蒸汽射流噴嘴設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馮慶偉（中國(guó)石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東東營(yíng)257061）

蒸汽射流噴嘴設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

馮慶偉
（中國(guó)石化勝利油田分公司現(xiàn)河采油廠，山東東營(yíng)257061）①

針對(duì)稠油油管油垢堆積、清洗難等問(wèn)題，結(jié)合理論研究、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一種蒸汽射流清洗噴嘴。數(shù)值模擬結(jié)果表明，蒸汽射流噴嘴內(nèi)的溫度和壓力在管內(nèi)呈梯度分布，可提高蒸汽射流在稠油管內(nèi)的凝結(jié)潛熱釋放效率，有效清洗附著于管壁的稠油油垢；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該噴嘴可有效提高稠油油管的清洗質(zhì)量，相比直噴嘴能達(dá)到更好的清洗效果。稠油油管蒸汽射流清洗噴嘴及其裝置，可大幅提高我國(guó)稠油開(kāi)采區(qū)內(nèi)稠油油管清洗修復(fù)工作的效率。

蒸汽射流；稠油清洗；蒸汽噴嘴；數(shù)值模擬

目前，石油開(kāi)采向深部地層延伸，伴隨而來(lái)的是油井所需油管等各類(lèi)管柱逐年加深。同時(shí)，稠油、重質(zhì)油等在我國(guó)原油資源中所占比例較大，近年來(lái)的開(kāi)發(fā)也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。油管作為石油開(kāi)采重要的油流通道起著不可替代的重要作用，但油管結(jié)垢、油垢堆積等堵塞問(wèn)題一直是困擾油流暢通的難題［1］，尤其是稠油管問(wèn)題更突出。稠油溫度敏感、黏度高、流動(dòng)性差、易粘附油管造成堵塞，增大了稠油管的清洗難度。

稠油管在油井作業(yè)結(jié)束后都需要進(jìn)行修復(fù)、清洗，其效果直接影響油氣開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，如何提高稠油管清洗的質(zhì)量和效率至關(guān)重要。高溫蒸汽射流清洗稠油管可極大地提高清洗質(zhì)量和效率，減少油管報(bào)廢，降低經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)提高稠油開(kāi)發(fā)具有重要的經(jīng)濟(jì)效益，而蒸汽射流噴嘴的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究對(duì)稠油管的清洗效果至關(guān)重要。

1 蒸汽射流清洗噴嘴設(shè)計(jì)

蒸汽射流清洗稠油管裝置主要由蒸汽射流噴嘴、水蒸汽循環(huán)系統(tǒng)、高壓泵、高壓軟管、壓力及溫度控制裝置等組成。其中，蒸汽噴嘴設(shè)計(jì)是直接影響稠油管清洗效果的關(guān)鍵。

1．1 噴嘴出口直徑設(shè)計(jì)

忽略氣體流動(dòng)時(shí)的能量損失，根據(jù)可壓縮氣體絕熱流動(dòng)伯努里方程［2］：

式中：k為絕熱系數(shù)；p1為狀態(tài)一氣體壓力，M Pa；p2為狀態(tài)二氣體壓力，M Pa；ρ1為狀態(tài)一氣體密度，kg／m3；ρ2為狀態(tài)二氣體密度，kg／m3；v為狀態(tài)一氣體速度，m／s；v2為狀態(tài)二氣體速度，m／s。

不同壓力和溫度條件下飽和水蒸氣密度如表1所示。

表1 不同壓力和溫度下飽和蒸汽密度值

根據(jù)蒸汽射流清洗設(shè)備性能及清洗要求，取初始飽和水蒸汽壓力為1．50 M Pa，密度為7．59 kg／m3；噴嘴噴出水蒸汽的壓力為0．1 M Pa，密度為0．59 kg／m3，代入上式計(jì)算得到噴出水蒸汽的速度為：v2＝569．58 m／s。

所需的最小噴嘴截面積按下式計(jì)算：

式中：M為200℃時(shí)清洗每根油管所需的蒸汽量，M＝7．52 kg；ρ為噴出的飽和蒸氣密度，常壓下取0．588 3 kg／m3；t為噴出的飽和水蒸氣的時(shí)間，一般每根油管時(shí)間為120 s；v為噴出的水蒸氣速度，m／s。A為最小的噴嘴截面積，m2。

將噴出速度結(jié)果代入式（2），計(jì)算可得最小的噴嘴截面積A＝1．84×10－4m2，即噴嘴當(dāng)量直徑：d＝15．3 m m。

1．2 噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

為使蒸汽加速獲得較高的動(dòng)量，噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為L(zhǎng)aval噴嘴結(jié)構(gòu)，分為收縮段、喉部、擴(kuò)張段3部分。上述已經(jīng)計(jì)算得出噴嘴出口截面積，再計(jì)算噴嘴入口與喉口的截面積，計(jì)算公式為：

