СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ ИНЕРТНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
METHOD OF PRODUCING AND APPLYING TECHNOLOGICAL INERT GAS MEDIUM

Изобретение относится к области технологических систем и процессов и может быть использовано для получении инертной технологической газовой среды преимущественно в нефтегазовой промышленности с целью предупреждения пожаров и взрывов в процессе бурения, освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а также для их обработки, например удаления песчаных и глиняных пробок, осушения и обезвоживания или при проведении ремонтных работ нефтегазового оборудования, например трубопроводных систем жидких и газообразных углеводородов.
Удаление буровых растворов, промывочных растворов, ингибиторов коррозии и других жидкостей, используемых для обработки скважин, а также удаление песчаных и глиняных пробок, используемых при консервации скважин, производится путем подачи инертного газа в скважину. Подача газа или воздуха используется при компрессорной эксплуатации скважин, а также при осушении и обезвоживании стволов шахт.
Известен способ предупреждения взрывов при бурении, освоении и эксплуатации нефтяных скважин, заключающийся в вытеснении жидкости, находящейся в скважине, например промывочной жидкости, путем нагнетания в скважину инертного газа, в частности азота [US 3722594, Е21В 21/00, 1973].
Известен также способ предупреждения взрывов при закачке в скважину газообразных агентов, включающий вытеснение промывочной жидкости из скважины сжатой до рабочего давления и подаваемой в скважину газовой инертной смесью с содержанием кислорода, не превышающим минимальную взрывоопасную концентрацию [Бронзов А.С.Бурение скважин с использованием газообразных агентов. - М.: Недра, 1979, стр.114-119].
Данные способы требуют доставки к скважине при помощи передвижной установки баллонов с азотом, что приводит к необходимости прерывания процесса освоения скважины для периодической дозаправки установки азотом или доставки новых баллонов.
Известен способ получения инертной технологической газовой среды из атмосферного воздуха на передвижной многоступенчатой компрессорной станции путем его предварительного сжатия, пропускания под давлением через установку, задерживающую кислород и пары воды, и сжатия до требуемого рабочего давления [RU №2107807, опубл. 1998].
Недостатком известного способа является его относительно низкая технологичность и высокая сложность, обусловленная тем, что, для его реализации требуется сложная многоадсорберная схема обеспечения непрерывного процесса получения азота, во время которого происходит постепенное отравление адсорбента влагой и парами масла, что требует использования операций по его периодической замене. При реализации способа в транспортабельном варианте проявляется низкая надежность работы адсорберов и клапанной коробки, т.к. адсорбент, находящийся в адсорберах, и арматура клапанной коробки очень восприимчивы к вибрации. Еще одной проблемой процесса получения азота из воздуха с использованием адсорберов, согласно известному способу, является ограничение по температуре, т.к. при значениях температуры разделяемого воздуха выше 40°С разделительная способность адсорбентов резко снижается. При температуре окружающего воздуха выше 30°С, учитывая отсутствие блока подготовки воздуха в установке, обеспечивающего понижение температуры после сжатия в компрессоре, а также в целом техническую сложность снижения температуры воздуха после сжатия в компрессоре в транспортабельном варианте, температура воздуха после компрессора будет выше 40-50°С, что приведет к повышению концентрации кислорода в азоте выше допускаемой величины из-за существенного снижения разделительной способности адсорбента, а возможно, и полному прекращению процесса получения азота и, следовательно, к отсутствию возможности выполнения технологических операций с ним. В известном способе не предусмотрены операции, обеспечивающие возможность регулирования содержания остаточного кислорода в азоте, а также производительности по азоту.
