專利名稱：用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種制氮系統，尤其涉及一種用于鉆井工藝的的復合 膜分離制氮系統，屬于工業機械制造領域。
技術背景氮氣是一種惰性氣體，可廣泛應用于各種以隔氧為主要目的的工業 設備運行過程，由于空氣中含有約百分之八十的氮氣，所以，氮氣便于被 采集，隨之也出現了各種各樣的氮氣制造系統。目前，氮氣也早已被廣泛應用于油氣井的開采、完井及修井，但在 油田鉆井中的應用卻處于初級階段。事實證明，氮氣用于油田鉆井效果非 常好，主要是由于缺乏適合野外作業和適應惡劣環境的制氮設備。現有的 鉆井制氮設備一般是碳分子篩變壓吸附制氮裝置，這種裝置包括空氣冷卻 器、空氣過濾器組、氮氣分離系統，其中氮氣分離系統以壓縮空氣為原料，以碳分子篩為吸附劑，采用變壓吸附流程(簡稱P.S.A)，在常溫低壓下， 利用空氣中的氧和氮在碳分子篩中的擴散速率不同，把氧和氮加以分離， 從而得到氮氣。這種裝置的缺點在于在生產過程中包含純化(除氧)過 程，這個過程需要加入氫氣并用蒸氣提供適合的溫度，達到氫氧反應以除 氧的目的，所以需要的設備較多，整體體積大，安裝和移動都不方便，而 且受外界因素的影響較大，氮氣的純度不易控制。另外也有用均質膜制氮設備的，這種設備同樣包括空氣冷卻器、空
氣過濾器組、氮氣分離系統，但氮氣分離系統是利用空氣中各組份在膜管 中流動速度的差異而將氮氣分離出來，這種方式受外界因素影響較小，氮 氣純度較高，是一種比較好的制氮裝置，但目前市場上的均質膜制氮設備 有以下缺陷整個裝置沒有形成一個有效的固化產品，而是采用現場組裝 的方式完成，所以體積較大，移動不方便，而且質量控制有一定難度；另外均質膜的耐高溫性能較差，而野外作業時有時空氣溫度很高，經過冷卻 器后溫度依然很高(或因停電冷卻器不工作)，會對均質膜膜管造成一定 的損害(此時若停氣則可能引起卡鉆等事故)，從而縮短設備的壽命，所 以這種設備不太適應惡劣的工作環境。發明內容本實用新型的目的就在于解決上述問題而提供一種用于鉆井工藝的 的復合膜分離制氮系統。本實用新型通過以下方式來實現上述目的本實用新型包括包括空氣預處理系統、氮氣膜分離系統和氮氣鉆井工 藝自動控制系統，在氮氣鉆井工藝自動控制系統的控制下，壓縮空氣經空 氣預處理系統、氮氣膜分離系統輸出，所有設備均置于箱式撬體內；所述 空氣預處理系統由壓縮空氣進氣管、空氣冷卻器、空氣過濾器組和空氣加 熱器依次通過氣管連接而成;所述氮氣膜分離系統由復合膜管組件和氮氣 輸出管線系統組成;所述氮氣鉆井工藝自動控制系統由可編程自動控制系 統和工藝控制執行電器系統組成。把所有設備均固定安裝于箱式撬體內，不但能有效縮小體積，而且 各部件之間連接穩固，能穩定地控制設備性能和氮氣純度；空氣預處理系
統可以將壓縮空氣中的灰塵、雜質清除干凈，并使空氣達到適應于復合膜的最佳分離溫度，以提高氮氣的產量和純度；氮氣膜分離系統中的復合膜 管組件具有工作溫度范圍大、耐水性強、耐油性強、抗污染性強、可維護 等優點，這些優點是現在市場上的均質膜管組件所不具備的；可編程自動 控制系統即PLC控制器，是一種通用的自動控制系統，可以對氮氣膜分離 系統中的溫度、壓力、氮氣純度等變量按設計的預定值進行自動控制。