空气分离技术范文第1篇

【关键词】现代化 空气分离 设备 发展趋势

空气分离设备是根据各种气体沸点的不同将其分离开来的，它采用的是深度冷冻的方式，主要针对空气中的氧气、氮气以及多种稀有气体。近年来，世界各国都对空气分离技术进行了深入的探讨与研究，取得了突破性进展，基于内压缩工艺以及节能环保的空气分离技术已经投入使用。并且，预冷技术也取得了很大进步，膨胀设备和分子筛选系统也进行了很大的改进。

1 空气分离简介

空分技术领域一般分为化工型以及冶金型两种。化工型也称作内压缩过程，一般是指将主冷凝器里的液态氧的压力利用低温液体泵压缩到可利用的压力（6.5-9.5MPa），然后再运送出冷箱，这个空分过程称为化工型；冶金型就是指将氧气的压力通过氧压机进行压缩，一般是将出冷箱时的压力从13MPa降到3.0MPa左右，这一空分过程称为冶金型。

近年来，我国的逐步进入了工业化大发展阶段，空气分离领域也进行了大型空气分离设备的研究和开发，充分使用该领域的先进技术，并且建立大规模的空气分离制造产业。目前该领域内最为先进的分离技术包括内压缩工艺、无氢制氩以及规整填料等均被利用到我国的空气分离设备的开发制造中。我国的空气分离产业还实现了大型化、自动化、耐用性高、适用性强、节能环保等优势[1]。近年来，一种新型的气体分离方法-非低温气体分离方法发展迅速，因此而产生的基于膜分离技术和变压吸附技术的空气分离设备也备受业内关注。这些技术不但可以分离传统的氮气和氧气，还能够进行氢气、碳氧化合物等气体的分离和回收。同时，提纯稀有气体和高纯度气体的相关技术也得到了很大的运用和发展。空气分离设备的制备技术和应用范围越来越广泛，为我国的科研和电工领域的发展奠定了基础。另外，国内很多空气分离设备的制造厂家逐步摆脱了单纯制造设备的传统经营模式，开始基于自身技术开展气体生产。

但是，我国空气分离领域仍存在着很多不可忽视的问题。首先，在经济全球化发展的今天，民族传统工业受到了很大冲击，在气体的应用方面存在了很大的缺陷；其次，行业内部各生产企业之间的不当竞争严重阻碍了企业规模的发展和壮大，企业缺乏长远的规划也限制了空气分离行业的不断进步；再次，企业对于高新技术的应用不充分，技术开发能力不足，企业的规模较小等，这些都严重限制了我国空气分离行业的快速发展。

2 空气分离领域的发展趋势

2.1 设备需求

随着我国化工产业和金属制造产业等的快速发展，对空气分离设备的制造工艺提出了更大的挑战，大型空气分离设备的需求量也不断增加。在我国的工业生产状况下，化工领域通常使用的是五万等级以上的空气分离设备。根据近年来行业发展的趋势不难看出，空气分离领域的发展势头非常的惊人，但是具有突破性的技术很多都是引进国外的，或者是国内外合作发展的。在国外，例如美国空气制品公司、林德公司等都是用的是9万等级以上的空气分离设备，并且已经成功开发出高于11万等级的设备。相比来说，我国对于空气分离设备的需求大部分集中在7-8万等级的设备上，因此，国内的生产目标应设置在7-8万等级以满足工业生产对空气分离设备的需求。

2.2 技术发展[2]

2.2.1内压缩技术

根据多年的研究探究发现，氩气的总的采收率和进上塔的空气量有密切的关系。内压缩工艺就是将部分液氧利用泵体注入到管网，复热过后送入冷箱，这样更多的空气被送入了分离塔，从而获得氢的量增加。内压缩技术在宝钢的72000Nm3/h的空气分离设备中已经投入使用。

2.2.2充液技术

充液启动设备通过向塔内冲入液氮和液氧来提高空气分离设备的积液以及冷却速度从而在短时间内实现设备启动。它工作于设备的启动初期，并且需要上下塔达到合适的冷却温度。充液启动技术可以使设备在原来一般的启动时间内启动运行，实用价值重大。

2.2.3冷水机组设置

冷气机组的设置数量应符合于氮气产品的需求量，对于需求量小的生产企业可以适当的减少设置的冷水机组的数量。减少机组数量，可以降低生产设备的投入资本和空间人力等的使用资本，同时可以减少设备的维护和使用资本。冷水机组的减少要在适当的在生产量、可靠的水冷塔设备以及稳定的纯化器基础之上，并且保障氮气流量相同的情况下能够满足生产需求，尽可能降低水温和进入纯化器中的气体的温度。