Известен способ, основанный на формировании потока сжатого воздуха, который подают в мембранное газоразделительное устройство для разделения на два потока и который реализуется использованием генератора азота для создания технологической газовой среды, содержащего входной нагнетательный блок, к выходу которого через охлаждающий теплообменник и блок фильтрации подключен газоразделительный блок с полупроницаемой мембраной, выходной нагнетательный блок повышения давления очищенного азота, подсоединенный к надмембранной полости газоразделительного блока, и систему управления и контроля, включающую в себя датчик загрязнения очищенного азота кислородом, при этом входной и выходной нагнетательные блоки подсоединены к общему приводу, а система управления и контроля оснащена регулятором расхода охлаждающего агента, управляемым датчиком загрязнения очищенного азота кислородом [RU опубл. заявка №2002121803, B01D 53/22, B01J 7/00, опубл. 27.03.2004].
При этом предусмотрено, что система управления и контроля оснащена задатчиком уровня загрязнения очищенного азота кислородом и блоком сравнения, входы блока сравнения подключены к выходам указанного задатчика и датчика загрязнения очищенного азота кислородом, а к выходу блока сравнения подключен регулятор расхода охлаждающего агента, газоразделительный блок собран из параллельно установленных модульных сборок, каждая из которых оснащена газоразделительной камерой с размещенной в ней полупроницаемой мембраной и запорными устройствами на входе в надмембранную полость и на выходе из нее, газоразделительные камеры оснащены полупроницаемыми половолоконными или плоскими мембранами, входной нагнетательный блок оснащен одноступенчатым или многоступенчатым винтовым компрессором, выходной нагнетательный блок оснащен многоступенчатым винтовым компрессором и что входной и выходной нагнетательные блоки, общий привод указанных блоков, газоразделительный блок и теплообменник размещены на общем основании.
Недостатком этого известного решения является относительно низкое качество формируемой инертной технологической газовой среды, а также относительно узкие функциональные возможности, поскольку известное техническое решение не позволяет формировать обогащенную кислородом газовую среду и использовать ее для повышения мощности дизеля компрессора или дизеля-генератора, используемых, как правило, во входном и выходном нагнетательных блоках. Неэкономичным и опасным является использование технического решения в случае работы с объектами, где требуется низкое давление инертной среды. Ограничены также и возможности по регулированию производительности производимой инертной среды и содержанию в ней азота.
Наиболее близким аналогом является устройство, при помощи которого осуществляется способ производства азота для создания инертной технологической газовой среды, содержащее подсоединенные к общему приводу входной нагнетательный блок низкого давления и дожимной нагнетательный блок, присоединенную к выходу нагнетательного блока низкого давления систему очистки воздуха с охлаждающим теплообменником и блоком фильтрации, устройство деоксигенизации воздуха, включающее в себя газоразделительный блок, оснащенный полупроницаемой мембраной с дренируемой в атмосферу подмембранной полостью, и систему контроля загрязнения кислородом очищенного азота. Характеризуется тем, что входной и выходной нагнетательные блоки выполнены с одинаковой производительностью, а генератор оснащен дополнительным нагнетательным блоком низкого давления с собственной системой очистки воздуха на выходе, ресивером и нагревателем очищенного воздуха, управляемым от системы контроля загрязнения кислородом очищенного азота, при этом выходы систем очистки воздуха обоих нагнетательных блоков низкого давления подключены к ресиверу, а ресивер подключен к устройству деоксигенизации воздуха через нагреватель очищенного воздуха (RU 41262 U1, 28/07/2004). Недостатком является необходимость времени для прогрева или охлаждения мембраны газоразделительных камер при регулировании или изменении концентрации получаемого азота, отсутствие возможности формирования и направления обогащенной кислородом газовой смеси для повышения мощности дизеля компрессора или дизеля-генератора, используемых, как правило, во входном и выходном нагнетательных блоках, а также повышенная опасность и неэкономичность при работе с потребителями азота низкого давления.
Требуемый технический результат заключается в повышении качества формируемой инертной технологической газовой среды, расширении функциональных возможностей и повышение экономичности.
