明。,4、泡沫發(fā)生裝置,起泡劑：表面活性劑，減小水的表面張力，形成穩(wěn)定的氣泡 氣體：氮氣、空氣、二氧化碳等氣體 泡沫：均勻的細小泡沫，氣泡直徑小于0.05mm,4、泡沫發(fā)生裝置,,泡沫發(fā)生器內有氣液混合腔和氣液攪拌葉輪。氣體直接進入配氣管，分散成小氣泡。液體以旋轉方式進入，帶動氣體混合。初步混合的泡沫液經過固定式葉輪后多次改變方向進行攪拌，氣

18、體粉碎，形成微氣泡。 氣體在內中心管，液體在外中心管，依靠小孔原理，和發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑形成細小泡沫，再借助外中心管的多級阻流板，產生漩流作用，促使泡沫均勻，不聚集。,4、泡沫發(fā)生裝置,三、 公司氮氣泡沫設備介紹,分公司現(xiàn)有租賃撬裝膜制氮泡沫設備一套，正在抓緊采購另一套新的膜制氮設備，專職氮氣施工人員僅3人。本套海上撬裝膜制氮泡沫設備，額定制氮量為1200Nm3/h（在額定氮氣純度95%、氧含量≤3％時，標準狀態(tài)），氮氣純度90-99.

19、99%可調，額定氮氣排壓35MPa。設備電氣防爆等級：不低于ExdIIBT4（整撬不滿足）。設備電氣防護等級：不低于IP56。設備用電規(guī)格：380V，50HZ，約35Kw。整套設備主要包括：空壓機撬，增壓機撬，膜組撬，和泡沫發(fā)生器撬。,1、膜制氮設備,,2、膜制氮泡沫設備參數(shù),,空壓機撬：為氮、氧分離提供充足氣源。,1、膜制氮設備,制氮撬：制氮撬是將來自空壓機的壓縮空氣，經過凈化處理后，再通過膜組分離制造生產出合格的氮氣。系統(tǒng)

20、包括：穩(wěn)壓除水單元、冷干加熱單元、凈化過濾單元、箱體單元和自控單元。穩(wěn)壓除水單元：將壓縮空氣穩(wěn)壓除水，為后續(xù)工序提供穩(wěn)定的氣體。冷干加熱單元：將壓縮氣體冷凍干燥，同時利用冷媒相變的熱能為膜前氣體加熱。凈化過濾單元：設置多級過濾裝置，為膜系統(tǒng)的正常工作和標準的工藝要求提供符合要求的氣體。,1、膜制氮設備,氮、氧分離部件---14根美國麥道膜管工作溫度：5～55℃（為了冬季作業(yè)需加裝加熱保溫裝置）；儲存溫度：-35～60℃（冬季存

21、放無需保溫）； 分離效率：≥54%，1200Nm3/h（氮氣純度95%）； ≥45%，1000Nm3/h（氮氣純度97%）； ≥15%，300Nm3/h（氮氣純度99.9%）； ≥6%，180Nm3/h（氮氣純度99.99%）； 使用壽命：10年以上；,1、膜制氮設備,主要組成部分(1)油水分

22、離器進入膜分離系統(tǒng)的壓縮空氣最初是由油水分離器調節(jié)，其功能是排除進氣源中的大量的油和冷凝液及固體顆粒。（2）離心除水器 通過離心力的作用，使空氣沿容器內壁轉動降溫，從而分離出部分水分，并從排放閥處排出。（3）聚結過濾器聚結過濾器，裝有采用0.01μm過濾芯，主要是去除進氣中仍然存在的0.01μm以上的剩余油和水懸浮物的微粒,1、膜制氮設備,（4）碳床過濾器碳床過濾器是活性碳充在由低碳鋼制成外殼的容器內。顆?；钚蕴加脕砦饺コ?/p>

23、掉進氣源中的重烴蒸氣。（5）過程加熱器過程加熱器是由氟利昂-冷干及加熱系統(tǒng)組成，通過它將進氣流加熱，恒定在預設的溫度（35-45℃）范圍內，從而使膜分離系統(tǒng)具有最佳的工況。（6）顆粒過濾器顆粒過濾器裝有0.01μm過濾芯，用于清除進氣源中剩余的全部懸浮顆粒物質（銹，碳粉塵等），類似聚結過濾器一樣的功能，是進入膜分離體的最后一次過濾。,1、膜制氮設備,（7）膜組是將每根細小的中空纖維集合在一起，卷成一密度高及表面積大的纖維束。

24、是氮、氧分離的關鍵部件。（8）純度控制閥保證系統(tǒng)按照設定工作點運行，即調節(jié)氮氣純度的閥門。（9）富氧氣體系統(tǒng)富氧氣體是氮氧分離過程中產生的非使用氣流，富氧出口應通風良好。（10）分析控制系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測氮氣和調節(jié)純度，確保安全。,1、膜制氮設備,增壓撬：主要是將分離出來的合格氮氣，進行高壓壓縮，以滿足入井條件?？紤]到整撬重量較大（總重約15噸），采用分撬設計，主要動力源CAT C9柴油機撬和氣體增壓機撬（含冷卻系統(tǒng)）兩部分。,1

