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稠油热采单井蒸汽流量计计量方式选型资料

时间:2017/09/27来源:未知

摘要: 通过对各种干度蒸汽计量特点及各类蒸汽流量计在油田应用的分析,提出新型蒸汽计量装置研发的思路,并对已研发的蒸汽计量装置进行先容。
稠油热采单井蒸汽流量计计量方式选型资料
引言:当前稠油产区广泛使用的热力采油技术有蒸汽吞吐、蒸汽驱以及 SAGD 等。新疆油田应用***常用的技术是蒸汽吞吐与蒸汽驱,热媒多为干度 X < 80% 的湿蒸汽。近年来为提高采收率,开始将 SAGD 技术用于稠油开发。SAGD 开发井底蒸汽干度要求达到 70% 以上,锅炉出口蒸汽干度需达到 95% 以上,高干度蒸汽、过热蒸汽随即用于油田 SAGD 开发,部分区块进行了过热蒸汽吞吐的应用。提高稠油热采采收率的一项关键技术为测量蒸汽干度和质量流量。随着稠油产量的增大,新疆油田的年注汽量递增,合理控制注入油藏的热量,减少无效注汽,降低稠油开发的能耗,对于油田的可持续发展十分重要。
 
1、不同干度蒸汽计量的特点分析:
1. 1、湿蒸汽:

  湿蒸汽是饱和蒸汽中含有一定数量的饱和水。在实际生产中遇到的饱和蒸汽基本上都是湿蒸汽。湿蒸汽中夹带的饱和水有两个来源,即: 一是在饱和蒸汽生产过程中产生; 二是在蒸汽输送过程中释放汽化潜热产生。湿蒸汽的载热率与质量流量和干度有关,运行条件的不确定使湿蒸汽中含有的饱和水量不能准确地确定,即湿蒸汽干度不能准确确定。湿蒸汽中含有的饱和水虽然体积很小,其质量
,却很大 它对于湿蒸汽实际密度的影响很大 。因此,实际的湿蒸汽含水量部分的密度补偿和修正,因有别于温度、压力变化引起的干饱和蒸汽密度的修正和补偿而不能实现。在这样的状况下产生的流量测量偏差不能通过简单的方法消除。目前,国内外针对蒸汽两相流分配与计量技术普遍存在着分配不均、测量精度不准、操作繁杂、维护不方便等问题,尚未形成成熟的湿蒸汽计量技术。
 
1. 2、高干度蒸汽:
   新疆油田高干度蒸汽主要用于 SAGD 开发。根据 SAGD 工艺原理,高干度注汽是 SAGD 成功的关键。因为原油加热依靠的是蒸汽的汽化潜热,所以蒸汽中的饱和水不能与原油进行热交换,对 SAGD 生产毫无帮助。因此 SAGD 开发需要井底的蒸汽干度达到 70% 以上,锅炉出口蒸汽干度应在 95% 以上。
 高干度蒸汽属于湿蒸汽的范畴,但由于其中饱和水的含量少,蒸汽计量的难度相对较小。一般认为,蒸汽干度较高( X≥95% ) 时流体表现为均相流,动 温压补偿可按通常方法进行。由于密度比临界饱和态大,质量流量会出现一定的负偏差,干度越小偏差越大。随着输送过程损失热量的增多,管道内蒸汽的干度也在下降,当蒸汽干度小于 95% 时,管道中的流体出现分层流动,产生的误差更大。
 
1. 3、过热蒸汽:
   过热蒸汽是一种单一的蒸汽形式,在过热蒸汽中是不存在饱和水的,测量其流量相对来说比较容易,只要进行温度压力在线密度补偿和修正就可得到准确测量。
 
2、常见蒸汽计量方式在油田的应用:
  蒸汽流量测量方法按工作原理细分,可分为直接式质量流量计和推导式质量流量计两大类。目前广泛使用的蒸汽质量流量计绝大多数为推导式。其中,以节流式差压式流量计和涡街流量计为核心的质量流量计是主流,这两种方法有各自的优点和缺点,而且具有良好的互补性。