2.2.4自动变负荷工艺

在金属制造领域，由于转炉吹炼过程是一个非连续性的过程，所以需要的氧含量是不同的，这样就会导致部分氧气浪费。据调查发现，我国的金属制造业有百分之四到百分之十五的氧损失量。自动变负荷技术就是根据这一现状提出的，它可以调节氧气的量，并且转变时间极短，还能够保障产品的纯度。自动变负荷技术是基于压缩机的排气量减少来实现的。空气压缩机的排气量减少就可以使轴功率降低，从而达到节能减耗的目的。自动变负荷技术的使用可以减少空气分离设备的耗电量，从而降低生产成本，一方面提高了经济效益，另一方面响应了节能环保。

3 小结

空气分离设备广泛应用于化工、电工以及冶金产业，对我国的工业化生产举足轻重。对于空气分离行业来说，既要满足国内的市场需求，又要借鉴国外的发展成果，提高技术的自主研发，为我国空气分离行业的迅速发展提供良好的技术环境。

参考文献

空气分离技术范文第2篇

[关键词]VOC检测 色谱法 PID检测法

中图分类号：X830 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0318-01

VOC是挥发性有机化合物（Volatile Organic Comounds）的英文缩写，但是这里主要指的是对人类身体和环境造成不利影响的挥发性有机物。在常温下容易挥发的有机物主要包括苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醇、乙醇、十四碳烷、酮类等。这些化合物由于其易挥发和亲油的特性被人们广泛用于烟草、纺织、玩具、装修、汽车配件、电子电气、化妆品等行业。该物质的易挥发性质使其融入空气，造成空气污染，从而危害人体健康，下面简要分析VOC的检测方法以及未来的研发方向。

一、 VOC的检测方法

目前VOC的检测方法主要分为两类：一类是气相色谱法；另一类是高效的PID检测法。

1 气相色谱法

1.1原理

气相色谱法即利用气体作为移动相的色谱法。该技术是气相色谱仪的核心技术。气象色谱仪中有一根流通型的狭长管道，被人们称为色谱柱。选中7种样品作为参照物，利用气相色谱技术将混合挥发性有机化合物进行分离，即有机化合物随着气流的运动而运动，逐渐被吸附剂吸附或被固体液溶解，由于不同物质的吸附和溶解速度的不同而被分离。有机化合无分离后从管道流出，被检测仪检测，反射出不同的信号，再将其信号传变成电信号输出。

1.2空气中甲醛的检测

甲醛是室内常见的有害有机化合物，对人体健康造成不利影响。在酸性环境下，空气中的甲醛吸附于二硝基苯的但体形成稳定的甲醇腙，再经过二硫化碳洗脱和色谱柱分离，并利用氢焰离子化检测仪对其进行检测，根据甲醛在色谱柱中保留时间的长短和峰值的高低来判断甲醛的性质和含量。

气相检测法师目前检测空气中甲醛含量较为先进的检测方法。利用该技术选取顶空气相色谱法来对其进行测定，该方案的高效性、灵敏度和回收率都适于检测汽车空气中的甲醛含量。该方案在0.2L/min流量和20L样品的条件下，其测定范围为0.02-1.00mg/m3。

1.3空气中苯系物的检测

苯系物被世界卫生组织认定为强烈致癌物质，其挥发性和有毒性极易被人们吸收，会产生头晕、恶心等不适现象，长期接触会引起慢性中毒，导致人体神经衰弱等症状。苯系物中甲苯、二甲苯做为装修的化工原材料，使其成为室内空气检测的重点。

空气中的苯系物经过活性炭的吸附，将水分、氧气等杂质去除，然后经过二硫化碳提取，再通过气相色谱法将其分离，其中色谱柱为6%腈丙苯基和94%聚二甲基硅氧烷的毛细管柱，进样口温度控制在250℃，然后经过检测仪检测定性，最后根据色谱峰的面积确定苯系物的含量。

2 PID检测法

PID指的是光离子检测仪，简单来说可以将其看做没有分离柱的气相色谱仪，相对于气相色谱仪而言能够得到更为精确的数据，特别是对PPM级有毒化合物具有较好的灵敏度和准确度，但是其选择性不大的缘故，被人们认为很难普及推广。实际上VOC常用的检测方法的选择性也并不宽广，PID检测法的优势在于它的针对性，小巧轻便，可连续测量，其可以为检测者提供实时数据，该检测仪还具有记录功能，可以对相关数据进行回放，便于检测者对其动态数据进行分析。PID检测是目前较为先进的挥发性有机化合物检测法，其检测达到0.1ppm分辨率，测量0-1000ppm的有机物质，PID测量技术为预防长期中毒提供可能，也是应急事故处理的最佳测量仪。

