海上稠油熱采平臺注汽鍋爐工藝系統(tǒng)及管線計算研究

羅彭，唐敏，鞠朋朋，白宏喬，張振鵬

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

隨著海上油田勘探開發(fā)的不斷深入，油藏開發(fā)難度不斷加大，海上稠油油藏開發(fā)利用的緊迫性日益凸顯。渤海油田在稠油熱采技術(shù)海上應(yīng)用領(lǐng)域先行先試、大膽創(chuàng)新，開展了大量調(diào)研和試驗工作，積累了豐富成果，并已逐步大規(guī)模應(yīng)用到海上稠油熱采開發(fā)。本文結(jié)合渤海某稠油熱采項目實例，對海上稠油熱采平臺的核心工藝系統(tǒng)——注汽鍋爐系統(tǒng)以及高溫高壓蒸汽管線工藝計算進行了研究和探討。

1 蒸汽吞吐技術(shù)方案簡介

本例中采用蒸汽吞吐技術(shù)，主要工藝過程有注熱、燜井、放噴、采油等階段。蒸汽注入階段，干度大于90%的高溫高壓蒸汽，在357℃@18.1MPaG狀態(tài)下，通過注汽井管柱注入油藏中。日注汽量300t，單次注汽14～17天。同時將99.9%的氮氣注入到注汽井環(huán)空中，起到隔熱作用以減少熱損失，同時防止套管過熱。注蒸汽后，進入燜井階段，一般為5天，之后由注汽井轉(zhuǎn)為生產(chǎn)井。

放噴階段，井流在高溫高壓蒸汽的驅(qū)動下舉升到井口。一般持續(xù)20天，隨著嘴前壓力逐漸降低，當降到不足以舉升井流時，需要下電潛泵采油。初始放噴階段，放噴氣中氮氣含量非常高，進入到放噴分離器中，進行氣液分離后進入放空管路。液相進入下游的測試放噴分離器中進一步計量測試。放噴和測試后的流體匯入生產(chǎn)總管中，一起進入旋流除砂器進一步處理。

上述工藝方案中，高壓注汽鍋爐是稠油開采的核心注汽設(shè)備。它利用所產(chǎn)生的高溫高壓濕蒸汽注入油井，加熱油層中的原油以降低稠油的黏度，從而提高稠油的流動性，大幅度提高稠油的采收率。適用海上油田稠油熱采的鍋爐形式，多為高溫高壓的超臨界、亞臨界鍋爐。本文將重點介紹適用于海上稠油熱采開發(fā)的注汽鍋爐工藝系統(tǒng)研究及相關(guān)工藝計算。

2 注汽鍋爐工藝系統(tǒng)研究

2.1 注汽鍋爐工作原理

高壓注汽鍋爐是臥式直流水管鍋爐，它的輻射段和對流段為單路直管水平往復(fù)式排列結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計為油（氣）兩種燃料燃燒鍋爐，爐膛煙氣壓力為微正壓。它是利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，把一定量的水加熱成為一定壓力、溫度和干度的濕飽和蒸汽的熱能設(shè)備。

強制直流鍋爐利用柱塞泵作為壓力源，利用燃料燃燒熱能將超純水轉(zhuǎn)化成特定壓力溫度和干度下的濕飽和蒸汽作為工質(zhì)向油藏輸入熱量。本項目使用臥式高壓直流注汽鍋爐，屬于A級亞臨界鍋爐（額定工作壓力P范圍：16.7MPa≤P＜22.1MPa）。

注汽鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)見表1：

表1 本項目注汽鍋爐主要技術(shù)參數(shù)

2.2 注汽鍋爐主要工藝系統(tǒng)及設(shè)備

（1）工藝系統(tǒng)介紹

注汽鍋爐的主要工藝系統(tǒng)包括汽-水系統(tǒng)、通風(fēng)與供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃油及霧化系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、取樣和干度控制系統(tǒng)、自動吹灰系統(tǒng)、自動控制和報警系統(tǒng)等。注汽鍋爐主要是由鍋爐本體和輔機設(shè)備兩大部分組成。鍋爐本體結(jié)構(gòu)概括為三大段，由輻射段（即爐膛）、對流段、過渡段和給水換熱器（也稱為省煤器）組成。注汽鍋爐輔機主要包括給水泵、疏水擴容橇、燃料油罐和供油泵、柴油罐和柴油泵等設(shè)備。

