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稠油热采注入饱和蒸汽流量的计量和调节

时间:2018/04/27来源:未知

文 摘: 为实现注入蒸汽的计量和调节 , 以提高稠油热采经济效益 , 以克拉玛依油田一个配汽站 (包括 17口注汽井的98区 813站 )为示范 ,采用孔板差压噪声经验模型并配以计算机数据采集和处理系统 ,对分配器入口和各注汽井的饱和蒸汽流量及干度进行实时计量 ,并在注汽管线上增加了迷宫式高差压调节阀 ,可方便地对每一口井的注汽流量进行调节。 现场试运行表明 , 系统设计合理、运行可靠 , 而且投资较少。
  在稠油热采工艺中科学合理地注汽可以提高油汽比和原油采收率。 其地面设施主要有产汽直流锅炉和配汽管网组成,如图 1所示。锅炉产生的汽水两相流输送至分布于锅炉房周围的各配汽站。在各配汽站中,饱和蒸汽由球形分配器对称分配流进各注汽井。
  由于注汽 (采油)井的形式(竖直井或水平井)、地质条件以及生产历史 (单井吞吐或汽驱)的不同,各井的注汽压力不同(可相差 1~ 4 M Pa) ,要求的注汽流量也不同( 1~ 10 t /h) ,而且往往是注汽压力高的井要求注入的流量大,注汽压力低的井要求注入流量小,这就需要在注汽管线上配备高差压调节阀。但是,现有注汽管线上仅配备楔形截止阀,不仅无法实现流量调节,而且由于开度小、流速高,阀头遭受严重冲蚀 ,导致截止阀不能截止。各注汽井注入流量的计量,尽管几十年以来国内外进行了大量的 研究,但是由于两相流流动的复杂性,影响因素的多 样性,使得大多数方法仍处于研究阶段,而且价格昂贵,仅为实验室使用。这使得我国的热采现场至今基本上没有实现有效的计量。
  因此,经济实用的两相流调节和计量方法是实 现热采科学注汽的当务之急。
图 1 稠油热采注汽管网示意图
图 1 稠油热采注汽管网示意图
 本研究以热采注汽工艺系统的一个配汽站为单元,利用孔板差压方法对分配器入口和各注汽井两相流量进行计量,并采用迷宫式高差压调节阀[1 ]实现对每一口井注汽流量的调节,取得了满意的结果。

1、两相流测量方法:
  汽水两相流计量的基本问题是总质量流量和相 比份(干度)的测量。 如果一个装置可以同时测量这两个参数,则称之为双参数测量仪表; 如果能够在已知一个参数(流量或干度)前提下,测量另一个参数(干度或流量)的装置,则叫做单参数测量仪表。节流装置,涡轮流量计, γ射线密度计 ,电容密度计等都是典型的单参数测量装置[2 ]。从原理上讲 ,任何两种不同单参数测量仪表的组合都可以实现两相流的 双参数测量。此外 ,应用激光、核磁共振、脉冲中子活化等高新技术测量两相流也取得了成功[2 ]。 这些装置的共同特点是设备复杂,价格昂贵,有的甚至高达10万美金以上,至今大都仅用作为实验研究中的科学仪器,难以在工业过程中推广。
  工业过程中的两相流计量,首要的要求是设备简单,运行可靠,价格便宜。

  据美国石油工程师协会 SPE生产与设备 1995年报告[3 ] ,美国开发了一种注入蒸汽组合测量装置(见图 2)。其基本原理为两相流流过孔板后,通过一节流阀产生临界流,从而根据孔板差压和压力测量值,再应用他们的经验公式计算出饱和蒸汽的流量 和干度。 为要测量一口注汽井的两相流,需要孔板、差压和压力变送器、临界流节流阀及其配套的积算仪表,估计价格超过 3万元人民币。 另外,我国稠油热采注汽压力较高, 其中克拉玛依较低,也有 5~ 10 M Pa, 而辽河油田高达 12 M Pa 以上, 由于受到注汽锅炉出口压力 16 M Pa 的制约,大多数情况下不可能形成临界流。
  孔板在两相流中存在着差压噪声,这是两相流动的固有特征 ,也是两相流流动状态信息的载体,因而可以用于两相流测量,从而利用单一孔板实现两 相流双参数测量[4 ]:
计算公式