二、 空气中VOC检测方法的发展方向

空气中VOC传统的检测方法都有着自身的优缺点，未来检测法必然走向多元化的发展方向，提高数据的精确度和灵敏度。将电子技术、计算机技术与检测技术相结合，共同促进VOC检测法的进步。

1. 远红外便携光谱技术

结合现代分子运动与量子力学理论的研发成果，各个分子和原子被分成不同的能级，其释放的能量各不相同，对光谱的吸收特征也各不相同，从而判断空气中是否具有VOC成分，但是其检测原理由于受到光源的限制，传统的激光器输出的波长在紫外线的波长范围内，而这一波段中的有机化合物吸收的光谱有部分重叠的部分，因此需要针对多个色谱峰的面值进行计算。根据根据各个有机化合物的色谱峰特征的观察，可以发现大多数的色谱特征都体现在远红外波段内，利用这一特征，科学家致力于研发远红外波的激光器，从而增加气相色谱法的灵敏度和精确度。将远红外波激光器与二次谐波锁的探测技术相结合实现提升有机化合物检测的灵敏度。

2. 高场不对称波形离子迁移谱技术

波形离子迁移谱技术具有检测速度快、灵敏度高、微型化的优势，在各个领域内被广泛应用前景。该技术的原理是利用离子在高电场中迁移率的非线性变化将离子进行分离，即因为离子的质量和截面积的不同使其在高电场中的迁移率的不同，在电场条件保持一致的前提下，不同的离子有不同的运行轨迹，从而实现离子的分离。该技术与微电子机械系统相结合，实现对VOC检测的速率、分辨率和灵敏度等的提升。

3. 薄膜光波导技术

薄膜光波导技术具有高灵敏度、高精确度、简易操作、携带方便的优势，适用于需要快速检测的应急事故现场使用。光波导气敏传感元件是以光波导技术为核心的先进技术，该元件能够高效率的检测出挥发性有机化合物的气体。例如SnO2薄膜与玻璃光波导相组合有效检测空气中二甲苯的含量。

4. 激光光谱技术

激光光谱技术使用激光激发某类物质，物质被激发后会释放出其它的波段，再用光谱仪检测器光谱，从而判定其物质的性质与含量，该技术具有密度高、高亮度、方向性强和单色性强等优势。该技术推动气相色谱技术的灵敏度和分辨率得到很大的提升，例如荧光光谱、拉曼光谱等。

结束语

综上所述，目前空气中VOC检测法都具有自身的优缺点，根据自身技术的特点运用在不同的领域，但是该检测技术的应用存在一定的不足之处。针对未来VOC检测技术没有具体的发展方向，而是根据目前检测技术的现状与当下先进的科学与其它现代技术相结合，促进其检测技术的多元化，实现VOC检测技术的检测速率、灵敏度和精确度的提升，从而推动我国VOC检测技术的进一步发展。

参考文献

[1] 王黎明，周瑶，赵捷等.空气中VOC检测方法的现状及研究方向[J].上海工程技术大学学报.2011（2）.

[2] 季军宏，陈嘉文.涂料中VOC检测方法的建议与展望[J].涂料工业.2015（4）.

空气分离技术范文第3篇

空气净化器购买误区

虽然空气净化器的概念炒得火热，但消费者一般在雾霾严重的时候才会想起他，在冬季雾霾频发的时候，部分型号的空气净化器更是卖断了货。然而，在这么大销量的背景下，空气净化器的滤网却销量平平。其实，对于室内空气净化以及空气净化器的认知，这其中存在许多的误区，主要集中在以下几个方面：

1. 购买空气净化器要先了解他的工作原理，再决定其使用，是除去源头污染还是空气中的污染，是否可以人机共处等等。需要消费者们根据自己的需求再去决定购买产品的类型。

2. 除菌、去异味、除甲醛、除苯系物这些问题，看似每个空气净化器都可以做到。但要快速去除这些室内污染成分要求空气净化器所采用的净化技术是相当高的。一些厂家为了忽悠消费者，任意夸大产品功能，而实际上仅仅只能去除一部分有害物质或者过程较为耗时。

3. 开窗通风可以净化室内环境、提高室内空气质量。如果室外空气质量较好，通风确实够提高空气中氧气的含量，降低室内空气污染成分的浓度。但是如果在受污染较严重的地区，户外的污染比室内还严重，会导致我们的室内环境更加恶劣。所以传统的通风不仅不能改善室内的空气污染环境，还很有可能加大污染的问题。