Требуемый технический результат достигается тем, что в способе, основанном на формировании потока сжатого воздуха, который разделяют в мембранном газоразделительном устройстве на два потока технологической газовой среды, один из потоков технологической газовой среды формируют из газов в надмембранной полости мембранного газоразделительного устройства в поток инертной технологической газовой среды, который направляют для проведения технологических операций, а другой поток технологической газовой среды формируют из газов в подмембранной полости мембранного газоразделительного устройства в поток обогащенной кислородом газовой среды, который направляют на всасывающую магистраль дизелей компрессоров или дизелей-генераторов, смешивая с воздухом и преобразуя в энергию формирования потока сжатого воздуха и энергию управления потоком инертной технологической газовой среды при выполнении технологических операций.
Требуемый технический результат также достигается тем, что в способе проведения технологических операций при бурении, освоении и эксплуатации, ремонте и испытаниях нефтяных и газовых скважин и их агрегатов, включающем вытеснение промывочной жидкости из скважины, сжатой до рабочего давления, подачи в скважину газовой инертной смеси с содержанием кислорода, не превышающим минимальную взрывоопасную концентрацию, которую получают из сжатого воздуха путем пропускания его через газоразделительную установку с полупроницаемыми мембранами, задерживающими кислород, что перед поступлением в газоразделительную установку с полупроницаемыми мембранами сжатый воздух охлаждают и отделяют от конденсата, а полученную в подмембранной полости газоразделительной установки обогащенную кислородом смесь выбрасывают в атмосферу или подают во всасывающую магистраль дизеля компрессора или дизеля-генератора по крайней мере одного нагнетательного блока, а полученную в надмембранной полости газоразделительной установки азотную смесь, направляют под низким давлением для проведения технологических операций по вытеснению углеводородных компонентов из трубопроводов и агрегатов нефтяных и газовых скважин, других объектов или сжимают до рабочего давления для проведения технологических операций, например вытеснения промывочной жидкости из скважины.
Требуемый технический результат достигается, кроме того, тем, что в способе получения инертной технологической газовой среды для проведения технологических операций на линиях выхода кислорода из подмембранных полостей камер с полупроницаемыми мембранами установлены регулирующие запорные устройства, позволяющее плавно изменять, повышать или понижать давление под мембраной и таким образом регулировать производительность мембранного блока по азоту и содержанию в нем остаточного кислорода.
Требуемый технический результат, заключающийся в повышении качества формируемой инертной среды, объясняется тем, что при регулировании концентрации изменением давления под мембраной все газоразделительные камеры газоразделительного блока постоянно находятся в работе. Производство и подача азота осуществляются практически при постоянной температуре, обеспечиваемой нагревателем (за исключением пускового периода) непрерывно, даже при переводе на режим получения азота более высокой концентрации или, наоборот, более низкой, благодаря отсутствию необходимости времени для прогрева или охлаждения мембраны газоразделительных камер.
Сущность способа поясняется на примере работы генератора инертной технологической газовой среды, функциональная схема которого приведена на чертеже.
Генератор инертной технологической газовой среды содержит входной нагнетательный блок 1, к выходу которого через охлаждающий теплообменник 2 подключен блок 3 фильтрации.
Кроме того, генератор инертной технологической газовой среды содержит газоразделительный блок 4 с параллельно расположенными камерами 5 с полупроницаемыми мембранами 6, выходной нагнетательный блок 7, соединенный трубопроводом 8 вывода инертной технологической газовой среды из надмембранных полостей газоразделительного блока 4.
Дополнительно генератор инертной технологической газовой среды содержит нагревательный теплообменник 9, выход которого подключен к газоразделительному блоку 4, а вход подключен к выходу блока 3 фильтрации. Блок 3 фильтрации выполнен в виде последовательно соединенных фильтров 10 удаления конденсата (по крайней мере, один фильтр), вход для которых является входом блока 3 фильтрации, и фильтра 11 тонкой очистки, выход которого является выходом блока 3 фильтрации.
Помимо указанного выше, генератор инертной технологической газовой среды содержит трубопровод 12 вывода обогащенной кислородом газовой среды, выполненный разделяющимся на два трубопровода с запорными устройствами 28 и 29, с возможностью выброса в атмосферу или соединения своим выходом со входами подачи обогащенной кислородом газовой среды во всасывающие магистрали дизелей 13 входного 1 и выходного 7 нагнетательных блоков, а своим входом соединенный с подмембранными полостями камер 5 газоразделительного блока 4.
