注氮气驱油技术氮气纯度检测方法改进研究

成 浩

（中海油田服务股份有限公司油田生产事业部伊拉克油生项目组，天津 300459）

0 引言

当前对于高温、高压、高盐、低渗透油藏，传统化学驱已无法提高采收率，采用气驱是实现提高采收率的重要方向。氮气是一种较好的气驱注入剂，氮气具有压缩系数高、膨胀性大的优点，另外还具有温度和压力变化能改变其自身密度的特性，可将低渗透油藏的油气资源驱除出来，显著提高驱油效率。当前氮气驱油技术已在塔河油田、中原油田等稠油油田得到了广泛的应用，取得了较好的经济社会效益。氮气驱油技术中注入的氮气质量因素是影响气驱效果的关键因素，掌握氮气纯度检测方法，提高注入氮气质量，可保障稠油油田中氮气驱油技术的顺利实施[1]。

1 氮气制备工艺分析

当前油田注氮气主要采用膜分离制氮技术和碳分子筛技术进行制备。

1.1 膜分离制氮技术

膜分离制氮技术工艺装置流程：空气经空压机压缩后进入除油过滤器和冷干机，压缩空气经过除油和去湿作用后进入膜分离装置，膜分离装置可对压缩空气进行过滤、加热、分离、冷却，产出的合格氮气进入氮气缓冲罐中，不合格的氮气排至舷外，同时膜分离装置中剩余的富氧气体也由富氧排放风机排至舷外，氮气缓冲罐用于氮气临时贮存和分配，氮气增压机将氮气增压至一定压力后供给各用户，辅助控制柜可进行船用空压机的软启动、加热器的温度调节[2]。

1.2 碳分子筛制氮技术

碳分子筛制氮装置利用空气为原料，以高质量碳分子筛为吸附剂，运用加压吸附、减压解吸原理从中分离制取氮气。井下移动式碳分子筛制氮装置主要由空气压缩系统、空气净化系统、碳分子筛吸附塔和集中控制系统组成。

2 氮气纯度检测方法分析

2.1 氮气纯度检测方法

当前膜分离制氮和碳分子筛制氮等空分制氮所得氮气的纯度检验方法没有相应的国家标准和行业标准。对于油田氮气驱技术用氮气的纯度检验主要是参照其它行业氮气检验标准来进行，主要有气相色谱法和手持式氧气分析仪两大类进行检测。

气相色谱法来检验氮气纯度：借鉴GB/T 13610—2020《天然气的组成分析/测定气相色谱法》相关标准进行氮气纯度检验；借鉴Q/SY 17011—2020 驱油用减氧空气中氮气含量测定中的相关标准进行氮气纯度检验。

手持式氧气分析仪检验氮气纯度：借鉴HJ 76—2017《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》，采用电化学氧分析仪进行氮气纯度检验；采用氧化锆测氧仪可以测定氮气中氧气含量，进而实现对氮气纯度的检测[3]。

2.2 氮气纯度检测方法的原理

2.2.1 气相色谱法

气相色谱法检测原理：溶液中需要被分离物质在流动相及固定相中的分配系数不同，经过多次的吸附-脱附过程以使组分分离，分离后采用检测器检测，当前油田用氮气纯度检测主要采用TCD 热导检测器。

2.2.2 电化学氧分析仪检测

电化学氧分析仪检测法原理：检测设备由电化学氧传感器、气路单元、电子显示单元组成。氧电极传感器以铂为阴极，铅为阳极，氧在阴极失去电子被还原为氢氧根离子，电子通过电流到阳极使铅被氧化，电流大小与氧浓度成正比。

