勝利油田稠油熱采蒸汽恒流控制裝置研究應用

趙曉

摘要：針對目前油田熱采地面注汽管網缺乏調控手段，注汽流量難以精確調控的現狀，研制開發了適用于油田現場條件的地面蒸汽恒流調控裝置，實現了注汽過程中流量的精確控制。詳細介紹了蒸汽恒流控制裝置的結構組成、工作原理、相關技術指標及現場應用情況?，F場實驗表明，該裝置能夠實現蒸汽的恒流量注入且工作穩定，完全滿足現場使用要求。

關鍵詞：稠油熱采;注汽管網;注汽流量;恒流控制

中圖分類號：TM925.5文獻標識碼：A

0 前言

稠油在石油資源中所占比例較大， 因此如何開采稠油， 使之成為可動用儲量， 是石油界一直探究的問題^[1]。勝利油田稠油油藏經過多年熱采開發，現多已進入開發后期，周期產油量低，含水率達90%以上，周期油汽比低，生產效果不理想，但是總體采收率小于20%，稠油熱采開發仍有很大的上升空間^[2]。面對油田開發現狀， 轉換開發方式變得尤為重要。

蒸汽驅技術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，根據數據統計，蒸汽驅的最終采出程度可達到50%～60%。目前蒸汽驅現場普遍采用一爐注多井的固定注汽管網流程，在“截止閥+流量計”的流量調控方式應用中發現，調整一支路的流量就會造成其他多個支路的流量發生改變，無法保證各注汽井的恒流量注入，需要頻繁開關調節閥，才能實現蒸汽的穩定注入。針對目前地面蒸汽測控裝置存在的不足，提出了汽驅井恒流式蒸汽測控裝置的研制，該裝置能夠有效避免背壓差異造成的注汽流量偏差，實現蒸汽的合理高效注入。通過該裝置的現場應用，可以有效提高熱采的油汽比和原油的采收率，同時滿足國家和油田節能降耗、提升注汽管理水平和現場運行效率的要求，因此，該裝置具有重要的經濟效益和社會效益。

1裝置組成、原理及技術指標

1.1裝置組成

油田地面注汽管網蒸汽流量均衡調控裝置，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通過螺紋連接，沉砂管2的

前端與沉砂管堵頭3通過密封螺紋連接，將復雜的蒸汽中攜帶的鐵屑及雜物進行收集，防止堵塞并影響后續文丘里臨界流噴嘴調控精度及能力流量控制提供條件，裝置結構圖見圖1?。

圖1蒸汽恒流控制裝置結構示意圖

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

根據蒸汽——水兩相流體的特性，利用單個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。流體通過噴嘴就會產生壓力降，通過噴嘴的流量則隨壓力降的增大而增大。但當壓力降超過一定數值，即超過臨界壓力降時，不論出口壓力如何降低，流量將維持一定的數值而不再增加。臨界流噴嘴就是根據這個原理用來調控流體的流量或隔絕下游壓力波動對流量影響。

文丘里臨界流噴嘴裝置是在一定的進口壓力P₁下，降低出口壓力P₂，流量Q將隨之增加，當出口壓力降低到某一壓力P_c時，流經裝置流體的質量流量達到最大值Q_c，繼續降低出口壓力，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

通過查閱文獻發現，眾多的國內外學者對噴嘴的臨界流量和喉口直徑進行了大量的研究。本文借鑒C.L.Redus提出的經驗公式，確定當發生臨界流時，流過文丘里噴嘴的流量和文丘里噴嘴喉口直徑的關系為：

其中，a和b為系數，為蒸汽的質量流量（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）。并且C.L.Redus還給出了當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，流過文丘里噴嘴的流量和文丘里噴嘴喉口直徑的具體關系為：

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口壓力和喉口面積的影響。因此現場應用過程中，通過設計確定限流噴嘴孔徑即可實現對注汽流量的控制，不論下游壓力如何變化均能保證蒸汽的恒流量注入。

1.3結構設計

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，一個漸縮段與一個漸擴段，蒸汽在其中流動的過程中，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構對蒸汽的流量影響很大，需要對進口直徑、喉部直徑、喉部擴角等進行計算及設計。