（2）壓力、溫度監(jiān)測

鍋爐汽-水流程中給水換熱器管殼程進出口，鍋爐過渡段均設(shè)置有壓力表，提供現(xiàn)場指示。在鍋爐蒸汽出口管線上設(shè)置有壓力表以及壓力傳感器，鍋爐出口蒸汽壓力的異常由傳感器促動控制盤上的報警裝置發(fā)出報警及關(guān)斷信號。根據(jù)鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程要求，鍋爐蒸汽出口管路上設(shè)置有兩個安全閥，設(shè)定點分別為1.05倍和1.08倍的鍋爐出口蒸汽操作壓力。

鍋爐汽-水流程中給水換熱器管殼程進出口均設(shè)有溫度傳感器，用以監(jiān)測給水換熱器、對流段進出口的溫度。輻射段出口亦設(shè)置有溫度傳感器。鍋爐蒸汽出口設(shè)置有溫度傳感器分別向控制盤發(fā)出高溫報警信號及高高溫報警和關(guān)斷信號。鍋爐本體設(shè)有爐膛溫度、熱盤管壁、排煙溫度等傳感器進行監(jiān)測。

（3）蒸汽干度監(jiān)測及調(diào)節(jié)

在鍋爐出口設(shè)置有干度分析儀可在線監(jiān)測干度，同時通過干度分析儀在線控制燃燒器進風(fēng)、燃油、燃氣量，調(diào)節(jié)鍋爐出口干度，始終保持在蒸汽干度92%。干度監(jiān)測系統(tǒng)同時設(shè)置了手動取樣監(jiān)測的流程和功能。鍋爐的蒸汽壓力和干度調(diào)節(jié)是一個復(fù)雜和精細的調(diào)節(jié)過程，涉及到鍋爐給水、進風(fēng)、進油進氣、燃燒等多個系統(tǒng)，需要在充分掌握整個鍋爐系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，謹慎操作，保證鍋爐平穩(wěn)運行。

（4）輔助工藝設(shè)備及系統(tǒng)

鍋爐給水泵將鍋爐水處理系統(tǒng)的超純水增壓輸送到注汽鍋爐。給水泵一般是變頻調(diào)節(jié)的高壓柱塞泵，通常是手動控制變頻。

疏水擴容橇主體為疏水擴容器，為立式圓柱形，頂端出口與大氣聯(lián)通，用于排放蒸汽，底部出口用來排放爐水。它與注汽鍋爐蒸汽放空管線相連，用來減少鍋爐放空時因蒸汽壓力急劇下降而產(chǎn)生的振動和噪音，同時防止蒸汽放空管線在緊急放空時出現(xiàn)意外事故。疏水擴容橇也用于鍋爐起爐和停爐過程中不合格蒸汽的排放。橇內(nèi)設(shè)置有排放擴容器（減溫減壓裝置）、排放水箱，以及排水泵、消音器等附屬設(shè)備。

其他輔助系統(tǒng)如通風(fēng)與供氣系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃油及霧化系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、自動控制和報警系統(tǒng)等，因鍋爐廠家而異，配置各有不同，在此不再贅述。

3 注汽管線工藝計算

由于高溫高壓濕飽和蒸汽在輸送過程中存在管路阻力損失和熱量損失，為保證達到注汽井口所需的蒸汽干度要求，需選擇合適尺寸的蒸汽輸配管路。蒸汽管路尺寸的工藝計算主要包括管路壓降計算和流速計算。管路的壓降計算包括兩部分：平直管路的沿程流動壓降和管路上的彎頭、閥門等管件引起的局部壓降損失。關(guān)于管路的局部壓降損失，一般按照管件的當量長度折算成沿程阻力損失加以考慮。