4. 空气净化器有净化空气的功能就好，加湿、美肤等附加功能多此一举。其实这些功能对人体体感舒适度的提高还是很有帮助。比如加湿功能，在夏季降温和冬季保暖时，即使空气较好，人们也会关窗。这时室内可以保持40%-60% 健康湿度对人在室内活动的健康和体感舒适度更是加分。

空气净化器的净化技术

空气净化器的净化技术大致可分为6类1.HEPA技g

这是目前来看比较成熟而常见的技术，是一种安全可靠的除尘技术。

高效过滤器，针对微小颗粒、粉尘、细菌、病毒等物质进行有效过滤。

a 容易损坏，必须定期更换。

b HEPA滤网密度高，必须要有一个风扇去带动空气流动通过它。

c 只能过滤流过滤网中的空气。

2.活性炭技术

它具有除臭除尘的能力，但也存在吸附饱和的问题，使用一段时间后效果容易衰减。

可吸附空气中的异味

并不能将甲醛、苯等有害物质分解，是吸附，所以定期更换尤为重要，更换滤网则需要产生一定的费用。

3.负离子技术

其主要原理是运用静电释放负离子吸附空气中的尘埃，同时负离子对空气中的氧气也有电离成臭氧的作用，对细菌有一定的杀灭作用。

负离子与尘埃颗粒结合，产生带静电的尘埃颗粒，产生沉降，起到净化作用。

不能消除甲醛、苯等有害气体。

4.光触媒技术

纳米材料在光的照射下，把光能转变为化学能，促进有机物的合成或使有机物降解。

有除尘、杀菌等功效，是一种被广泛使用的技术。

必须在特定波长的紫外光激发下才能起效，产品寿命很短，效果不明显，紫外光对人有伤害，净化时不宜人机共存。

5.臭氧技术

臭氧对细菌的灭活反应很迅速，杀菌彻底，但臭氧超标会对人体健康危害严重。它对呼吸道产生的强烈刺激，会引起头晕、头痛、呼吸困难等不良反应。

可杀灭留存于空气中、水中、物体表面的多种使人和动物致病的病菌、病毒、支原体和微生物。

a 超标的臭氧会造成人的神经中毒、头晕头痛、视力下降、记忆力衰退。

b 不能人机共存。

c 不能吸附固态颗粒。

6.静电除尘技术

用高压静电形成的电场磁力去吸附空气中的尘埃。若积尘太多或静电吸尘效率下降，容易造成二次污染。

使用方法简单，不用更换价格高昂的耗材。

断电后，电极上吸附的粉尘等会释放造成二次污染，所以电极板需要定期清洁。

空气净化器的工作原理

空气净化器的工作原理分类大致可以分为3类

1. 被动吸附过滤式。工作原理是用风机将空气抽入机器，通过内置的滤网过滤。主要作用是过滤粉尘、消除异味、消毒等。它主要是依靠滤网和活性炭吸附。

2. 主动净化式。工作原理是主动向空气中释放净化灭菌因子。主动杀菌原理又可以分为银离子技术、负离子技术、光触媒技术技术等。这些技术在滤除杂质的同时，也能有效的抑菌、杀菌。

3. 主动+被动双重净化式。这是双重净化技术是以主动净化为主，再结合滤网过滤的一种空气净化方式。这类空气净化器能够针对空气中的粉尘、异味和有毒气体进行全方位的清除。

空气净化器的使用技巧

1. 根据当地空气污染情况决定是否启动。比如以净化PM2.5污染为主的空气净化器，最好在大气污染严重或者有室内空气污染的情况下使用。如果大气空气质量很好，还是应以通风换气为主。

2. 要及时做好净化器的清洁和保养，根据净化器的提示及时做好滤网更换或者除尘。特别提醒！不要忽略空气净化器在购买很长一段之后出风口内、滤网后的风扇扇叶等部位积尘的问题，应找专业人员拆机进行清理。

3. 被动滤网式空气净化器使用时摆放的位置也很重要，尽量要使其可以让全屋空气流动起来。让其最好安置在房屋中间，或者离污染源（如新购置的家具等）0.5m左右的距离。在放置时要注意其进出风口的位置，不要有遮挡物。

4. 使用中注意净化效果，如果发现净化效果明显下降或者开启空气净化器后有异味，就要及时更换过滤材料和清洗过滤器了。

5. 注意使用安全。活性炭滤芯和高效过滤器要注意在使用中远离火源，避免吸烟人的烟头不慎吸入发生火灾。静电吸附式空气净化器在使用时，应避免直接接触。 臭氧和光触媒技术的产品要注意不能人机共处一室。