式中: x 为两相流干度;
G为两相流质量流量;

e( Δp )为孔板差压方根统计方差;
R 为孔板差压方根相对统计方差;
θ为经验常数;
T为孔板流量因数;
X为气体膨胀修正因数;
F 为孔板流道面积;
d′为两相流液相密度;
d″为两相流汽相密度;

Δp为孔板差压平均值;
Δp= ∑
i=   1
Δpi  /m , Δpi 为采样值。
  显见,孔板噪声双参数测量方法比上述孔板临界流减少了一个临界流节流阀,而且使用也不受注汽压力的限制。 基于这一模型的两相流双参数法测量仪器已经问世[ 5 ] ,见图 3。尽管这是目前投资***少的汽水两相流计量方法,但对于一个具有数以千计热采井的油田来讲,仍然是一笔不小的投资。
计算公式


2、计量系统设计:
  如图 1所示, 813站有注汽井 17口,其两相流计量系统原理见图 4。 在每一注汽管线上安装一台孔板及其配套的差压变送器,并在孔板下游配置一 个高差压调节阀。另外  ,在分配器入口母管上安装量孔板及其差压和压力变送器。 所有变送器信号输入到计算机数据采集和处理系统。
图 4 两相流计量原理示意图

图 4 两相流计量原理示意图
  对于分配器入口母管(设置孔板及其压力和差压变送器) ,可直接利用双参数测量模型( 1)~ ( 4)计算出其流量和干度。 而对于每一口注汽井有:

式中:
计算公式
下标 j 为不同注汽井序号, j = 1, 2,… , 15, 17

h″为汽比焓;
h′为水比焓;
Δpa 为分配器入口母管孔板阻力损失;
Δpb   为分配器入口阻力损失;
Δpc   为分配器出口阻力损失;
pj 为各注汽孔板上游压力;
Qj 为注热量;
U为经验常数。
  一般来讲, pj 比 p 低 0. 2~ 0. 4 M Pa 不等,取决于总流量和各分流量。 pj 的初始值设定为 p , 计算各井初始流量 Gj , 然后根据各阻力环节算出实际阻力损失代入式( 6) ,经过迭代求出 pj。理论分析表明,用式 ( 7) 计算流量时, 压力有± 0. 1 M Pa 的误差,可引起流量附加误差 0. 7% 。这对于两相流计量误差( 7% 左右 )来说是个小量,工程上也是可以接受的。但是每口注汽井节省了一台压力变送器 ,可减少不少投资。 此外,各注汽井孔板,不采用双参数测量方法,主要是因为在实际工艺流程中,无法保证足够 的孔板上下游直管段,未充展的两相流对孔板噪声 的干扰太大。
  整个计量系统采用计算机采集和处理数据,压力变送器和差压变送器的 4~ 20 m A电流信号先转化为 1~ 5 V 电压信号后送至 A / D采集板, A / D板将模拟信号转化为数字信号后送至计算机,根据给 定的数学模型由相应的App计算出干度、流量等所需要的值,在屏幕上显示或经打印机输出。  
  系统采用 LEO IW S-724V 一体化设计的工业控制机,配置为 Pentium 166, 32 M B内存, 1. 7 GB 硬盘。 A /D数据采集板采用 LEO ACL-8113 32通道光电隔离板 ,其 A /D转换速度为 25 Hz。