式中：Ao為噴嘴入口面積，m2；A1為喉口面積，m2；A為噴嘴出口面積，m2；po為噴嘴進(jìn)口流體壓力，M Pa；pe為噴嘴出口壓力，M Pa。To為噴嘴進(jìn)口流體溫度，K；cf為噴嘴進(jìn)口流體速度，m／s；R為氣體常數(shù)，J／（kg·K），飽和水蒸氣取461．5 J／（kg·K）；Me為噴嘴出口馬赫數(shù)；k為絕熱指數(shù)，飽和水蒸氣取1．19。

計(jì)算可得：Ao＝5．9×10－4m2，do＝27．42 m m；Al＝0．71×10－4m m2，dl＝10．77 m m。

當(dāng)噴嘴面積比確定后，需要進(jìn)一步確定噴嘴的軸向尺寸，包括噴嘴收縮段長(zhǎng)度l、喉口段長(zhǎng)度l1，及噴嘴擴(kuò)張段長(zhǎng)度l2。

收縮段長(zhǎng)度通常不宜過(guò)長(zhǎng)，但也不能過(guò)短，收縮段過(guò)短會(huì)導(dǎo)致氣流出現(xiàn)不均勻流動(dòng)甚至分離。因此在保證氣流均勻前提下，l可在2d1～6d1內(nèi)取。

噴嘴喉口直管段長(zhǎng)度l1一般為1～4 m m，既可以穩(wěn)定氣流，也可以避免無(wú)直管段時(shí)噴嘴喉口處易受磨損。

實(shí)踐表明，當(dāng)擴(kuò)張段長(zhǎng)度l2＜6dl時(shí)，氣流流型發(fā)展不完全，而l2＞8dl時(shí)，發(fā)現(xiàn)流型己趨于穩(wěn)定，反而會(huì)增加磨損造成壓降損失。

因此，噴嘴軸向尺寸設(shè)計(jì)為：l＝4dl＝48．08 m m，l1＝4 m m，l2＝7dl＝75．4 m m。

噴嘴結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 蒸汽射流噴嘴結(jié)構(gòu)

1．3 蒸汽射流噴嘴數(shù)值模擬分析

利用數(shù)值模擬［3 4］，分析所設(shè)計(jì)蒸汽射流噴嘴的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)，并同時(shí)與直噴嘴結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證蒸汽射流噴嘴清洗稠油管是否有良好效果。模擬結(jié)果如圖2～7。

圖2 射流噴嘴內(nèi)壓力分布云圖

圖3 射流噴嘴速度場(chǎng)分布云圖

圖4 射流噴嘴溫度分布云圖

圖5 直噴嘴內(nèi)壓力分布云圖

圖6 直噴嘴速度場(chǎng)分布云圖

圖7 直噴嘴溫度分布云圖

從圖2蒸汽射流噴嘴內(nèi)壓力分布可以看出，在噴嘴入口避免了蒸汽流穩(wěn)流，有利于蒸汽射流在噴嘴內(nèi)的壓力傳遞，提高了蒸汽與管內(nèi)空氣的替換率和蒸汽在管內(nèi)的凝結(jié)潛熱釋放效率，可以取得較好清洗稠油效果。從圖3蒸汽射流噴嘴速度分布云圖看出，噴嘴噴出的蒸汽射流的速度在稠油管內(nèi)呈梯度分布，靠近管壁處是油垢集中的區(qū)域，因而可以有效清洗管壁附著的油垢。從圖4蒸汽射流噴嘴蒸汽射流溫度分布可以看出，溫度場(chǎng)在隔熱管內(nèi)也呈梯度分布，也可使稠油管壁上的稠油粘性降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，有利于油污排出，可取得較好的清洗效果。

相比而言，從圖5直噴嘴內(nèi)壓力分布云圖可發(fā)現(xiàn)，在其入口處存在蒸汽穩(wěn)流，將不利于蒸汽射流在稠油管內(nèi)的凝結(jié)放熱效率及最終的清洗效果。從圖6直噴嘴速度分布云圖可發(fā)現(xiàn)，蒸汽射流噴速高的區(qū)域主要分布在管內(nèi)軸線(xiàn)方向，將不利于清洗稠油管內(nèi)壁邊緣油垢的清洗。從圖7直噴嘴溫度場(chǎng)分布云圖可發(fā)現(xiàn)，溫度場(chǎng)高溫區(qū)域分布范圍小于所設(shè)計(jì)的蒸汽噴嘴，也不利于稠油管內(nèi)壁油垢的融化和清洗。

因此，所設(shè)計(jì)的蒸汽射流噴嘴結(jié)構(gòu)在稠油管清洗中優(yōu)于普通直噴嘴，有助于提高稠油管清洗效率，達(dá)到理想的清洗效果。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2．1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的

通過(guò)蒸汽射流裝置系統(tǒng)在勝利油田濱南采油廠油區(qū)清洗稠油管的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證蒸汽射流噴嘴對(duì)稠油管清洗的效果［5 6］。