在實際工作過程中，壓縮空氣從本實用新型的壓縮空氣進氣管進入， 然后通過空氣冷卻器(一般采用風冷方式)進行冷卻脫水后進入空氣過濾 器組，空氣過濾器組會將壓縮空氣中的灰塵、雜質清除干凈，這有利于保 護復合膜管，干凈的壓縮空氣經過空氣加熱器加熱到一定溫度(一般以 50攝氏度為最佳)后被送進氮氣膜分離系統，氮氣膜分離系統由復合膜 管組件和氮氣輸出管線系統構成，復合膜管組件是一個圓筒狀的中空復合 膜束，每束包含了上百萬根中空纖維，以提供最大限度的分離面積，每根 纖維直徑約幾十微米，就象人的頭發絲一樣細，壓縮空氣由纖維束的一端 進入，氣體分子在壓力作用下，首先在復合膜的高壓側接觸，然后是吸附、 溶解、擴散、脫溶、逸出，每種氣體的滲透速率不同，氧、二氧化碳、水 蒸氣等的滲透速率快，由高壓內側纖維壁向低壓外側滲出，由復合膜管組 件一側的開口排到外界空氣中；滲透速率小的"氣"——氮氣被富集在高壓 內側，由復合膜管組件的另一端排出至氮氣儲氣罐，從而實現了氧一氮分 離，得到氮氣。作為本實用新型的最佳實施方式，所述空氣過濾器組為粗濾空氣過 濾器、中濾空氣過濾器、細濾空氣過濾器與超細濾空氣過濾器按順序串行 相連。這四級過濾器能徹底除去壓縮空氣中的灰塵和雜質，而且過濾器不
易堵塞，可減少清洗次數。在所述箱式撬體內安裝有對空氣加熱器進行溫度控制的溫度控制器。 與常用溫度控制方式一樣,溫度控制器的感應端安裝于空氣加熱器的氣體 出口端，溫度控制器的控制端與空氣加熱器的繼電器開關連接，當空氣加 熱器的氣體出口端的空氣溫度低于設定溫度時，空氣加熱器工作；當空氣 加熱器的氣體出口端的空氣溫度高于設定溫度時，空氣加熱器停止工作。 這樣空氣加熱器的氣體出口端的空氣溫度就能保持比較穩定，有利于氮氣 分離。在所述箱式撬體內安裝有空氣壓力安全控制器，空氣壓力安全控制器 的壓力檢測器安裝于空氣過濾器組與空氣加熱器之間的氣管上，空氣壓力 安全控制器的控制端與空氣加熱器連接。當系統運轉而無空氣進入，或有 空氣進入但壓力小于某一設定值時,空氣加熱器能在空氣壓力安全控制器 的作用下自動關閉，從而保護膜組及空氣加熱器，使膜管穩定、安全工作 而不受損害。在所述壓縮空氣進氣管和氮氣出氣管之間安裝有直通氣管，在直通氣 管上安裝有手動閥門。直通氣管便于在井場需要時方便地使用壓縮空氣。在不合格氮氣排氣管上安裝有泄壓閥。系統停機后，管道和空器內仍 有高壓氣體，不符合井場安全規范，為了便于安全地實施外圍管道拆除搬 遷作業，可以使用泄壓閥讓系統內部的壓力得到泄放。在所述氮氣膜分離系統和氮氣儲氣罐之間安裝有氮氣純度控制系統。 氮氣純度控制系統的基本原理是通過產品氣采樣檢測支路，由氧檢電池在 線隨機檢測氣體含氧量并通過氧分析儀顯示當時氣體含氧量(即反饋產品 氣純度)，通過調節純度控制閥使得膜組獲得合理的壓力差而調節氣體的純度。在所述壓縮空氣進氣管和氮氣出氣管的端口均安裝有由仁快速接頭， 仁快速接頭通過加固裝置與箱式撬體連接。這種結構可以緩沖現場作業時 的強大沖撞力，防止損壞接頭和管道焊縫。本實用新型的有益效果在于由上可知，本實用新型具有耐高溫高壓、抗污、安全、可維護、高效、 節能、長壽、環保等優點，能適應任何地區野外全天候石油、天燃氣鉆井 可變工況。
-附圖是本實用新型去掉外殼頂部后的俯視結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型做進一步描述如附圖所示，本實用新型包括包括空氣預處理系統、氮氣膜分離系統 和氮氣鉆井工藝自動控制系統，在氮氣鉆井工藝自動控制系統的控制下， 壓縮空氣經空氣預處理系統、氮氣膜分離系統輸出，所有設備均置于箱式 撬體3內；所述空氣預處理系統由壓縮空氣進氣管7、空氣冷卻器8、空 氣過濾器組11和空氣加熱器5依次通過氣管連接而成；所述氮氣膜分離 系統由復合膜管組件19和氮氣輸出管線系統組成；所述氮氣鉆井工藝自 動控制系統由可編程自動控制系統15和工藝控制執行電器系統組成。