6. 空气净化器一般不要放在离人体太近的地方，因为净化器周围的有害气体比较多。如果净化吸烟烟雾的净化器可以离吸烟人距离近一些。

7. 如果选择具有加湿功能的净化器，应注意在夏季梅雨季节或者湿度大的场所不使用加湿功能，否则会降低净化效果。

8. 室外空气质量非常不好难以开窗换气的时候，被动滤网式空气净化器是可以长时间的使用，以避免遇到机器关机后室内污染持续升高，开机后又需要一定的时间才能降低污染浓度的问题。所有有质量保证的家用空气净化器设计都是以长时间开机为前提的，因此可以放心长时间使用。

空气分离技术范文第4篇

关键词：污染源 有机物在线监测 在线富集分离

1. 引言

污染源废气监测中，有机物监测是十分重要的内容。如：油漆有机溶剂废气、造漆厂废气、集装箱制造厂喷涂废气、化工、石油化工等行业都有污染源排放苯、甲苯、二甲苯等有机物。这类有毒、有害物质严重影响人类健康，被国际癌症研究机构确认为有毒致癌物质。

目前对于有机物的监测国内主要还是停留在实验室分析阶段【1】【2】。污染源废气经专用采样设备采样富集后，通过样品预处理装置净化，提纯后再进实验室分析仪测试，最后经数据处理后得到监测数据。实验室分析存在监测数据有一定的滞后性，样品采集、储存、运输过程中存在样品组分损失等问题。高质量的在线自动监测装置极大部分均是从国外引进的。今后环境监测市场需要大量国产化的，性能稳定、可靠的国产污染源有机物自动监测装置。

空气样品中所含有机污染物的浓度较低，一般直接取样还远不能满足监测的要求，需要采用一定的方法，将大量空气样品进行浓缩富集，使其满足监测方法灵敏度的要求【3】。

空气样品的在线富集分离技术是污染源有机物自动监测系统的关键技术之一，是实现污染源有机物自动监测的前提。本文从污染源空气样品在线富集分离技术原理入手，介绍了污染源空气样品在线富集分离装置的工作流程。

2. 在线富集分离技术原理

      污染源空气样品在线富集分离采用动态预浓缩技术【4】，其原理图如图1和图2所示。

      首先在采集气泵的作用下，吸取一定体积的空气样品流过吸附柱，然后快速加热吸附柱，通过热解吸技术【5】将所吸附的有机物导入预分离柱，等到预先设定的某种高沸点有机物从预分离柱洗脱时，将预分离柱与色谱分离系统隔离，以保护分离柱免受污染。隔离以后吸附柱及预分离柱进入反吹清洗流程，而分离柱进入待测组分分离检测流程。

根据本原理设计的在线富集分离装置可在30min内快速高效完成空气样品富集分离过程，实现空气样品预处理的在线化。

          

3. 工作流程

      污染源空气样品在线富集分离装置包括空气样品吸附富集流路、空气样品热解吸预分离流路、空气样品组分分离流路。流路切换通过十通阀实现，十通阀包括阀座也称定子，和阀芯也称转子两部分构成。阀座上均匀分布十个阀孔，通过阀芯的连接将阀座上的十个阀孔两两相连，如图1的装置A状态所示，阀孔1和2、阀孔3和4、阀孔5和6、阀孔7和8、阀孔9和10彼此连通。将阀芯顺时针旋转36°后，切换为阀孔2和3、阀孔4和5、阀孔6和7、阀孔8和9、阀孔10和1彼此连通，如图2装置B状态所示。

      污染源空气样品在线富集分离装置组成单元中的各流量控制装置、吸附柱、预分离柱、分离柱、检测器均设温度控制装置，在非工作状态下所有部件均处于关闭状态，其中阀3在关闭状态下b-c端导通。装置的工作流程分如下几个阶段：

     1、监测准备阶段。开启阀1、阀2，调整流量控制装置2、流量控制装置3至规定流量，开启检测器，启动各路恒温控制装置。

     2、空气样品吸附富集阶段。十通阀处于A状态，启动取样泵，计算并调整通过吸附柱空气流量，当通过吸附柱的空气样品体积符合规定值后，关闭取样泵。

                      

      3、吸附柱热解吸和预分离阶段。启动吸附柱热解吸加热装置，到达到规定温度值后，切换十通阀，使其处于B状态，关闭阀1，热解吸结束后关闭吸附柱热解吸加热装置，同时采集检测器输出信号。预分离结束后切换十通阀，使其处于A状态。