2. 1、差压式流量计:
2. 1. 1、孔板流量计:
孔板流量计是利用流体的缩放原理产生差压,以流动连续性方程和伯努利方程为基础的一种测量手段,由于结构简单、牢固、性能稳定、价格低廉等优点应用***为广泛。
2008 年采油工艺研究院在重 32 井区 SAGD 试验区进行了蒸汽计量现场试验,测量 6. 3MPa 的过热蒸汽。装置通过孔板流量计进行计量,现场使用 7 个月左右后,孔板冲刷磨损严重,计量数据漂移严重。后改为采用耐磨锥形孔板计量,计量误差在10% 以内,满足现场注汽的需求。
 
2.1. 2、弯管流量计:
  弯管流量计与传统的孔板流量计一样同属于差压式流量计的范畴,但弯管传感器是利用流体的惯性原理产生差压。弯管流量计既继承了差压式流量计结构简单、性能稳定、测量的优点,又克服了差压式流量计压力损失大、容易堵塞、维护困难等缺点。
  2008 年采油五厂工艺研究所在百重七井区122 号计量管汇安装了 2 套弯管蒸汽测量装置,测量 6. 2MPa 的湿蒸汽。该测量装置通过弯管流量计测出压差,计算出体积流量,并转换为质量流量,现场使用 10 个月左右后,计量数据相对稳定。但由于湿蒸汽为两相流,122 号计量管汇处并没有对干度进行测量,其体积流量转换为质量流量数据准确性受压力变化的影响很大。
 
2. 2、涡街式流量计:
  涡街流量计是在流体前进方向上放置一线形物体,形成频率与流速成一定比例的旋涡列,通过测量旋涡列的频率而达到对流体体积的测量。辽河油田锦州采油厂 45 块注汽站所辖集油区内 023 - K280、024 - K280、025 - K280 应用了国产涡街流量计。现场由于没有引入干度参数,误差达到 35%~ 50% 。
  从湿蒸汽单参数计量试验可以看出,各单参数流量计均未引入干度参数,测量误差大,不能满足油田生产的需要。
 
2. 3、各类流量计用于蒸汽计量的综合对比:
  各类流量计用于蒸汽计量的综合对比如表 1 所示。
表 1 各类蒸汽流量计的综合对比表
 
项目 精度 量程比 优点 缺点
         
孔板流量计 0. 5 ~ 1. 5 1∶ 3 结构简单、价格低廉、适用温度范围大。 蒸汽冲刷严重,节流使管线阻力增大、水击、振动。
文丘里湿蒸汽流量计 0. 5 1∶ 10 安装直管段要求、蒸汽冲刷、节流均优于孔板。 管线阻力增大、水击、振动。
弯管流量计 0. 5 ~ 1. 0 1∶ 10 结构简单,维护费用低; 压损小。 需安装在弯头处。
涡街流量计 0. 5 ~ 1. 0 1∶ 30 压损小,量程范围大,精度高,维护工作量小。 不适用于低雷诺数测量。

通过以上对比,文丘里流量计、弯管流量计、涡街流量计均能适合井口注汽的工况,孔板采用耐磨性能好的材质时也可使用,但以上流量计单独计量时均存在干度的修正问题。
2. 4、各种干度测量、计算方法的分析:
  各种干度测量、计算方法的分析如表 2 所示。通过以上分析可以看出,对湿蒸汽干度直接进,行测量的各种方法普遍存在着装置复杂 计量度不够、检测过程繁琐,无法实现在线监测等不足,无法作为单井注汽计量手段。
 
3、新型计量装置的研发:
  综上所述,过热蒸汽与高干度蒸汽( X≥95% )计量较易实现,使用耐磨锥形孔板流量计就能满足油田生产需求; 而干度小于 95% 的湿蒸汽计量手段需深入研究。通过各类流量计在油田的应用效果及分析可以看出,湿蒸汽计量的主要问题有: 1)饱和蒸汽处在临界状态,任何的温度、压力变化都可能引起饱和蒸汽与饱和水之间的转化而导致介质密度变化,从而使测量结果出现很大偏差; 2) 在线介质密度的获得很困难。
目前还没有一种仪器可以测量出饱和蒸汽密度,需要配合相应装置经过间接计算才能获得比较理想的密度测量结果。因此,可以使用不同流量计测量湿蒸汽,利用它们工作原理、测量结果的不同,使不同流量计的测量结果互为修正,研发出组合式流量测量装置。对于给定的蒸汽压力和流动条件,蒸汽的质量流量和蒸汽干度是相关的。因此,使用两个独立的流量测量系统( 见图 1) 并获得所需的数据,即可同时解出蒸汽的干度和质量流量。因此,可以采用涡街和文丘里喷嘴双元件进行蒸汽双相测量,同时测出蒸汽流量和干度。
 