Генератор инертной технологической газовой среды содержит также систему управления и контроля (детальное описание не приводится), включающую в себя датчик 14 загрязнения очищенного азота кислородом, размещенным в выходном трубопроводе 8 в участке сообщения с нагнетательным блоком 7. Данный датчик электрически связан с блоком 15 управления нагревательным теплообменником 9.
Кроме того, трубопровод 8 выхода инертной технологической газовой среды преимущественно может быть выполнен в виде разделяющихся на два потока трубопровода 16 подачи азота на выходной нагнетательный блок 7 высокого давления и трубопровода 17 подачи азота низкого давления потребителю с запорными устройствами 18 и 19 на выходе, соответственно, система управления которыми соединена с системой управления входного 1 и выходного 5 нагнетательных блоков, выполненных в виде компрессоров 20 с дизелями 13 или компрессоров с дизель-генераторами.
Кроме того, газоразделительный блок 4 с полупроницаемыми мембранами преимущественно может быть выполнен в виде параллельных камер с полупроницаемыми мембранами и с запорными устройствами 21 на входе в надмембранные полости и на выходе (поз.22) из них, причем надмембранные полости параллельных камер 5 с полупроницаемыми мембранами объединены на входе входным коллектором 23 сжатого атмосферного воздуха, выходным коллектором 27 задерживаемого полупроницаемыми мембранами азота, подмембранные полости на выходе - выходным коллектором проникшего через стенки мембран кислорода с регулирующими запорными устройствами 24.
Работает генератор инертной технологической газовой среды следующим образом.
Генератор инертной технологической газовой среды преимущественно используется для создания технологической инертной газовой среды в нефтегазовой промышленности с целью обеспечения пожарной и экологической безопасности при освоении нефтяных скважин (после выходного нагнетательного блока) и при проведении ремонтных работ трубопроводных систем углеводородов (азот низкого давления после газоразделительного блока или реже высокого давления после нагнетательного блока). Получаемая с помощью генератора инертная технологическая газовая среда высокого давления подается в нефтяную скважину с целью предупреждения пожаров и взрывов в процессе бурения, освоения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, а также для их обработки, удаления песчаных и глиняных пробок, осушения и обезвоживания.
Для получения инертной технологической газовой среды входной нагнетательный блок 1, выполненный, например, в виде компрессора с дизель-генератором, производит подачу атмосферного воздуха в охлаждающий теплообменник 2, где производится его охлаждение. Это облегчает удаление из атмосферного воздуха конденсата (по отводной магистрали 25, которая может быть выполнена со встроенным запорным устройством 26) в фильтрах 10 и последующую тонкую очистку в фильтре 11.
Подобная очистка атмосферного воздуха существенно снижает возможность попадания в газоразделительный блок 4 капельных влаги и масла, а также их паров с дальнейшей вероятной конденсацией, поскольку влага и масло резко снижают разделительные характеристики полупроницаемой мембраны, т.е. концентрация кислорода в вырабатываемом азоте быстро начинает превышать допускаемую взрывобезопасную величину, что снижает возможность использования генератора для технологических операций.
Очищенный атмосферный воздух подается в нагревательный теплообменник 9 для подогрева с последующей подачей в газоразделительный блок 4. В газоразделительном блоке 4 с полупроницаемыми мембранами любых конструкций производится обогащенная кислородом газовая среда в подмембранном пространстве и обогащенная азотом газовая среда в надмембранном пространстве. Обогащенная кислородом газовая среда выводится из подмембранного пространства газоразделительного блока 4 и с помощью трубопровода 12, разделяющегося на два потока с запорными устройствами 28 и 29, направляется по трубопроводу 30 к всасывающим магистралям дизелей входного 1 и выходного 7 нагнетательных блоков, что повышает экономичность работы генератора, или по трубопроводу 31 выбрасывается в атмосферу.