      4、组分分离，预分离柱反吹，吸附柱反吹阶段。当十通阀再次处于A状态时，进入了有机组分的组分分离流程，待所有组分分离检测后，开启阀1，以一定流量反吹预分离柱，将高沸点物质从预分离柱脱附。开启阀3（a-c端导通），以一定流量反吹吸附柱，反洗结束后关闭阀3。

      5、监测降温阶段。当反吹清洗流程结束后，关闭检测器，关闭各路恒温控制装置。当各路温度降至规定值后，关闭阀1和阀2。

      6、取样器清洗阶段。空气样品吸附采集阶段发现通过吸附柱的流量变化达到清洗要求时，需实施取样器清洗流程。将十通阀处于B状态，开启阀3（a-c端导通），以一定流量反吹清洗取样器。

4. 小结

      本文介绍的污染源空气样品在线富集分离装置能够在常温条件下对空气样品进行自动采集、实现了低浓度待测组分的吸附浓缩；适当利用了十通阀的流路切换功能，实现了样品采集、预分离、组分分离、反吹清洗等流程的自动控制。实现了连续采集，满足污染源有机物自动监测样品预处理的要求，从而完成对污染源有机污染物的连续自动监测。

  

参考文献:

【1】 徐东群，刘晨明，张爱军等 Tenax TA吸附/二次热解吸/毛细管气相色谱法测定环境空气中苯系物的方法 《卫生研究》 2004，第33卷第4期。第425-427页

【2】 李冰清,吴诗剑,马微 空气中苯系物测定方法的比较 《环境科学与技术》 2005年 第28卷第3期。第55-56页

【3】 刘景允，孙宝盛，张海丰 空气中挥发性有机物在线监测技术研究进展 《化工进展》 2008年，第27卷第5期， 第648-653页。

空气分离技术范文第5篇

【关键词】双密度 双梯度 隔水管 稀释 钻井技术

尽管近年来我国原油产量有较大幅度的增长，但与需求相比，仍不能满足国民生产的需要。因此，除大力发展我国中西部油区及海外油气资源的勘探开发力度外，加快海洋尤其是深海油气资源的勘探开发、大力发展海洋石油装备与技术产业已成为一项重要举措。目前，我国已经掌握300 m水深的油气勘探开发成套技术体系，深水钻井技术的研究与应用尚处于起步阶段。要想在全球深海油气勘探开发的国际竞争中处于有利地位，必须研制、开发适合我国深水油气钻井的自主装备和技术。

1 常规深水钻井存在的问题

与陆地和浅海钻井相比，深海钻井环境更复杂，容易出现常规钻井装备和钻井方法难以克服的技术难题。由于上覆岩层压力下降，地层孔隙压力与破裂压力之间的差幅变小，要同时保持井眼压力的平衡和井眼的稳定就会引起问题，限制了钻达目标深度的能力。如果使用常规方法，就需要用增加套管层数的方式来最大程度地减小作业风险、换取继续钻进的可能。地层孔隙压力与破裂压力之间的差幅小，给钻井作业带来了困难，在某些情况下，采用从常规隔水管上返钻井液的方法难以将油气井钻到目标深度。深水钻井如何控制钻井液密度、在钻进过程中将井下压力维持在一个合适的范围内，一直是困扰海上深水钻井作业的一个难题。

图1 Maurer注空心球双梯度钻井系统

2.1.2 空心球的设计及其物理性能

空心球的材质可以是玻璃、塑胶、合成材料、金属等。Maurer最初做试验用的是由3M公司制造的直径10～100 μm的空心玻璃微球，其密度为0.38 g/cm3。添加体积为50%的这种空心球可以将1.68 g/cm3的钻井液密度降至海水密度（1.02 g/cm3）。

工业用空心玻璃球的主要化学成分见表1。选用空心玻璃球作为钻井液的轻质固体添加剂（LWSA）是基于其良好的物理性能及其在油气井中高温高压条件下仍能保持其良好物理特性的能力，其中最主要的是空心玻璃球较低的球体密度和较高的破裂压力。

2.1.3 空心球的海面分离技术

Maurer最初做试验用的是由3M公司制造的直径10～100 μm的空心玻璃微球。为了节约钻井成本，到达经济钻井的目的，空心球需要回收再利用。但是，MTI、贝克休斯和其他公司进行的大量试验表明，在双梯度钻井的高循环速度下（50.47～88.32 L/s），用常规的离心机或者水力分离器不可能100%的将空心球从钻井液中分离出来并回收再利用。为了解决把小直径空心球从钻井液中分离出来比较困难的问题，Maurer进行了使用大直径（大于100 μm）空心球的试验，证明大直径空心球可以用普通的振动筛从钻井液中分离出来。