把所有設備均固定安裝于箱式撬體3內，不但能有效縮小體積，而 且各部件之間連接穩固，能穩定地控制設備性能和氮氣純度；空氣預處理 系統可以將壓縮空氣中的灰塵、雜質清除干凈，并使空氣達到適應于復合 膜的最佳分離溫度，以提高氮氣的產量和純度；氮氣膜分離系統中的復合 膜管組件具有工作溫度范圍大、耐水性強、耐油性強、抗污染性強、可維 護等優點，這些優點是現在市場上的均質膜管組件所不具備的；可編程自 動控制系統15即PLC控制器，是一種通用的自動控制系統，可以對氮氣 膜分離系統中的溫度、壓力、氮氣純度等變量按設計的預定值進行自動控 制。如附圖所示，空氣過濾器組ll為粗濾空氣過濾器9、中濾空氣過 濾器10、細濾空氣過濾器12與超細濾空氣過濾器13按順序串行相連。 這四級過濾器能徹底除去壓縮空氣中的灰塵和雜質，而且過濾器不易堵 塞，可減少清洗次數。在箱式撬體3內安裝有對空氣加熱器5進行溫度控制的溫度控制器 16。與常用溫度控制方式一樣，溫度控制器16的感應端安裝于空氣加熱 器5的氣體出口端，溫度控制器16的控制端與空氣加熱器5的繼電器開 關連接，當空氣加熱器5的氣體出口端的空氣溫度低于設定溫度時，空氣 加熱器5工作；當空氣加熱器5的氣體出口端的空氣溫度高于設定溫度時， 空氣加熱器5停止工作。這樣空氣加熱器5的氣體出口端的空氣溫度就能 保持比較穩定，有利于氮氣分離。在箱式撬體3內安裝有空氣壓力安全控制器4，空氣壓力安全控制器 4的壓力檢測器2安裝于空氣過濾器組11與空氣加熱器5之間的氣管上， 空氣壓力安全控制器4的控制端與空氣加熱器5連接。當系統運轉而無空 氣進入，或有空氣進入但壓力小于某一設定值時，空氣加熱器5能在空氣 壓力安全控制器4的作用下自動關閉，從而保護膜組及空氣加熱器5，使 膜管穩定、安全工作而不受損害。
在壓縮空氣進氣管7和氮氣出氣管21之間安裝有直通氣管6，在直 通氣管6上安裝有手動閥門18。直通氣管6便于在井場需要時方便地使 用壓縮空氣。在不合格氮氣排氣管17上安裝有泄壓閥14。系統停機后，管道和空 器內仍有高壓氣體，不符合井場安全規范，為了便于安全地實施外圍管道 拆除搬遷作業，可以使用泄壓閥14讓系統內部的壓力得到泄放。在氮氣膜分離系統和氮氣儲氣罐20之間安裝有氮氣純度控制系統 22。氮氣純度控制系統22的基本原理是通過產品氣采樣檢測支路，由氧 檢電池在線隨機檢測氣體含氧量并通過氧分析儀顯示當時氣體含氧量(即 反饋產品的氣體純度)，通過調節純度控制閥使得膜組獲得合理的壓力差 而調節氣體的純度。在壓縮空氣進氣管7和氮氣出氣管21的端口均安裝有由仁快速接頭 1,仁快速接頭1通過加固裝置與箱式撬體3連接。這種結構可以緩沖現 場作業時的強大沖撞力，防止損壞接頭和管道焊縫。在實際工作過程中，壓縮空氣從本實用新型的壓縮空氣進氣管7進 入，然后通過空氣冷卻器8 (—般采用風冷方式)進行冷卻脫水后進入空 氣過濾器組11，空氣過濾器組11會將壓縮空氣中的灰塵、雜質清除干凈， 這有利于保護復合膜管，干凈的壓縮空氣經過空氣加熱器加熱到一定溫度 (一般以50攝氏度為最佳)后被送進氮氣膜分離系統19，氮氣膜分離系 統由復合膜管組件19和氮氣輸出管線系統構成，復合膜管組件19是一個 圓筒狀的中空復合膜束，每束包含了上百萬根中空纖維，以提供最大限度 的分離面積，每根纖維直徑約幾十微米，就象人的頭發絲一樣細，壓縮空 氣由纖維束的一端進入，氣體分子在壓力作用下，首先在復合膜的高壓側
接觸，然后是吸附、溶解、擴散、脫溶、逸出，每種氣體的滲透速率不同， 氧、二氧化碳、水蒸氣等的滲透速率快，由高壓內側纖維壁向低壓外側滲 出，由復合膜管組件19 一側的開口排到外界空氣中；滲透速率小的 "氣"——氮氣被富集在高壓內側，由復合膜管組件19的另一端排出至氮 氣儲氣罐，從而實現了氧一氮分離，得到氮氣。本實用新型的重點在于提供一種將所有系統集成到一個箱式撬體內 并使用復合膜管組件來分離氮氣的用于鉆井工藝的的復合膜分離制氮系 統，如果只改變系統的大小或只改變各分系統的位置，則均應視為侵犯本 實用新型專利的權利。