Одновременно с этим обогащенная азотом газовая среда выводится из надмембранного пространства газоразделительного блока 4 по трубопроводу 8. При этом поскольку трубопровод 8 вывода инертной технологической газовой среды выполнен в виде разделяющихся трубопровода высокого давления и трубопровода низкого давления с запорными устройствами на выходе, то в зависимости от требуемого режима использования технологической газовой среды используется требуемый режим работы генератора инертной технологической газовой среды.
Наличие независимого входного нагнетательного блока низкого давления с максимальным давлением нагнетания, не превышающим допускаемое давление продуваемых азотом объектов, и подача азота в них сразу после мембранного блока без его направления в выходной нагнетательный блок исключает их разрушение от случайного непреднамеренного превышения допускаемого давления, как это может иметь место при подаче после выходного нагнетательного блока, подающего азот под высоким давлением.
Входной нагнетательный блок низкого давления работает от независимого дизельного привода, позволяющего числом оборотов менять его производительность по сжатому атмосферному воздуху и, соответственно, производительность газоразделительного блока по азоту и содержанию в нем кислорода.
На линиях выхода кислорода, проникшего через стенки мембраны, из подмембранных полостей камер с полупроницаемыми мембранами установлены регулирующие запорные устройства 24, позволяющие плавно изменять, повышать или понижать давление под мембраной и таким образом регулировать производительность мембранного блока по азоту и содержанию в нем остаточного кислорода. Это расширяет функциональные возможности генератора и обеспечивает возможность его использования для получения инертной среды и выполнения технологических операций под низким давлением, исключая разрушение объектов из-за превышения допускаемого давления по условиям прочности объектов, или технологических операций под высоким давлением, после дожатия на выходном блоке до более высокого давления, а также для выполнения иных технологических операций при высоком давлении.
Использование газоразделительного блока с размещенными в нем непрерывно работающими полупроницаемыми мембранами, пропускающими через стенки кислород, выбрасываемый в атмосферу или подаваемый во всасывающую магистраль дизеля компрессора или дизеля-генератора одного из нагнетательных блоков для повышения полноты сгорания топлива и увеличения мощности двигателя, и задерживающими азот, направляемый далее для выполнения технологических операций под низким давлением или для дожатия до более высокого давления и выполнения иных технологических операций при высоком давлении, позволяет обеспечить непрерывный процесс получения азота, поскольку не требуется процесс регенерации и переключения адсорберов для обеспечения процесса производства азота, близкого к непрерывному.
Наличие блока подготовки сжатого воздуха исключает попадание в мембранный газоразделительный блок капельных влаги и масла, а также их паров, с дальнейшей вероятной конденсацией и некоторым снижением параметров газоразделительного блока, что требует дополнительной его регулировки и настройки. При разделении адсорбцией [RU №2107807, опубл. 1998] влага и масло вообще необратимо отравляют адсорбент, снижая в еще большей степени его разделительные характеристики, т.е. концентрация кислорода в вырабатываемом азоте быстро начинает превышать допускаемую взрывобезопасную величину и установку нельзя использовать для технологических операций. Регенерация восстанавливает адсорбент не полностью, он постепенно выходит из строя и требует быстрой замены. Наличие возможности подачи азота после мембранного газоразделительного блока потребителю под низким давлением, не превышающим допускаемое давление продуваемых азотом объектов, исключает их разрушение от случайного непреднамеренного превышения допускаемого давления, как в случае подачи его после выходных дожимающих ступеней компрессора.
Наличие второго независимого нагнетательного блока позволяет подавать азот и с высоким давлением для выполнения других технологических операций с объектами, имеющими прочностные характеристики, аналогичные значениям подаваемого азота высокого давления, т.е. способ более универсальный, позволяет получать азот с двумя значениями давлений, низким и высоким.
Возможность регулирования производительности и концентрации остаточного кислорода в азоте в предлагаемом техническом решении позволяет проводить ряд других технологических операций, требующих регулируемой подачи азота.