勝利油田稠油熱采蒸汽恒流控制裝置研究應(yīng)用

趙曉

摘要：針對(duì)目前油田熱采地面注汽管網(wǎng)缺乏調(diào)控手段，注汽流量難以精確調(diào)控的現(xiàn)狀，研制開(kāi)發(fā)了適用于油田現(xiàn)場(chǎng)條件的地面蒸汽恒流調(diào)控裝置，實(shí)現(xiàn)了注汽過(guò)程中流量的精確控制。詳細(xì)介紹了蒸汽恒流控制裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、相關(guān)技術(shù)指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)蒸汽的恒流量注入且工作穩(wěn)定，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

關(guān)鍵詞：稠油熱采;注汽管網(wǎng);注汽流量;恒流控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 前言

稠油在石油資源中所占比例較大， 因此如何開(kāi)采稠油， 使之成為可動(dòng)用儲(chǔ)量， 是石油界一直探究的問(wèn)題^[1]。勝利油田稠油油藏經(jīng)過(guò)多年熱采開(kāi)發(fā)，現(xiàn)多已進(jìn)入開(kāi)發(fā)后期，周期產(chǎn)油量低，含水率達(dá)90%以上，周期油汽比低，生產(chǎn)效果不理想，但是總體采收率小于20%，稠油熱采開(kāi)發(fā)仍有很大的上升空間^[2]。面對(duì)油田開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀， 轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)方式變得尤為重要。

蒸汽驅(qū)技術(shù)作為吞吐后期最為有效的接替方式，能夠極大地提高稠油油藏采出程度，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，蒸汽驅(qū)的最終采出程度可達(dá)到50%～60%。目前蒸汽驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用一爐注多井的固定注汽管網(wǎng)流程，在“截止閥+流量計(jì)”的流量調(diào)控方式應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，調(diào)整一支路的流量就會(huì)造成其他多個(gè)支路的流量發(fā)生改變，無(wú)法保證各注汽井的恒流量注入，需要頻繁開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)閥，才能實(shí)現(xiàn)蒸汽的穩(wěn)定注入。針對(duì)目前地面蒸汽測(cè)控裝置存在的不足，提出了汽驅(qū)井恒流式蒸汽測(cè)控裝置的研制，該裝置能夠有效避免背壓差異造成的注汽流量偏差，實(shí)現(xiàn)蒸汽的合理高效注入。通過(guò)該裝置的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可以有效提高熱采的油汽比和原油的采收率，同時(shí)滿足國(guó)家和油田節(jié)能降耗、提升注汽管理水平和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效率的要求，因此，該裝置具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1裝置組成、原理及技術(shù)指標(biāo)

1.1裝置組成

油田地面注汽管網(wǎng)蒸汽流量均衡調(diào)控裝置，包括1.前端卡箍接頭短管，2.沉砂管，3.沉砂管堵頭，4.裝置本體管，5.文丘里臨界流噴嘴，6.后端卡箍接頭短管，7.隔熱襯套，8.卡箍皮，9.管線卡箍頭等組成。前端卡箍接頭短管1與沉砂管2通過(guò)螺紋連接，沉砂管2的

前端與沉砂管堵頭3通過(guò)密封螺紋連接，將復(fù)雜的蒸汽中攜帶的鐵屑及雜物進(jìn)行收集，防止堵塞并影響后續(xù)文丘里臨界流噴嘴調(diào)控精度及能力流量控制提供條件，裝置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1?。

圖1蒸汽恒流控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.前端卡箍接頭短管，2.沉砂管，3.沉砂管堵頭，4.裝置本體管，5.文丘里臨界流噴嘴，6.后端卡箍接頭短管，7.隔熱襯套，8.卡箍皮，9.管線卡箍頭

1.2工作原理

根據(jù)蒸汽——水兩相流體的特性，利用單個(gè)特制的文丘里臨界流噴嘴裝置，按照蒸汽——水兩相流理論模型計(jì)算蒸汽流量。臨界流噴嘴用于限制流體的流量或降低流體的壓力。流體通過(guò)噴嘴就會(huì)產(chǎn)生壓力降，通過(guò)噴嘴的流量則隨壓力降的增大而增大。但當(dāng)壓力降超過(guò)一定數(shù)值，即超過(guò)臨界壓力降時(shí)，不論出口壓力如何降低，流量將維持一定的數(shù)值而不再增加。臨界流噴嘴就是根據(jù)這個(gè)原理用來(lái)調(diào)控流體的流量或隔絕下游壓力波動(dòng)對(duì)流量影響。

