高原钻井供氧系统研究

高原钻井供氧系统研究

黎俊亨，,彭太锋,，安杰,，武瑞娟

中石化四机石油机械有限公司，湖北 荆州 430074

摘要：国内目前尚无专门针对高原环境研发的钻机，为解决缺氧、高寒等极端环境对钻井作业带来的困难与问题，本文对钻机司钻区域的供氧系统进行研究，从分别对高原钻机供氧的要求，制氧技术以及供氧压力进行分析，得出初步的司钻房供氧方案，确保供氧系统能为钻井工人提供安全舒适的工作环境，为新一轮的油气勘探工作提供支撑。

0. 引言

在2004年10月“新一轮中国国土资源大调查”中初步证实，中国西藏高原羌塘盆地蕴藏大量油气资源，将成为青藏高原海相盆地找油最具前景的地区，并有望成为国家最重要的油气开发接替阵地。“十四五”新一轮油气勘探评价验收后，国家启动第二次青藏高原油气科考专项，这对油气资源战略储备和保障能力建设具有战略意义。

国内目前尚无针对高原环境开发的钻井，司钻过程的供氧弥散方案处于相对起步阶段，在钻井设计过程中工程师对供氧系统的设置难以把握。因此，本文结合自动化钻机的设计经验以及模拟仿真技术对司钻供氧系统进行研究分析。

1. 高原钻机的供氧浓度要求

根据GBT35414-2017《高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求》，人在轻体力工作状态下的耗氧量为0.03m3/h，则某空调房间内2个人的耗氧量为0.06m3/h。弥散供氧富氧环境房间氧浓度不宜过高，一般房间氧浓度增加3%-5%为佳，每增加1%氧浓度相当降低海拔高度300米；房间（空间）容积是氧气量的2-3倍，房间内氧气浓度的火警安全参考美国国家火警会制定的标准（海拔4000米和5000米室内氧浓度的大安全值为29%-30%）。【1】

    弥散供氧的司钻房属于需要高度专注的高原办公区域，供氧浓度应在25%~26%之间为宜。

2. 高原钻机的制氧技术

当前，制氧领域较为成熟的工艺主要包括深冷制氧，化学制氧，物理制氧等。深冷法制氧系统具有开工时间长、运行维护复杂、投资大、基建费用及运行成本较高、运行时耗电量高等特点，适用于产氧量较多的氧气站以及其他集中供氧的情况；高原地区土地贫瘠，建设深冷制氧站规模不大，经济落后；规模庞大，产需失衡。此外，深冷法供氧不及时，启动至产氧时间约为30h，所以不宜在高原上应用。

若建造液氧罐在高原地区的运输成本过高，且液氧气化的体积比例相差悬殊，发生泄漏后的后果将不堪设想，GB50030-2007中对于液氧站的建造做出了明确的规定：对于≤1000m3的储氧池，10米内不能有任何建筑物，18米内不能有民用建筑，50米内不能有重要的公共建筑。所以建液氧罐亦不宜在高原上应用。【3】

膜制氧浓度低，通常为27%~45%，不能满足高压氧疗，高原急救等需要，适合提供隧道氧吧及正压式个人呼吸防护设备。在保健用氧方面，它仅适用于面罩式供氧的场合，需要的气量提高至8L·min-1。但是面罩供氧给吃饭，喝水，讲话等带来了很多不便。且因高原沙尘较重，分离膜容易被阻塞，故不宜在高原上应用。深冷及变压吸附制氧可以考虑急救用氧，且有灌装气瓶的功能，但膜分离无法考虑。

氯酸盐氧烛，超氧化物及其它化学试剂制氧气，以及磁力制氧气，生物制氧气的方法，因不适用于家庭，已退出历史舞台。

变压吸附法生产氧气浓度可达90%以上，产氧量可大可小，由每分钟1升到每小时数百立方米；产品形式灵活多样，可采用便携式，车载式，移动式和固定式等；产氧时间缩短、设备简单、安装运输速度快、故障率降低、维护方便、自动化程度提高、操作简便、能耗降低，仅为0.4 kW.h/m3。变压吸附分子筛制氧在绝大部分施工营地都是合适的，供氧技术也是成熟的。同时，变压吸附法生产出的氧还具有良好的溶解性和稳定性，能够有效地防止有害气体进入大气，降低环境污染。【2】

鉴于高原地区特殊情况，采用变压吸附法为高原钻机制氧技术的最佳选择。

3. 司钻房供氧压力

确定使用变压吸附法制氧后，需要对司钻房内工作人员吸氧方式进行选择。本文采用了一种新型的供氧弥散装置，通过改变管道直径和不同位置安装孔位，实现对人员吸入量与实际需求之间关系的准确测量；根据现场环境条件及操作要求，设计出一套基于PLC控制的控制系统，控制环境内温度以及氧浓度分布。

供氧弥散装置属于微正压式供氧，为确定供氧压力，本文使用商业软件amesim建立钻机司钻房氧气平衡模型，分别计算0.15MPa、0.2MPa供氧压力下的气体组分平衡情况。

计算结果如下图所示：

图1 供氧压力0.15Mpa下司钻房氧气体积分数占比随时间变化曲线

图2 供氧压力0.2Mpa下司钻房氧气体积分数占比随时间变化曲线

由上述结果可见，只要由0.15-0.2Mpa的微正压氧气供给，司钻房可在1-2分钟内快速营造富养环境，保证工作人员的安全健康。

4. 总结

经详细分析后确定高原钻机氧气供应需要提供25%以上26%以下的富养环境，使用供应压力为0.15-0.2Mpa的微正压变压吸附法为最佳制氧供氧方法。

参考文献

【1】GBT35414-2017，高原地区室内空间弥散供氧(氧调)要求【S】

【2】田涛，高振海，石梅生，马军，王济虎，刘红斌 ，高原缺氧环境制氧技术与装备的分析及发展对策 【C】. 第十五届中国科协年会第22分会场：高原环境下的疾病防治与健康工程论坛论文集，2013

【3】GB50030-2007，氧气站设计规范【S】