1.3.1?喉部擴角設計

這里以進口壓力12Mpa、進口干度為0.7時為例，計算喉部擴角與流量的分布趨勢見表1

通過計算的結果可以看出，保證噴管的其余結構不變，僅改變喉部的擴張角，依次從1°變為5°，流量會有極其微小的增加，如果考慮計算的精度誤差，那么可以認為，噴管中的質量流量與喉部的擴角無關，但是在后續模擬過程中發現喉部擴張角為10°時，方程發散，無法得出正確的結果，說明已經不滿足正常流動的條件。所以，噴管擴張角的選擇是有一定限度的，按照前面的設計規范與查閱文獻，一般在選擇角度時以1°～5°為宜。

1.3.2 喉部直徑設計

喉部直徑設計，關系到臨界流量的大小，這里依次取5mm、6mm、7mm、8mm，計算時，所采用的計算模型與計算喉部擴角時所采用的計算模型保持一致，進口壓力12Mpa，干度為0.7，計算得到不同的喉部直徑與流量的統計表見表2。

1.3.3 進口端直徑設計

在進行噴管的設計計算時，進口的直徑一般取喉部直徑的3倍，但是在實際的工程應用中，由于管道直徑以及現場要求等原因，可能需要更改進口直徑，那么就有必要探尋進口直徑對流量的影響關系。

計算時，保證其他的參數不變，只改變進口的直徑，進口直徑分別選取10mm、15mm、20mm、25mm、30mm，計算結果匯總表如表3。

從進口直徑與流量的分布圖來看，流量隨進口直徑的變化趨勢與其隨喉部直徑的變化趨勢相反，也就是說增大進口直徑，反而會減小質量流量。

1.4?主要技術指標

流量調控范圍0t/h-15t/h;

壓力0-21MPa;

溫度0-370℃;

調控誤差小于5%;

2蒸汽恒流量調控裝置數值模擬

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，對上述結構的文丘里臨界流噴嘴進行了數值模擬。間歇流流型對應不同的流動速度，此時進口流量也變化，通過對在相同入口壓力下的不同入口質量流量進行數值模擬研究其流型對能流參數的影響。

首先根據文丘里臨界流噴嘴設計計算所得到的尺寸進行建模，模型見圖4，計算可得

二維模型模擬軸對稱結構的計算結果與三維模型模擬結果非常接近，而且二維軸對稱模擬比三維模擬計算效率高、速度塊。因此本文主要采用二維軸對稱模擬方式。

首先根據文丘里臨界流噴嘴設計計算所得到的尺寸進行建模，建模的軟件選擇的是ICEM，建模圖如圖5.

2.1臨界流狀態的確定

選取入口壓力為10MPa，干度0.7，喉部尺寸及流量見表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，喉部流量也相應增大;隨著入口流量的增大，漸縮管長度逐漸增大;隨著入口流量的增大，擴張管長度逐漸增加。這就使得喉部流通面積也增大，這是入口流量增加對所設計的噴管結構的影響。

2.2入口壓力變化對蒸汽臨界流量影響

取進口壓力，出口壓力，干度，喉部截面積。進口水蒸氣壓力與比體積存在對應關系，故取初始壓力為分別為7，7.5，8，8.5，9，9.5，10，10.5，11MPa，在水蒸氣圖上查得相應比體積。

由表5可知，在給定出口壓力和進口蒸汽干度時，對于同一個文丘里臨界流噴嘴，臨界流量隨著蒸汽進口壓力的增大而增加。

4 結論及認識

本裝置在調研了國內外相關的蒸汽—水分離器基礎上，針對目前油田現場用的蒸汽流量調節閥，T型分配器、球型分配器等分配特點，開發設計了新型油田地面注汽管網蒸汽流量均衡調控裝置，該裝置是按照油田地面濕蒸汽的干度、壓力、溫度及管徑等參數進行結構設計，保證安裝了該調控裝置的每一口井的蒸汽流量能按設計流量注入該井，從而提高油井的熱采效果，減少了無效注汽并節約了蒸汽能耗，提高了單井的產能，并能取代油田地面管網上普遍按照的蒸汽流量調節閥。因此，該技術的應用將大大提高稠油熱采開發過程中濕蒸汽的調控和分配水平，有效解決了油田開發中的技術難題，在國內外同類產品中具有明顯的技術、價格和現場實施優勢。

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