表 2 各种干度测量、计算方法的分析表
     
项目 基本原理 存在问题
     
忽略蒸汽挟盐,湿蒸汽中饱和 检测繁琐,不能在线监
测; 干度数值取决于分
化学滴  
液碱度越高,注汽锅炉的干度 离器效果; 蒸汽干度越
定法  
越高。
 利用分离器将汽水分离,测量干度数值取决于分离器计重法 蒸汽冷凝水质量占湿蒸汽的总效果。质量的百分比,得到蒸汽干度。
 利用分离器将汽水分离并分别装置复杂,计量度不热焓法 冷却,计量冷却水的流量及温度高,检测越不准。
变化,计算出湿蒸汽的干度值。 够。
 
   
将蒸汽冷凝,测量电导率,然后 传感器易形成碱垢,长
期使用后检测的干度值
电导
与汽源处的水中离子浓度相比 下降; 电导率的稳定性
率法
较,以确定蒸汽出口的干度。 较差。
 
   
建立装置的压降与干度的关 必须在流体达到稳定状
孔板计 态后至少 10min 才可以
系,测量孔板前后的压差得到
量法 进行计量。
蒸汽的干度。
   
 图 1	湿蒸汽干度和质量流量检测示意图
图 1 湿蒸汽干度和质量流量检测示意图
  根据流体连续性定律可知: 在串联的双元件中湿蒸汽的干度和质量流量相同。在已知标准节流元件结构参数和湿蒸汽比容的条件下,使用湿蒸汽的质量流量方程,在测得静压力、静差压以及温度等参数后,用迭代法可以求出其干度和质量流量,并计算出注入的热量; 利用井口的节流阀调节单井的蒸汽注热量; 多井时,可分别配置相同的计量 -调节装置,即可控制各井的蒸汽注热量。
  将涡街流量计、文丘里喷嘴串联组成蒸汽计量装置,用确定的元件结构和检测到的流动蒸汽状态,建立湿蒸汽干度求解方程,用牛顿迭代法求出流过元件的蒸汽干度,进而求出其质量流量。计量过程主要检测节流元件的差压、元件间的压力、温度等参数。
  对于涡街流量计,体积流量方程如下:
qm = πD2 mdf ( 1)
4S [ X + ρ2 ( 1 - X) ]
r   ρ1
式中: D—表体通径; Sr —斯特劳哈尔系数; f—旋涡发生频率; m—两弓形面积与管道截面之比; d—发生体迎面宽度; ρ1 —干蒸汽密度; ρ2 —水的密度。
对于文丘里喷嘴,湿蒸汽方程如下:
q = P κd3c   P ( 2)
m X τ
式中: qm —质量流量; P—入口静压力; τ—流量试验参数; dc —喉孔直径; P—2 个流量计之间的压差; κ—方程单位转换系数。
将上述( 1) 和( 2) 两个方程联立,通过牛顿 -拉夫逊法( Newton-Raphson method) 迭代进行求解,得到质量流量 qm 和干度 X。
 
该计量装置具有以下优点:
 
1) 组合计量器安装为焊接结构,无运动部件、寿命长、维护简单。
 
2) 几乎不受井下压力波动的影响,可在线连续检测。
 
3) 可计量蒸汽干度、质量流量、流通的热能与动能,各井的注入量等。并按需自动累积、存储、显示各参数,并通过无线或有线远传。
 
4) 蒸汽状态参数用 IAPWS - IF97 公式计算,精度更高,运算速度更快。实测计量精度可控制在± 10% 以内,量程比 1∶ 10。
 
4、结语:
  稠油热采需合理控制注入油藏的热量,才能提高采收率,实现科学采油的目的,选择或研发适合油田生产的蒸汽计量装置与技术手段至关重要。利用互补性的流量计测量湿蒸汽,根据流量方程的不同联合求解并相互修正,得出质量流量与干度,可以作为湿蒸汽计量的一个方向。

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