3.1 注汽管線沿程壓降計算

3.1.1 手算公式

經(jīng)查閱相關(guān)標準及參考文獻，兩相流蒸汽管道沿程阻力壓降計算主要推薦采用以下兩種計算公式：

推薦公式一：

式中：ΔP1—管道的沿程阻力，kPa；G —介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；Di—管道內(nèi)徑，mm；vp—該管段內(nèi)介質(zhì)平均比容，m3/kg；L —管道長度，m。

推薦公式二：

式中：（ρω）—介質(zhì)的質(zhì)量流速，kg/(m2·s)；Di—管道內(nèi)徑，m，此式中長度單位為m，區(qū)別于式1。v' —水的平均比容，m3/kg；v'' —蒸汽的平均比容，m3/kg；x —蒸汽的平均干度；λ —摩擦阻力系數(shù)；K—管道的絕對粗糙度，mm，查表可得；

Ψ—修正系數(shù)，

（式2-3）

式中：ρ'' —蒸汽的平均密度；kg/m3；ρ' —水的平均密度，kg/m3；

現(xiàn)結(jié)合某海上熱采平臺工程實例，給出具體計算過程如下：

注汽鍋爐出口蒸汽管線主要參數(shù)見表2。

表2 主要參數(shù)表

中間計算過程如下：

濕蒸汽平均比容：v p=x·v''+（1-x）

v'=0.0070m3/kg；

將上述參數(shù)帶入公式1，得到：

通過公式2-1得到摩擦阻力系數(shù)：λ=0.0301。

介 質(zhì) 的 質(zhì) 量 流 速（ ρ ω ） = G /(1/4π·Di2)=993.2kg/(m2·s)，ρω＜1500，則帶入公式2-3，得到修正系數(shù)：Ψ=1.0393。

將上述計算參數(shù)結(jié)果帶入公式2，得到管路沿程百米壓降損失為：

3.1.2 工藝模擬軟件計算

基于工藝模擬軟件Aspen HYSYS中常用的PR流體包，利用常規(guī)PR方程、PR-LK方程，以及適用于蒸汽管路計算的兩種流體包NBS Stream、ASME Stream流體包分別計算本例下的百米管路壓降，得到計算結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 PR流體包內(nèi)兩種方程計算結(jié)果

圖2 兩種適用于蒸汽管路流體包的計算結(jié)果

3.1.3 對比分析

手算公式和工藝模擬軟件計算結(jié)果對比分析見表3。

表3 手算公式和工藝模擬軟件計算結(jié)果對比表

3.2 注汽管線流速計算

蒸汽管路的沖蝕速度計算公式為：

式中：vc—流體的沖蝕速度，m/s；C—經(jīng)驗常數(shù)，間斷工作取153，連續(xù)工作取122；ρm—在平均工作壓力及溫度條件下汽-液兩相流的密度，kg/m3

本例中：ρm=1/vp=142.1kg/m3，C=122，帶入公式3，得到?jīng)_蝕速度：vc=10.23m/s。

蒸汽管路的實際流速計算公式為：

式中：v—管路中蒸汽流速，m/s；Q —濕蒸汽體積流量，m3/s；A —管路截面積，m2；

本例中： Q=G·vp=0.035m3/s，A=1/4π·Di2=0.005m2，帶入式3-1得v=7m/s。

經(jīng)比較，v＜vc，滿足管道內(nèi)介質(zhì)流速不應(yīng)大于沖蝕速度的要求。

3.3 結(jié)論

經(jīng)過上述計算過程和對比分析，選擇4”蒸汽輸送管線滿足規(guī)范和實際使用要求。為保證油藏的注熱量，根據(jù)工程經(jīng)驗，對注汽管路干度損失，一般控制在每公里損失1%的干度范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文對稠油熱采技術(shù)進行了介紹，結(jié)合海上稠油熱采項目工程實例，研究了注汽鍋爐系統(tǒng)的主要工藝流程和設(shè)備，重點對高溫高壓蒸汽管線工藝計算進行了分析探討，為海上稠油熱采工程項目提供了一定的參考和借鑒。

◆參考文獻

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