采用燃油、燃气快速制取惰性气体的方法 【技术领域】
本发明涉及惰性气体的制取方法，尤其是石油、天然气开采业及煤层气开采业中所使用的安全防火用惰性气体的制取方法。
背景技术
在石油、天然气钻井过程中，通常采用泥浆冷却钻头、冲洗井底。泥浆的压力一般高于地层压力，因而相应产生的缺点是泥浆易污染油层，且较高的井底压力影响了钻速的提高。在20世纪50年代，出现了欠平衡钻井，包括空气钻井、雾化钻井、充气钻井和泡沫钻井等，其压力低于地层压力，使井底压力降低，有利于钻速的提高，并减少对产层的污染；但其存在的主要问题之一是，空气中的氧可能引起油、气井下的失火和爆燃，因而必须采用惰性气体入井。国外在欠平衡钻井中采用的惰性气体通常是氮气，后来为了降低成本，有的采用氮气中加入空气作为惰性气体使用。通常制取氮气的方法有空气分离制氮技术、采用吸附剂的变压吸附制氮技术、液态氮技术以及采用分子筛的膜分离技术等，用上述技术制取氮所使用的设备复杂、投资大、成本高，且气源量有时满足不了钻井的需求。除此之外，也有人用锅炉燃烧所产生的烟道气制取含氧浓度较低的惰性气体，但其设备庞大，投资费用高，不利于移动，对石油、天然气及煤气开采行业亦不大适用。由于上述原因，欠平衡钻井技术在国外尚未大规模采用，在我国也仅少数油田在试用。生产适合井下使用的惰性气体的技术关键是减少气体中的含氧浓度，使其能够避免井下失火；同时要降低惰性气体的制取成本；其所使用的设备要适合钻井作业经常移动、搬迁的特点。西南石油学院地发明专利《一种现场快速制取惰性气体的方法》(专利号：ZL00113183.4；国际专利主分类号：BOIJ19/14)采用柴油机尾气，通过对柴油机运行工况的调控等手段来产生满足井下防火要求的惰性气体。其主要优点是，惰性气体来自现场柴油机的尾气，不增加设备投资，仅通过负荷匹配或简易的调整改造，即可使其尾气中的含氧浓度达到防止井下失火含氧浓度的要求，大大降低了成本，且设备易于搬迁；但其缺点是需要与现场现有设备进行负荷匹配，柴油机的运行工况受现场负荷变化的影响，因而产生的惰性气体的含氧量不够稳定。
【发明内容】
本发明的目的在于，提出一种采用燃油、燃气快速制取惰性气体的方法，它不受现场生产设备限制，产气量易于在大范围内调节，生产成本低，易于搬迁，能够满足石油、天然气、煤层气开采行业的防火需要。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：采用双燃料燃烧系统装置，根据生产现场实际情况，选择燃油或燃气或双燃料作燃料，并选择燃烧器个数，调节燃料投入量，控制二次配风量，使其在较低过剩空气系数下燃烧，以产生含氧浓度低于引起石油、天然气、煤层气井下失火的含氧浓度的惰性气体，以满足石油、天然气及煤层气的开发生产要求。
为使燃料燃烧充分，当采用燃油为燃料时，使用雾化扩散燃烧；而当采用天然气为燃料时，使用部分预混式燃烧。
本发明的优点是：
(1)自成系统，不受现场生产设备限制，惰性气体的产生量易于在大范围内调节，能够满足石油、天然气、煤层气的开发要求。
(2)所产生的惰性气体以氮气、二氧化碳为主要成分，其防火效果比单纯用氮气加入空气作为惰性气体的防火效果好。
(3)生产成本比目前国内外石油行业中广泛使用的膜分离技术，变压吸附技术等低；且使用清洁燃料，能够满足环保要求。
(4)设备撬装化，易于搬迁，适合石油、天然气、煤层气开发特征。
【附图说明】
图1是本发明实施工艺流程示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图说明本发明的实施例：
实施例1：若根据现场要求使用轻质柴油作为燃料，根据工艺要求产生50Nm3/min的惰性气体量。参看附图，轻质柴油由油箱(6)经燃油流量计(7)计量后进入燃油泵(8)加压，再进入燃油燃烧器(9)；空气由风门(2)进入风机(3)经空气流量计(4)计量后进入配风器(5)，燃油燃烧器(9)中的柴油经配风器(5)一次配风后喷入燃烧室(10)进行燃烧，通过控制二次配风器(5)的配风量，调节燃烧室(10)的过剩空气系数，产生惰性气体，惰性气体再进入惰性气体处理系统(14)进行冷却、除水、除尘等处理，由含氧浓度在线检测仪(15)检测得到符合防火要求的惰性气体，进入空压机(16)供现场使用。需要的燃油量和启动的燃油燃燃器的个数由控制系统(1)根据含氧浓度的检测信号、燃油流量信号和空气流量信号控制。
由燃烧学的知识可知，每一公斤柴油完全燃烧所需理论空气量为11.06Nm3左右，折算为惰性气体产生量为：11.06×1.05＝11.6Nm3。启用一个喷油量为5kg/min的燃烧器(9)进行燃烧，根据需要产生的惰性气体量控制配风量，使一、二次配风总量为48Nm3/min，即可保证惰性气体的含氧浓度达到防止井下失火的浓度极限和工艺气量要求。
若根据工艺要求生产100Nm3/min的惰性气体量，则启用两个喷油量为5kg/min的燃烧器(9)进行燃烧，根据需要产生的惰性气体量控制配风量，使一、二次配风总量为96Nm3/min，即可保证惰性气体的含氧浓度达到防止井下失火的浓度极限及工艺气量要求。
实施例2：若根据现场要求使用天然气作为燃料，根据工艺要求产生50Nm3/min的惰性气体量。参看附图，天然气经调压阀(11)，燃气流量计(12)，通过燃气燃烧器(13)配风后进入燃烧室(10)进行燃烧，通过控制二次配风器(5)的配风量，调节燃烧室的过剩空气系数，产生惰性气体，惰性气体再进入惰性气体处理系统(14)进行冷却、除水、除尘等处理，由含氧浓度在线检测仪(15)检测符合防火要求的惰性气体，进入空压机(16)供现场使用。需要的燃气量和启动燃气燃烧器的个数由控制系统(1)根据含氧浓度的检测信号，燃气流量信号和空气流量信号控制。
由燃烧学的知识可知，每1Nm3天然气完全燃烧所需理论空气量为9.5Nm3左右，折算为惰性气体产生量为8.5Nm3。启用一个燃气量为6Nm3/min的燃气燃烧器(13)进行燃烧，控制配风量，使一、二次配风总量为57Nm3/min，即可保证惰性气体的含氧浓度达到防止井下失火的浓度极限和工艺气量要求。
若根据工艺要求产生100Nm3/min的惰性气体量，则启用两个燃气量为6Nm3/min的燃烧器(13)进行燃烧，控制配风量，使一、二次配风总量为114Nm3/min，即可保证惰性气体的含氧浓度达到防止井下失火的浓度极限和工艺气量要求。