  数据采集App在设计时, 采用了目前流行的W IN DOW S 95作为运行平台,并利用可视化的面向对象 ( OO P)的程序设计技术和 V B 5. 0程序设计语言,使系统具有先进性和易用性的特点,并便于系 统的维护和升级。
  由于 VB5. 0没有直接读写硬件端口的函数,因此采用 V C 5. 0将读写端口的函数编译成可供 V B 调用的动态链接库,从而实现对 A / D板端口的读写。由于要处理大量的实时数据 ,并且还需要保存每小时的数据供以后查询,因此系统采用了高效的小型 ACCESS 8. 0数据库来保存和处理数据。
  所开发App的模块有: 数据采集模块、物性参数计算模块、选用两相流模型计算模块、数据查询模块、统计报表、动态显示等。

3、流量调节:
  如上所述,在分配器至各注汽井之间的管线上 必须配置高差压调节阀以实现流量调节。为此 ,清华大学与新疆石油管理局合作研制出 LT-16型迷宫式高差压调节阀[1 ] ,其主要参数为:
公称压力: 16 M Pa,
工作介质: 饱和水蒸汽, 蒸汽干度: 0. 55~ 0. 80, 介质温度: ≤ 350℃ ,
调节特性: 流量开度近似线性,
  降压特性:  在***小流量 ( 1  t /h ) , ***高压力( 8 M Pa )和干度 0. 6工况下,阀门可实现的减压不少于 3 M Pa;  而在***大流量 ( 10 t /h ) , 较低压力( 4 M Pa ) , 干度 0. 8 工况下, 阀门的降压小于
0. 2 M Pa。 此外,该阀还具有截止功能。
  运行时,根据各井注入两相流的计量值适当调 节各调节阀,即可完成配汽流量的调节。

4、运行:
  系统安装完毕,经打压试验后即投入运行。由于受注汽条件限制,目前仅能同时投入 4口注汽井。首先,调整锅炉火量以达到一定干度并维持稳定。 然后,调节各注汽井调节阀,使各井按一定流量注汽。 系统稳定后记录下锅炉出口干度(取样分析法 ) ,分配器入口母管及各注汽井流量、干度和压力; 再调节各注汽井调节阀,改变各注汽井流量配比,并记录上述数据。 改变锅炉火量,达到并稳定在新的干度, 重复上述过程。 运行参数范围如下:
分配器入口压力: 3. 5~ 8. 0 M Pa,
蒸汽干度: 0. 46~ 0. 79,
母管质量流量: 6. 35~ 15 t /h,
注汽井质量流量: 0. 43~ 10. 1 t /h.
  在上述范围,分配器入口母管干度计量值同锅 炉干度(扣除输汽管沿程热损失)相比,均方差小于5% ,各注汽井流量之和与总母管流量测量值(两种不同测量模型)相比,均方差小于 3% 。 由于锅炉出口至分配器入口之间存在旁路,入口母管流量测量 值无法同实际值进行比较。

5、结论:
  计量和调节系统已运行 2 a , 测量仪表、调节阀及计算机系统均正常。 由此可得出以下结论:
  1)稠油热采工艺流程中, 以配汽站为独立单元,应用孔板差压双参数和单参数测量模型,并配以LT -16型高差压调节阀来实现热采配汽流量的调节和计量的总体方案,在理论上是正确的。
系统中所应用的孔板、差压 (压力)变送器、工业控制机均为工业过程中广泛应用的成熟产品, 新研制的 LT -16型迷宫式高差压调节阀也是采用现有材料和成熟工艺技术制成,所以该系统应用在 稠油热采工艺中是现实可行的。
  采用本方案实现稠油热采配汽流量调节和计量, LT -16型迷宫式高差压调节阀可替代目前系统中的两台楔型阀,并不增加投资,仅需增加两相流 计量投资折合每口注汽井约 1. 2万元,这对于两相流计量和调节是一个设备简单,运行可靠,投资***少 的方案,可望在稠油热采现场推广应用。

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