空心球的分离过程见图2：空心球在海底混合到钻井液并注入隔水管后，与从环空返回的、携带钻屑的钻井液混合在一起。当携带空心球和钻屑的钻井液返出井眼后先通过振动筛进行分离，分离出的空心球和钻屑进入一个海水容器（池），因为钻屑比较重所以沉入底部，而空心球比较轻则漂浮在水面，可以将其重新收集利用。通过振动筛后，大部分钻井液进入循环池，小部分钻井液与分离出的空心球重新混合形成低密度流体，泵送到海底注入隔水管内继续循环。大直径空心球除了具有用普通振动筛可以很容易地从钻井液中分离出来的优点外，由它配置的钻井液的黏度也比较低。

图3 气举法双梯度钻井系统的组成

2.2.2 气举法双梯度钻井的优势

气举法双梯度钻井具有如下优势：

（1）气举法和欠平衡钻井在实现机理上有一定的相似性，而欠平衡钻井技术的研究与应用目前已经成熟，所以气举法在技术原理上具有较为成功的参考依据；

（2）它与传统单梯度的隔水管钻井相比，不需要对钻井设备作太多的改动，只需要添加一套氮气分离设备、一套注气附加管线和一台注气泵，对于成本高昂的深水钻井来说，这就大大节省了设备改造上的资金投入。据估计，应用隔水管气举法时，至少能降低9%的成本，大部分情况下可以降低17%到24%。

2.3 隔水管稀释双梯度钻井技术

将低密度流体注入隔水管底部，使隔水管环空内的流体密度降低，接近海水密度，从而在隔水管环空和井眼环空形成两个不同的流体密度，国外把采用这种方式进行的双梯度钻井称为“隔水管稀释”。

2.3.1 隔水管稀释双梯度钻井系统的工作原理

在隔水管稀释双梯度钻井系统中（图4），密度“较高”的钻井液从钻柱被泵送到井下，通过钻头后从钻柱与裸眼或钻柱与套管之间的环空上返。在隔水管环空接近海底或海底以下的某一个点，密度“较低”的稀释流体（即低密度流体）通过注入管线从隔水管底部或海底以下注入隔水管环空，在注入点以下的隔水管内形成“被稀释的”的、接近海水的流体密度，而注入点以下不断增加的总体钻井液梯度则变得类似于或更接近于自然产生的孔隙压力-破裂压力梯度剖面。被稀释的钻井液返回海面后，要采用特制的高规格离心机连续进行分离，将其分离回原来的“钻井液密度”和“稀释流体密度”两种组分。这一分离方法是隔水管稀释双梯度钻井的核心技术之一。隔水管稀释钻井系统使用的另一个重要工具就是钻柱断流阀（即钻柱阀）。该阀安装在靠近钻柱底部的位置，其作用是在必要的时候阻挡钻柱内较重的钻井液进入环空。

图4 隔水管稀释双梯度钻井的循环系统（采用海底防喷器组时）

2.3.2 钻井液与低密度流体的类型与配方

为了使隔水管稀释双梯度钻井系统正常工作，要求钻井液在井眼内和在隔水管内都能悬浮固相并能有效地携带岩屑，钻井液即使被未加重流体高度稀释后也应能发挥这些功能。

因为合成基钻井液在墨西哥湾深水钻井中应用较多，所以将其选为隔水管稀释钻井中最具代表性的钻井液类型。贝克休斯和Baroid公司各自提出用于墨西哥湾深水钻井作业的合成基钻井液性能要求（见表2 和表3）。

静切力分别取自10 s，10 min和30 min。2.3.3 隔水管稀释双梯度钻井技术的优势

（1）隔水管稀释通过调整钻井液的各种性能，提供一种稳定而又容易控制的工艺过程，不必安装大型、昂贵、复杂而又难以处置的海底组件。

（2）隔水管稀释双梯度钻井系统适合在现有的许多钻井平台（船）上使用，不必对平台进行大的改造。如果该技术与小井眼钻井配合，则非常适于在早期的移动式钻井平台上使用，因为与现代深水钻井平台相比，这些平台的钻井液泵送和处理能力更适合实施这项技术。

（3）通过对实例井的研究表明，与常规作业相比，隔水管稀释双梯度钻井至少可降低钻井成本7%，如果加上采用较小直径隔水管和小型钻井平台节省的费用，隔水管稀释法降低的作业成本还要多。

