При бурении на депрессии в качестве бурового раствора используют нефть, насыщенную азотом. Азот для газирования нефти получают на передвижных азотно-компрессорных станциях. В этой статье рассмотрим подробнее конструкцию и принцип действия азотной компрессорной установки.
Подробнее о депрессивном бурении можно почитать в статье: «Бурение на депрессии.»
Азот является одним из самых распространенных элементов на Земле. Газообразный азот окружает нас повсюду, так как атмосфера на 78 % состоит из азота. Остается лишь научиться сепарировать его из воздуха. А впервые азот выделили из воздуха в 1772 году.
Использование альтернативных газов в нефтедобыче началось в семидесятые годы прошлого столетия. До этого нефтяники применяли углекислый газ и природный газ. Но растущие потребности и стоимость этих газов привели к необходимости перехода на более простой и дешевый в получении азот. На месторождениях начали строить производительные стационарные криогенные воздухоразделительные станции. Но эти энергоемкие объекты было сложно обеспечивать электроэнергией на удаленных промыслах. И они требовали постоянного присутствия обслуживающего персонала. Кроме того, капитальные цеха невозможно было перевозить со старых месторождения на новые и их приходилось консервировать.
Поэтому технологически сложные криогенные стационары стали заменять на более простые в использовании мембранные воздухоразделители.
В мембранной установке очищенный от мехпримесей и осушенный воздух нагнетается в мембранные модули. Аргон, кислород, углекислый газ, пары воды отфильтровываются мембранами и выводятся в атмосферу, а азот поступает в накопитель – ресивер.
Азот мембранных генераторов соответствует стандарту технического азота первого сорта с чистотой 99,6 %. Мембранный азот не такой чистый по сравнению с адсорбционным и криогенным. Используют его, обычно, для пожаротушения, резке металлов, некоторых химических процессах.
Простота конструкции с минимумом движущихся элементов, малый вес при высокой производительности, возможность контейнерного исполнения и экономичность определили широкое распространение мембранных установок в нефтедобыче.
СДА-10/251 – азотная компрессорная станция на базе грузового автомобиля КамАЗ или Урал. Установка работает по следующей технологической цепочке.
Воздух винтовым компрессором нагнетается в блок воздухоподготовки, где он очищается от масла, мехпримесей, воды и подогревается. Очищенный воздух подается в мембранный блок газоразделения. После отделения от других газов азот поступает в ресивер. Дожимной поршневой компрессор дожимает азот до давления 250 кг/см2. Производительность установки составляет 10 м3/мин.
СДА-10/251 используют для:
- продувки и опрессовки нефтепроводов и газопроводов;
- осушения нефтегазопроводов и оборудования;
- азотного пожаротушения;
- освоения скважин, цементирования скважин;
- бурения скважин;
- ремонта скважин.
При бурении на депрессии буровую установку обслуживают две или три таких станции.
Как же происходит разделение воздуха на составляющие газы в мембранной установке?
Всем нам знакомо понятие: «фильтр». Фильтр – это устройство или материал для отделения одних компонентов смеси от других. А мембрана — это перегородка, которая пропускает через себя одни составляющие газовой смеси и задерживает другие. Иными словами, мембрана – это более тонкий фильтр, разделяющий компоненты смеси на молекулярном уровне.
Технология мембранного разделения воздуха основана на молекулярных свойствах составляющих его газов. Масса молекулы азота примерно в два раза больше массы молекулы кислорода. При одинаковых условиях молекулы кислорода из-за меньшей массы движутся быстрее молекул азота. И при диффузии в материал молекулы кислорода проникают в него быстрее молекул азота.
То есть, «быстрые» газы: кислород, углекислый газ, пары воды проходят через стенки половолоконной мембраны раньше азота.
Полая волокнистая мембрана (ПВМ) представляет собой полупроницаемый барьер в виде полого волокна. ПВМ производят из искусственных полимеров. Первоначально разработанные в шестидесятых годах прошлого века ПВМ для обратного осмоса сегодня широко применяются для разделения самых разнообразных смесей.
ПВМ – это собранные в пучок несколько тысяч полых волокон. Внешний диаметр волоконной трубочки в зависимости от назначения может составлять от 50 до 3000 мкм.
Газопроницаемость мембраны характеризует способность ее материала пропускать через себя газ под действием разницы давлений с обеих сторон мембраны. Но при этом один газ мембрана пропускает лучше, чем другой. В этом свойстве выражается селективность или избирательность мембраны.
Например, тетрабром-поликарбонат (ТБПК) имеет селективность О2/N2 = 7,6. То есть, ТБПК пропускает через себя кислорода в 7,6 раза больше, чем азота.
Половолоконные материалы, которые производят по специальной технологии применяют для того, чтобы увеличить поверхность мембран. Для промышленного использования пучки или пряди полых волокон упаковывают в унифицированные модули - картриджи. Отношение удельной площади материала к единице объема в половолоконных модулях (м2/м3) составляет более 10 000. Таким образом в стандартных картриджах площадь мембран составляет 300 – 600 м2.
Кроме воздухоразделения полые волокнистые мембраны повсеместно используются в промышленной сепарации, особенно для фильтрации питьевой воды.