文丘里臨界流噴嘴裝置是在一定的進(jìn)口壓力P₁下，降低出口壓力P₂，流量Q將隨之增加，當(dāng)出口壓力降低到某一壓力P_c時(shí)，流經(jīng)裝置流體的質(zhì)量流量達(dá)到最大值Q_c，繼續(xù)降低出口壓力，流量將保持Q_m不變，如圖2所示。

圖2 文丘里臨界流噴嘴裝置流量特性圖

通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，眾多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)噴嘴的臨界流量和喉口直徑進(jìn)行了大量的研究。本文借鑒C.L.Redus提出的經(jīng)驗(yàn)公式，確定當(dāng)發(fā)生臨界流時(shí)，流過(guò)文丘里噴嘴的流量和文丘里噴嘴喉口直徑的關(guān)系為：

其中，a和b為系數(shù)，為蒸汽的質(zhì)量流量（kg/s），為文丘里噴嘴上游的壓力（MPa），d為喉口直徑（mm），X為蒸汽干度（小數(shù)）。并且C.L.Redus還給出了當(dāng)文丘里噴嘴上游的壓力P在300～800psia，蒸汽干度X在15%-85%之間時(shí)，流過(guò)文丘里噴嘴的流量和文丘里噴嘴喉口直徑的具體關(guān)系為：

由公式可知，熱采蒸汽恒流控制裝置的臨界流量大小只受進(jìn)口壓力和喉口面積的影響。因此現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)確定限流噴嘴孔徑即可實(shí)現(xiàn)對(duì)注汽流量的控制，不論下游壓力如何變化均能保證蒸汽的恒流量注入。

1.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文丘里臨界流噴嘴的示意圖如圖所示：

文丘里臨界流噴嘴的組成可以分為兩部分，一個(gè)漸縮段與一個(gè)漸擴(kuò)段，蒸汽在其中流動(dòng)的過(guò)程中，不停地降壓增速，且流量的判定很大程度上取決于喉部的流速與橫截面積，所以文丘里臨界流噴嘴的局部結(jié)構(gòu)對(duì)蒸汽的流量影響很大，需要對(duì)進(jìn)口直徑、喉部直徑、喉部擴(kuò)角等進(jìn)行計(jì)算及設(shè)計(jì)。

1.3.1?喉部擴(kuò)角設(shè)計(jì)

這里以進(jìn)口壓力12Mpa、進(jìn)口干度為0.7時(shí)為例，計(jì)算喉部擴(kuò)角與流量的分布趨勢(shì)見(jiàn)表1

通過(guò)計(jì)算的結(jié)果可以看出，保證噴管的其余結(jié)構(gòu)不變，僅改變喉部的擴(kuò)張角，依次從1°變?yōu)?°，流量會(huì)有極其微小的增加，如果考慮計(jì)算的精度誤差，那么可以認(rèn)為，噴管中的質(zhì)量流量與喉部的擴(kuò)角無(wú)關(guān)，但是在后續(xù)模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)喉部擴(kuò)張角為10°時(shí)，方程發(fā)散，無(wú)法得出正確的結(jié)果，說(shuō)明已經(jīng)不滿足正常流動(dòng)的條件。所以，噴管擴(kuò)張角的選擇是有一定限度的，按照前面的設(shè)計(jì)規(guī)范與查閱文獻(xiàn)，一般在選擇角度時(shí)以1°～5°為宜。

1.3.2 喉部直徑設(shè)計(jì)

喉部直徑設(shè)計(jì)，關(guān)系到臨界流量的大小，這里依次取5mm、6mm、7mm、8mm，計(jì)算時(shí)，所采用的計(jì)算模型與計(jì)算喉部擴(kuò)角時(shí)所采用的計(jì)算模型保持一致，進(jìn)口壓力12Mpa，干度為0.7，計(jì)算得到不同的喉部直徑與流量的統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

1.3.3 進(jìn)口端直徑設(shè)計(jì)

在進(jìn)行噴管的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，進(jìn)口的直徑一般取喉部直徑的3倍，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中，由于管道直徑以及現(xiàn)場(chǎng)要求等原因，可能需要更改進(jìn)口直徑，那么就有必要探尋進(jìn)口直徑對(duì)流量的影響關(guān)系。