2．2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中主要的設(shè)備包括注蒸汽鍋爐、蒸汽管線(xiàn)、蒸汽射流噴嘴等。

2．3 試驗(yàn)方法步驟

1） 調(diào)試并連接安裝試驗(yàn)設(shè)備。

2） 按照試驗(yàn)所需的參數(shù)，調(diào)試鍋爐的壓力和溫度。

3） 開(kāi)機(jī)運(yùn)行，隨時(shí)觀察清洗效果，記錄開(kāi)機(jī)至稠油排出的時(shí)間。

4） 測(cè)量蒸汽溫度，計(jì)量清洗出的稠油量。5） 更換直噴嘴，對(duì)比直噴嘴清洗效果。

2．4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)清洗數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明：蒸汽溫度達(dá)到150℃以上時(shí)，清洗時(shí)間控制在10 min左右，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，且稠油管內(nèi)已流態(tài)的稠油排出量較多，達(dá)到較好的清洗效果。因此，設(shè)計(jì)采用的蒸汽射流清洗噴嘴可有效解決稠油管清洗難的問(wèn)題。

對(duì)比直噴嘴與蒸汽射流噴嘴在同一噴嘴壓力和蒸汽溫度下的清洗效果，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 蒸汽射流噴嘴與直噴嘴清洗效果對(duì)比

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：在同一壓力和溫度下，蒸汽射流噴嘴在達(dá)到壓力1．3 M Pa、溫度180℃時(shí)清洗效果明顯優(yōu)于直噴嘴，清洗效率更高。而直噴嘴清洗稠油管多有殘留，出油量也較少。因此，所設(shè)計(jì)的蒸汽射流噴嘴可有效清洗稠油管的油垢。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)了蒸汽射流清洗稠油管的噴嘴結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬結(jié)果表明：該噴嘴可提高蒸汽與管內(nèi)空氣的替換率和蒸汽在管內(nèi)的凝結(jié)潛熱釋放效率，而且蒸汽射流溫度和壓力在管內(nèi)呈梯度分布，可有效清洗附著于管壁的稠油油垢。

2） 試驗(yàn)結(jié)果表明：該蒸汽射流噴嘴滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求，與直噴嘴相比能達(dá)到更好的清洗效果，可有效解決稠油管清洗難題。

3） 該裝置系統(tǒng)運(yùn)輸方便、結(jié)構(gòu)可靠、性?xún)r(jià)比優(yōu)越，可大幅縮短稠油管清洗時(shí)間，提高清洗質(zhì)量，對(duì)我國(guó)稠油開(kāi)采區(qū)稠油管清洗保養(yǎng)有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 吳劍，王良，王靜，等．連續(xù)負(fù)壓沖砂工藝管柱研究及應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（8）：88 92．

［2］ 陳曉珊，張衛(wèi)會(huì)．考慮空氣量影響時(shí)蒸汽凝結(jié)放熱系數(shù)的計(jì)算方法分析［J］．汽輪機(jī)技術(shù)，2002，44（6）：333 336．

［3］ 劉巨保，徐世博，婁永．基于C F X的磨料水射流噴嘴的流場(chǎng)分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（4）：40 44．

［4］ 邱亞玲，顏凌宇，張然，等．鉆井工況沖蝕試驗(yàn)機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值模擬［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2014，43（3）：47 51．

［5］ 孫淵平，陳永紅，李淑芳，等．高壓水射流油管清洗生產(chǎn)線(xiàn)及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化［J］．石油機(jī)械，2001，29（9）：46 50．

［6］ 張金成．清管器清洗技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：石油工業(yè)出版社，2005．

Design and Experimentai Anaiysis of Steam Jet Nozzie in Cieaning Heavy Oii Pipeiine

F E N G Qingwei
（Xianhe Oil Production Plant，Shengli Oilfield Com panu，SI N O P E C，Donguing257061，China）

Aiming at tubing for heavy grease accu m ulation，being difficult to clean and other is sues，co m bining theoretical studies，nu merical sim ulation and field trials，a stea m jet nozzle is de signed．Sim ulation results show that the tem perature and pressure inside the stea m jet nozzle gradient distribution in the tube．It can increase the release oflatent heat of condensation of stea m jet efficiency in the heavy tube and effectively clean heavy grease attached to the wall，w hich can play a good cleaning effect．Field tests show that the cleaning nozzle can effectively im prove the quality of heavy oil pipe，which can achieve，better cleaning effect co m pared to a straight nozzle．T he device can significantly increase the area of heavy oil recovery of heavy oil pipe cleaning repair w ork efficiency and econo mic benefits．

steam jet；heavy oil cleaning；stea m nozzle；nu merical sim ulation

T E934．5

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．010

1001 3482（2015）06 0043 04

①2014 12 07

馮慶偉（1970 ），男，河南虞城人，高級(jí)工程師，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)工程與技術(shù)管理工作，Email：2007fqwei＠163．co m。