25、、膜制氮設備,泡沫發(fā)生設備為一獨立的撬，高壓氣體接口與增壓機相連，高壓液體接口與三缸泵連接，產生的泡沫出口連接井口。控制系統(tǒng)包括密度計、流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、PLC等，可現(xiàn)場手動操作調節(jié)泡沫密度?？刂葡到y(tǒng)可實時監(jiān)測系統(tǒng)設備的運行狀況、超壓報警、密度超標報警或漏失報警等功能。額定工作壓力：≥35MPa（在發(fā)生器入口、出口均設置2"-1502由壬接頭）額定流量：132m3/h（35MPa下）；泡沫液體的生成密度：應

26、可在0.45～0.9g/cm3之間任意調整；穩(wěn)泡時間：＞48h，消泡時間：＜3h；,2、泡沫發(fā)生設備,,從性能上看：整套1200型撬裝膜制氮泡沫設備基本達到了國內中上水平，取得了CCS船級社船檢證書，電氣元器件防爆等級滿足ExdIIBT4，防護等級IP56。最大工作壓力35MPa，額定排量1200Nm3/h（氮氣純度95%時），是目前國內撬裝膜制氮設備的主流性能。從操作施工上看：整套設備單撬凈重不超過10噸，增壓撬采用分撬設計，分為

27、動力撬、增壓機撬和公共底盤三部分，撬間通訊線纜較多，客觀上增加了施工操作的復雜性。新的1200型撬裝膜制氮泡沫設備（在造中）針對以上問題，已經進行了優(yōu)化和改進。,3、整套設備評價,四、氮氣泡沫設備操作及風險識別與控制,設備連接、檢查（1）設備吊裝，連接動力撬、增壓撬及公共底盤（聯(lián)軸器及安全護罩）；（2）連接空壓機撬、制氮撬、及增壓撬間低壓氣管線；（3）連接各撬間的電力及通訊線纜；（4）連接制氮撬排污管線并固定；（5）連接增壓

28、撬至作業(yè)設備間的高壓管線并固定，試壓合格；（6）啟動設備前安全檢查，通電。,1、設備操作步驟,設備啟動，空載運行（1）啟動空壓撬，確保柴油機及空壓機各參數(shù)運行正常；（2）檢查確保制氮撬放空閥開啟正常，和排污閥排放正常；（3） 查看氮氣純度及膜組溫度情況；（4）確保增壓撬排空閥打開，當增壓撬一級進氣壓力大于0.5MPa時，啟動動力撬及增壓撬；（6）檢查增壓撬及動力撬各參數(shù)正常運行。,1、設備操作步驟,設備加載作業(yè)(1) 當

29、氮氣中氧含量小于等于5%時，按照指令，打開增壓撬送氣閥，關閉排空閥，開始泵注氮氣；(2) 泵注過程中，加強巡檢，做好相關參數(shù)記錄，確保設備正常運轉。作業(yè)暫停及終止(1) 接到暫?；蛲Ｖ棺鳂I(yè)指令后，打開增壓撬放空閥，關閉送氣閥；(2) 當四級排氣壓力降至正常后，關閉增壓撬和動力撬；(3) 打開增壓撬各級排污閥，排污結束后關閉，設備拆除。,1、設備操作步驟,膜制氮泡沫作業(yè)的風險點源，按照作業(yè)程序步驟，主要考慮以下幾方面：

30、（1）設備吊裝，連接安裝時人員與設備風險；（2）設備啟動作業(yè)時的操作風險，富氧匯集危害，氮氣窒息風險，環(huán)境污染風險，噪音傷害風險，化學泡沫對人產生的危害風險等等；,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,,2、作業(yè)的風險識別與控制,3、氮氣泡沫施工作業(yè)體系的完善,截止目前，還編制完成了氮氣泡沫作業(yè)程序，施工步驟

31、等文件；完善了設備操作保養(yǎng)規(guī)程，設備潤滑保養(yǎng)程序；編寫了人員崗位職責，和崗位HSE職責等，為公司氮氣泡沫施工作業(yè)體系的完善打下了基礎。,五、近年來施工情況介紹及發(fā)展建議,1、氮氣泡沫施工情況總體介紹,從2016年至今年6月底，氮氣施工共作業(yè)22井次，其中，2016年14井次，今年以來，累計作業(yè)8井次。從作業(yè)工藝來看，全部為傳統(tǒng)的氮氣氣舉或氮氣試壓類型，價格利潤均較低。從作業(yè)區(qū)域來看，東海氣田作業(yè)高達13井次，比例高達59%，這與氣田

32、氮氣氣舉作業(yè)方式有關。渤海作業(yè)3井次，南海作業(yè)3井次，北黃海作業(yè)1井次，水合物作業(yè)2井次。,2、近年作業(yè)情況表,2016年，氮氣作業(yè)井次如下：,2、近年作業(yè)情況表,2017年至今，氮氣作業(yè)井次如下：,3、氮氣泡沫業(yè)務未來發(fā)展建議,從近年來的施工情況看，作業(yè)類型全部集中在傳統(tǒng)氮氣氣舉、試壓等業(yè)務，價格和利潤均較低，隨著油價低迷，競爭愈加激烈。建議，從以下幾方面拓展未來發(fā)展道路：一、重視和加強氮氣泡沫業(yè)務的發(fā)展。氮氣泡沫越來越廣泛的應用于