計(jì)算時(shí)，保證其他的參數(shù)不變，只改變進(jìn)口的直徑，進(jìn)口直徑分別選取10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，計(jì)算結(jié)果匯總表如表3。

從進(jìn)口直徑與流量的分布圖來(lái)看，流量隨進(jìn)口直徑的變化趨勢(shì)與其隨喉部直徑的變化趨勢(shì)相反，也就是說(shuō)增大進(jìn)口直徑，反而會(huì)減小質(zhì)量流量。

1.4?主要技術(shù)指標(biāo)

流量調(diào)控范圍0t/h-15t/h;

壓力0-21MPa;

溫度0-370℃;

調(diào)控誤差小于5%;

2蒸汽恒流量調(diào)控裝置數(shù)值模擬

為了研究不同間歇流流型在文丘里臨界流噴嘴中的壓力、溫度、速度變化，對(duì)上述結(jié)構(gòu)的文丘里臨界流噴嘴進(jìn)行了數(shù)值模擬。間歇流流型對(duì)應(yīng)不同的流動(dòng)速度，此時(shí)進(jìn)口流量也變化，通過(guò)對(duì)在相同入口壓力下的不同入口質(zhì)量流量進(jìn)行數(shù)值模擬研究其流型對(duì)能流參數(shù)的影響。

首先根據(jù)文丘里臨界流噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算所得到的尺寸進(jìn)行建模，模型見(jiàn)圖4，計(jì)算可得

二維模型模擬軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果與三維模型模擬結(jié)果非常接近，而且二維軸對(duì)稱(chēng)模擬比三維模擬計(jì)算效率高、速度塊。因此本文主要采用二維軸對(duì)稱(chēng)模擬方式。

首先根據(jù)文丘里臨界流噴嘴設(shè)計(jì)計(jì)算所得到的尺寸進(jìn)行建模，建模的軟件選擇的是ICEM，建模圖如圖5.

2.1臨界流狀態(tài)的確定

選取入口壓力為10MPa，干度0.7，喉部尺寸及流量見(jiàn)表4。

從入口到喉部，流體的流速由亞聲速到聲速，隨著入口流量的增大，喉部流量也相應(yīng)增大;隨著入口流量的增大，漸縮管長(zhǎng)度逐漸增大;隨著入口流量的增大，擴(kuò)張管長(zhǎng)度逐漸增加。這就使得喉部流通面積也增大，這是入口流量增加對(duì)所設(shè)計(jì)的噴管結(jié)構(gòu)的影響。

2.2入口壓力變化對(duì)蒸汽臨界流量影響

取進(jìn)口壓力，出口壓力，干度，喉部截面積。進(jìn)口水蒸氣壓力與比體積存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，故取初始?jí)毫榉謩e為7，7.5，8，8.5，9，9.5，10，10.5，11MPa，在水蒸氣圖上查得相應(yīng)比體積。

由表5可知，在給定出口壓力和進(jìn)口蒸汽干度時(shí)，對(duì)于同一個(gè)文丘里臨界流噴嘴，臨界流量隨著蒸汽進(jìn)口壓力的增大而增加。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

本裝置在調(diào)研了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的蒸汽—水分離器基礎(chǔ)上，針對(duì)目前油田現(xiàn)場(chǎng)用的蒸汽流量調(diào)節(jié)閥，T型分配器、球型分配器等分配特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了新型油田地面注汽管網(wǎng)蒸汽流量均衡調(diào)控裝置，該裝置是按照油田地面濕蒸汽的干度、壓力、溫度及管徑等參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證安裝了該調(diào)控裝置的每一口井的蒸汽流量能按設(shè)計(jì)流量注入該井，從而提高油井的熱采效果，減少了無(wú)效注汽并節(jié)約了蒸汽能耗，提高了單井的產(chǎn)能，并能取代油田地面管網(wǎng)上普遍按照的蒸汽流量調(diào)節(jié)閥。因此，該技術(shù)的應(yīng)用將大大提高稠油熱采開(kāi)發(fā)過(guò)程中濕蒸汽的調(diào)控和分配水平，有效解決了油田開(kāi)發(fā)中的技術(shù)難題，在國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品中具有明顯的技術(shù)、價(jià)格和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施優(yōu)勢(shì)。

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