（4）对于地层压力剖面类似于深井的大陆架地区（如墨西哥湾）来说，尤其是在需要钻过盐丘的情况下，采用隔水管稀释双梯度钻井技术也许是最适宜的选择。

（5）由于其独特的双密度特性，该技术还非常适合钻进衰竭油藏，在钻进水平井的水平段时也具有一定优势。

3 我国双梯度钻井技术的研发现状

双梯度钻井技术的研究在我国还处于起步阶段，前期工作主要是跟踪国外双梯度钻井各种方案的最新进展，研究其技术原理和相关配套技术，以期能提出适合我国深水油气开发的双梯度钻井技术方案以及装备方案，研发一套具有自主知识产权的深水双梯度钻井技术和装备，为双梯度钻井技术在我国深水油气田的应用提供必要的技术支持。

最近几年，中国海洋石油总公司、中海石油研究中心、中国石油大学（华东）等单位的科研人员，对双梯度钻井的原理、水力学计算及实施方案等进行了研究，并申请了一些国家专利，其中包括以注空心球为手段的“一种实现双梯度钻井的方法及装置”、以注低密度流体为手段的“一种基于双梯度的控制压力钻井方法及装置”等。

4 对我国开展深水双梯度钻井试验研究的分析与建议

4.1 注空心球法是适宜于南中国海深水作业的双梯度钻井方案

注空心球双梯度钻井分离工艺简单，成本低廉，在中等深度的深水（600～1 500 m）中有较好的应用前景。综合考虑我国海洋油气开发工程装备能力、南海复杂的气候环境和油气藏特性，我国有关科研单位开展了适宜于南海深水的双梯度钻井方案的优选，优选结果表明，注空心球系统是最适宜于南海深水作业的双梯度钻井方案，有可能成为解决制约我国深水钻井技术发展的一个突破口，具有潜在的应用价值。但是为了实现注空心球双梯度钻井系统在我国深水油气开发中的应用，还需要对空心球注入方式、分离技术、分离设备等相关技术进行全面研究，并按照计划有针对性地进行探索型应用，形成一套适合我国深水油气开发特点的双梯度钻井技术体系，为我国深水油气勘探开发提供技术支撑。

4.2 隔水管稀释双梯度钻井系统相对简单但降低作业费用效果不明显

隔水管稀释系统主要依赖于对现有技术的扩展和延伸来获取双梯度钻井的经济效益。该方法通过调整钻井液的各种性能，提供一种稳定而又容易控制的工艺过程，不必安装大型、昂贵、复杂而又难以处置的海底组件。隔水管稀释双梯度钻井系统适合在现有的许多钻井平台（船）上使用，不必对平台进行大的改造，实施起来也较为简单，安全性较强。但应当指出的是，隔水管稀释方案降低作业费用的效果不是很明显，试验证明与常规系统相比大约可节省7%（不包括采用较小直径隔水管等节省的费用）。

4.3 隔水管气举方案降低费用效果明显但安全风险问题需要考虑

隔水管气举双梯度钻井方案主要利用现有的工艺设备，但要增添压缩机、现场制氮设备或氮气供应等，与常规工艺（假设没有事故处理费用）相比，至少能降低9%的作业成本，大部分情况下可以降低17%到24%，如果加上使用小直径隔水管和小型钻井平台节约的费用，总成本有可能降低50%左右（估算的无故障成本）。但该技术遇到的主要问题是较高的压缩机费用、氮气费用、腐蚀问题、气体的可压缩性导致的压力梯度的非线性、难以将氮气从钻井液中重新分离出来等。而且，由于井控等安全风险问题同时存在，所以在决定采用该方案时应当慎重，应当根据作业环境、钻井装置的类型、设备条件等诸多因素认真进行特定环境条件下的可行性研究。

4.4 加强对国外双梯度钻井技术最新发展的跟踪、研究与借鉴

双梯度钻井是一项正处于发展中的新技术，随着理论研究与模拟实验的不断深入、水下与海底设备的不断改进、操作参数的不断优化、工艺流程的不断完善、局限性的不断克服、深水钻井装置及其配套设施的不断升级与改造，双梯度钻井的各项技术方案将更加成熟，优势将更加突出，推广应用效果将更加明显。为加快我国深水油气资源的勘探开发步伐，有必要针对我国海深水区块的实际情况，及时跟踪和研究国外双梯度钻井技术的最新发展，借鉴其成功经验，开发适合我国国情且具有自主知识产权的深水双梯度钻井技术，形成一套能指导我国深水油气开发的钻井技术体系。这不但能为我国深海油气勘探开发提供技术支撑，而且对于全面提升我国深水钻井技术水平、使我国在全球深海油气勘探开发的国际竞争中处于有利地位，具有重要的战略意义。

参考文献

[1] 殷志明，陈国明，许亮斌，等.采用双梯度钻井优化深水井井身结构[J]. 天然气工业，2006，26（12）：112-114