2.2.3 氧化锆测氧仪检测

氧化锆测氧仪检测原理：氧化钇掺杂的氧化锆功能陶在高温下形成快离子导体，对氧浓差具有敏感性，能够产生浓差电势。

2.3 检测方法存在的不足之处

2.3.1 气相色谱法

1）借鉴GB/T 13610—2020《天然气的组成分析/测定气相色谱法》检测的不足之处：干燥空气中各主要组分气体体积占比为氮气78.102%、氧气20.946%、氢气0.916%、二氧化碳0.033%，氮气、氧气、氢气、二氧化碳四种气体浓度均超过0.01%，而其它气体浓度仅为0.003%；多年的检测实践发现，由于氢气与氧气两者性质相近，经常使用的检测天然气的色谱柱对氢气与氧气无法实现分离，氢气和氧气出峰时间相近两者色谱峰无法分离，氢气和氧气的色谱峰合并成一个峰，增大氧气峰面积，导致测定的氧气摩尔分数值增大，进而影响氮气检测浓度的准确性。

2）借鉴HJ 76—2017《固定污染源烟气（SO2、NOx、颗粒物）排放连续监测系统技术要求及检测方法》检测的不足之处：在该检测中氢气作为载气，在使用热导检测器时，可有效避免因氢气出峰问题对氧气结果的影响；在检测时该方法无法对减氧空气混合物中氢气含量进行有效检测，数据归一后混合气体中氢气含量按比例分配至氧气和氮气总含量中，导致两者的测定结果偏大，无法真实有效地测定混合气体组分浓度；检测时采用的TCD 热导检测器的基本检测原理为不同物质热传导系数不同，氢气与氧气、氮气的热传导系数差别不大（热传导系数均较高），因此氢气不太适合作为减氧空气混合物的载气。

2.3.2 电化学检测

在采用电化学检测时，都需要用到电化学氧气传感器设备。电化学氧气传感器设备在应用前如受到剧烈颠簸会影响传感器读数的准确性，杂质污染会影响到传感器读数的准确性，环境温度、湿度、雨淋等因素都会影响传感器读数的准确性；在检测前后都需要用标气标定，过程繁琐，精度还不高。在对氮气纯度实际测量时，电化学氧分析仪一般安装在移动制氮气车上，该检测环境下检测结果的准确性不高。

2.3.3 氧化锆测氧仪检测

氧化锆测氧仪检测时采用屏蔽电线，采取强弱信号线分别布线方式，故障率大幅度增加，安装方式复杂，检测成本高，在对氮气纯度实际测量时极少采用。

3 氮气纯度检测方法的改进

中海油田服务股份有限公司油田生产事业部以伊拉克油生项目组气相色谱法为基础，对以往的氮气纯度检测方法进行改进，提高了注氮气驱油技术中氮气纯度检验的准确性。

3.1 现有国产气相色谱设备的改进

在公司油田生产事业部选择一台常见国产气相色谱，该设备不能实现反吹及连接毛细柱功能，对其进行改造建立氮气检验方法。色谱柱选用氧氩专用岛津5A 不锈钢分子筛柱，2.5 m×3 mm，65～80 目，5A分子筛进行脱水；针对混合气体组分性质，选用检测氧气和氮气的TCD 检测器；改进后氦气作为载气热传导系数远高于待测气体，使用外标法得出混合气体的组分。改进后的设备可有效提高氮气纯度检测的准确性，但是存在检验时间长达45 min，氮气峰型不佳的缺点。

3.2 采用带有反吹功能的气相色谱

为进一步提高公司氮气纯度检验的准确性，采购了带有反吹功能的气相色谱。在进行检测时，样品经阀V1 进入定量环吹扫干净后，阀V1 打开，载气1 将样品带入5A 中进行分离，当O2、Ar 流出5A 进入氧氩专用柱而N2没流出时，将阀V2 打开，组分N2经过TCD 被检测得到。将阀V2 关闭，组分O2、Ar 经氧氢专用柱分离进入TCD 被检测得到。

采用带有反吹功能的气相色谱，可进一步提高氮气纯度检验的准确性，将检验时间从之前的45 min降低至10 min，氮气峰型正常。

4 结语

对注氮气驱油技术中氮气纯度检测的方法、原理、不足之处进行了分析，立足公司实践提出了氮气纯度检测方法的改进方法，大幅度提高了氮气纯度检测的准确性，为油田注氮气技术提供准确的基础数据。