權利要求1、一種用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統，包括空氣預處理系統、氮氣膜分離系統和氮氣鉆井工藝自動控制系統，在氮氣鉆井工藝自動控制系統的控制下，壓縮空氣經空氣預處理系統、氮氣膜分離系統輸出，其特征在于所有設備均置于箱式撬體(3)內；所述空氣預處理系統由壓縮空氣進氣管(7)、空氣冷卻器(8)、空氣過濾器組(11)和空氣加熱器(5)依次通過氣管連接而成；所述氮氣膜分離系統由復合膜管組件(19)和氮氣輸出管線系統組成；所述氮氣鉆井工藝自動控制系統由可編程自動控制系統(15)和工藝控制執行電器系統組成。
2、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統， 其特征在于所述空氣過濾器組(11)為粗濾空氣過濾器(9)、中濾 空氣過濾器(10)、細濾空氣過濾器(12)與超細濾空氣過濾器(13)按順序串行相連。
3、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統，其特征在于在所述箱式撬體(3)內安裝有對空氣加熱器(5)進行溫度控制的溫度控制器(16)。
4、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統，其特征在于在所述箱式撬體(3)內安裝有空氣壓力安全控制器(4)，空氣壓力安全控制器(4)的壓力檢測器(2)安裝于空氣過濾器組(11) 與空氣加熱器(5)之間的氣管上，空氣壓力安全控制器(4)的控制端 與空氣加熱器(5)連接。
5、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統，其特征在于在所述壓縮空氣進氣管(7)和氮氣出氣管(21)之間安裝有直通氣管(6)，在直通氣管(6)上安裝有手動閥門(18)。
6、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統， 其特征在于在不合格氮氣排氣管(17)上安裝有泄壓閥(14)。
7、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統， 其特征在于在所述氮氣膜分離系統和氮氣儲氣罐(20)之間安裝有氮 氣純度控制系統(22)。
8、 根據權利要求1所述的用于鉆井工藝的復合膜分離制氮系統， 其特征在于在所述壓縮空氣進氣管(7)和氮氣出氣管(21)的端口 均安裝有由仁快速接頭(1),仁快速接頭(1)通過加固裝置與箱式撬 體(3)連接。
專利摘要本實用新型公開了一種滿足全天候石油、天燃氣鉆井工藝的復合膜分離制氮系統。本實用新型包括空氣預處理、氮氣膜分離、和自動控制三部分。所述空氣預處理系統由壓縮空氣進氣管、空氣冷卻器、空氣過濾器組和空氣加熱器依次通過氣管連接而成；所述氮氣膜分離系統由復合膜管組件和氮氣輸出管線系統組成；所述氮氣鉆井工藝自動控制系統由可編程自動控制系統和工藝控制執行電器系統組成。由于系統集成到一個箱式撬體內，而且復合膜管組件具有耐水、耐高溫高壓、抗污等很多均質膜沒有的優點，所以本實用新型具有耐高溫高壓、抗污、安全、可維護、高效、節能、長壽、環保等優點，能適應任何地區野外全天候石油、天燃氣鉆井可變工況。
文檔編號B01D53/30GK201052450SQ20072007998
公開日2008年4月30日 申請日期2007年6月20日 優先權日2007年6月20日
發明者星 張 申請人:星 張