【摘 要】
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CO2驱油增采（CO2enhanced oil recovery,CO2-EOR）已成为石油工业中常用的提升油气采收率的方法。然而,CO2驱油过程中产生的伴生气包含大量的CO2、CH4等气体,若将其直接排放不仅会污染环境,而且造成资源的巨大浪费。相反,将分离提纯后的CO2重新用于驱油,而CH4作为燃料气,则可实现伴生气的资源化利用。显然,有必要开展伴生气的分离工艺研究。当前众多的气体分离方法中,膜
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CO2驱油增采（CO2enhanced oil recovery,CO2-EOR）已成为石油工业中常用的提升油气采收率的方法。然而,CO2驱油过程中产生的伴生气包含大量的CO2、CH4等气体,若将其直接排放不仅会污染环境,而且造成资源的巨大浪费。相反,将分离提纯后的CO2重新用于驱油,而CH4作为燃料气,则可实现伴生气的资源化利用。显然,有必要开展伴生气的分离工艺研究。当前众多的气体分离方法中,膜分离法具有设备体积小、结构紧凑等优点,非常适合勘探式油井产出的伴生气处理。结合伴生气的特点,设计可实现回收两种CO2、CH4高纯度气体的膜分离工艺流程,选择适宜的气体分离膜材料,是推动气体膜分离工艺在工业上大规模应用的关键。本文针对某油田CO2-EOR伴生气的组分含量和流量变化大的特点设计了包含前处理的气体分离膜流程,经过该流程处理后,高纯度CO2和CH4产品气可以分别从膜渗透侧和截留侧两个出口收集。建立了逆流中空纤维膜模型,利用MATLAB Simulink对中空纤维膜分离过程进行模拟,对比研究了聚酰亚胺（PI）、乙酸纤维素（CA）、聚砜（PSF）三种膜材料的分离特性和在不同操作条件的分离效果,结果表明PI的综合分离效果最佳。考虑到多级膜流程设计的复杂性,本文利用Aspen HYSYS系统,针对CO2/CH4/N2体系设计了三种多级膜分离流程,考察了在原料气CO2浓度为30%、50%、70%的情况下产品气CO2和CH4的纯度、回收率以及压缩机能耗和总单位成本,结果表明二级二段气体分离膜流程可以更好地完成分离任务,总单位成本为0.0187$/Nm~3CH4。研究了原料气浓度、原料气流量和操作压力对二级二段膜分离过程的影响。最后,使用商业聚酰亚胺（PI）膜对现场采出的伴生气进行分离试验,考察温度、压力和切割率对膜分离特性的影响。结果表明,操作温度范围为35～50℃,操作压力范围为0.7～1.0MPa,切割率范围为0.4～0.55时分离效果较好;切割率的增大使CO2/CH4和CO2/N2分离系数增大。将实验结果与MATLAB和HYSYS模拟结果进行对比,结果吻合较好,相对误差分别不超过4.0%和8.7%。
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