臨界流壅塞裝置研究現(xiàn)狀分析

王超

摘 要：文章主要針對(duì)石油工程應(yīng)用中的臨界流壅塞裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析與總結(jié)，并針對(duì)其存在的問題提出相應(yīng)地解決措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：直孔嘴壅塞；錐形孔壅塞；可調(diào)節(jié)壅塞

引言

在蒸汽驅(qū)采油工程中，對(duì)于蒸汽注入流量的控制是非常重要的，它關(guān)系到是否能夠有效的將熱量分配到各個(gè)油層，人們對(duì)于流量的控制方法和工具的研究已經(jīng)進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間。機(jī)械壅塞配汽器，噴嘴，孔板都可以用以井下流量控制，而文獻(xiàn)中關(guān)于恒流量配汽器的研究主要集中在臨界流壅塞裝置的研究。

根據(jù)定義，臨界流發(fā)生時(shí)通過節(jié)流裝置的質(zhì)量流量，即使在下游壓力發(fā)生變化的情況下也將保持恒定，此時(shí)的流動(dòng)便稱為壅塞流，流量的大小只能隨著上游壓力和流通孔面積的大小的變化而變化，而下游的任何參數(shù)的變化都不會(huì)影響流量的大小，這時(shí)的流量便稱為臨界流量。為了達(dá)到臨界流狀態(tài)，節(jié)流裝置兩端的壓降必須是上游滯止壓力的一半左右，否則流動(dòng)將被考慮為亞臨界狀態(tài)，在亞臨界狀態(tài)，質(zhì)量流量將和下游壓力有關(guān)。石油工程應(yīng)用中的臨界流壅塞裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)大致分為直孔嘴壅塞裝置、錐形孔壅塞裝置和可調(diào)節(jié)壅塞裝置。

1 直孔嘴壅塞裝置

Chien，S·F和Schrodt，J·L·G通過實(shí)驗(yàn)和理論分析證明了固定的壅塞裝置是一種可靠的控制質(zhì)量流量的方式。Thornhill-Craver壅塞裝置是直孔嘴壅塞裝置的一種典型結(jié)構(gòu)，它具有可拆換式的孔嘴，廣泛應(yīng)用于蒸汽的流量控制。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。在臨界流狀態(tài)下，蒸汽質(zhì)量流量卻取決于上游壓力，蒸汽干度和孔嘴尺寸，因此注氣壓力一定的情況下，通過設(shè)計(jì)孔嘴的大小可以確定通過流量的大小。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，可靠性強(qiáng)，但是其最主要的缺點(diǎn)是其壓降過大，幾乎接近上游滯止壓力的一半左右，限制了其應(yīng)用范圍，對(duì)于那些鍋爐蒸汽壓力偏小或者地下油層壓力偏大的情況，很難保持臨界流動(dòng)狀態(tài)，即難以維持質(zhì)量流量的恒定。

圖1 直孔嘴壅塞裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 錐形孔壅塞裝置

錐形孔壅塞裝置可以用以代替直孔壅塞裝置來實(shí)現(xiàn)臨界流動(dòng)狀態(tài)，并且其產(chǎn)生的壓力損失也小的多。Suzanne和Tom Abate研究了傳統(tǒng)Thornhill-Craver上裝配一個(gè)錐形孔嘴（見圖2）的流動(dòng)特性，并和直孔嘴壅塞裝置的流動(dòng)特性進(jìn)行了比較，其結(jié)果如圖3所示。錐形孔嘴的喉部如同直孔嘴一樣，達(dá)到了臨界流動(dòng)狀態(tài)，但是其擴(kuò)散段起到了壓力恢復(fù)的作用，出口的蒸汽壓力可恢復(fù)到上游壓力的85%～90%左右。因此錐形孔壅塞裝置可以在較小的壓力損失情況下實(shí)現(xiàn)臨界流動(dòng)狀態(tài)，使得它可以較理想的用于那些吸汽能力較差的油層，并且可以減小鍋爐供蒸汽的壓力，降低煤耗。

a.直孔嘴壅塞裝置流動(dòng)特性 b.錐形孔嘴壅塞裝置流動(dòng)特性

圖3 直孔嘴壅塞和錐形孔嘴壅塞裝置流動(dòng)特性比較

3 可調(diào)節(jié)壅塞裝置

多孔板閥和針閥有時(shí)也應(yīng)用于臨界流狀態(tài)實(shí)現(xiàn)壅塞來控制流量，被稱為可調(diào)節(jié)壅塞裝置。一個(gè)典型的多孔板壅塞裝置的示意圖如圖4所示。臨界流流量的大小通過預(yù)先設(shè)定孔嘴流通面積來實(shí)現(xiàn)，而孔嘴流通面積大小可以通過旋轉(zhuǎn)一個(gè)或者同時(shí)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)帶對(duì)孔的圓盤來調(diào)節(jié)。但是，圖中可以看出，該壅塞裝置的流通孔是非圓或非環(huán)形的，這樣就不可能用一個(gè)固定的流量系數(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)流通面積與流量的對(duì)應(yīng)，必須要在調(diào)節(jié)后進(jìn)行流量的就地校準(zhǔn)，才能保證流量控制的精確性。

圖4 多孔板可調(diào)壅塞裝置示意圖

臨界流文丘里噴嘴是壅塞裝置中研究的比較成熟的一種結(jié)構(gòu)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）也頒布了關(guān)于它的標(biāo)準(zhǔn)ISO9300，為流量的計(jì)算和噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，它廣泛的應(yīng)用于航天，化工，石油工業(yè)能領(lǐng)域。Jae-Hyung Kim等人也研究了一種可調(diào)節(jié)的壅塞裝置，將一個(gè)直徑較小的圓桿同心的放到臨界流噴嘴中間，用來改變流通面積，當(dāng)需要改變流量的時(shí)候只需要更換不同直徑的圓桿即可，而不需要重新設(shè)計(jì)臨界流噴嘴。

4 結(jié)束語

以上提到的臨界流壅塞裝置，其主要價(jià)值在于能夠屏蔽下游壓力參數(shù)的變化來保持流量的恒定。但是它們存在以下兩方面的問題：

（1）壓力損失大，最低的壓力損失也達(dá)到上游滯止壓力的10%，對(duì)于在高壓注蒸汽的石油工程中，這么大的壓力損失代表了能量的耗費(fèi)，這對(duì)于節(jié)約能源來說是非常不利的。

（2）對(duì)上游的壓力波動(dòng)沒有屏蔽作用。當(dāng)流動(dòng)出現(xiàn)壅塞時(shí)只對(duì)下游的干擾具有屏蔽作用，流量大小取決于上游參數(shù)，因而上游出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，仍會(huì)引起流動(dòng)不穩(wěn)定，不能保證注入蒸汽的流量按照設(shè)定值進(jìn)行。