稠油熱采濕飽和蒸汽流量計量技術在河南油田的應用研究

馬宏偉,范鈺緯,魏振國,周文玉,郭宜林,段秀剛

(1.中國石化河南油田分公司石油工程技術研究院,河南南陽 473132;2.中國石化河南油田分公司采油二廠,河南唐河 473400)

河南油田東部淺層稠油區塊以蒸汽吞吐開發為主,油藏埋藏淺(90～950 m)、油層厚度薄(1～6 m)、原油黏度高(1 000～160 000 mPa·s),單井單次注汽量低。常用的23.0 t鍋爐產出干度為70%～85%的濕飽和蒸汽,屬于典型的汽液兩相流,計量難度大。由于缺乏蒸汽精準計量,單爐對多井同時組合注汽時,單井注汽量不清,造成有的井蒸汽欠注,有的井蒸汽超注;蒸汽欠注井油層加熱效果差,蒸汽超注井出現蒸汽竄流,損失熱能,蒸汽熱能利用率低。

濕飽和蒸汽計量難度大的主要原因是流體中同時存在汽、液兩種相態介質,液相的存在,導致流過節流裝置的差壓變化大。由于液滴在蒸汽注入過程中是不均布的,差壓的變動不規律,測量誤差較大[1],通常達到30%以上,傳統的流量測量裝置無法應用[2-3]。V錐形流量計不耐磨損,應用受限[4],國內外濕蒸汽精準計量通常采取分相計量、等干度分配等技術[5-8],將汽、液分離,單獨計量,裝置復雜、成本高;薄層稠油注汽時間短(3～5 d)、頻次高,每一輪注汽組合井組不固定,設備安裝調試時間長、費用高,不適合薄層稠油效益開發。由于蒸汽流量沒有計量,組合注汽單井注汽量通常根據油藏厚度劈分,實際生產中不同井的油藏厚度、滲透率和孔隙度等存在較大差異,單井注汽量不清,流量控制難度大,易出現井間偏流,吸汽好的井注汽量多,容易產生竄流;吸汽差的井注汽量少,油層加熱效果差,極大地影響了蒸汽熱能利用率。

利用單相測量裝置,通過合理修正手段獲得濕飽和蒸汽流量的測量結果,使之適用于兩相流的測量,是重要的研究方向之一。結合油田注汽溫度高、流量大的特點,針對現場應用較多的孔板流量計,開展了濕飽和蒸汽計量應用研究。

1 錐形孔板流量計測量濕飽和蒸汽原理

1.1 流量計結構

錐形孔板流量計結構主要由錐形孔板、螺旋管、針型閥、智能差壓表、本體、卡箍連接頭等組成(圖1)。

圖1 錐形孔板流量計結構

1.2 流量測量

參考標準孔板國家標準GB/T 2624-2006,制定錐形孔板試驗測評項目,制做系列口徑流量計,對不同孔板開孔與測量管道內徑比值進行流量測試,對不同單側入口錐角α°和不同出口錐角β°進行流量測試。通過大量數據測試,制作數據庫,開發錐形孔板計算軟件,在線校準流量。

1.3 測量汽液兩相流量原理

兩相流(濕飽和蒸汽屬兩相流)通過孔板時存在差壓噪聲,即差壓脈動(圖2)。這種噪聲是兩相流動的固有特性[9-10],與兩相流的質量流量(kg/h)和干度(質量含汽率)密切相關。油井注入蒸汽為高干度的汽液兩相流,符合汽相為連續相(載帶相)、液相為分散相(夾帶相)的假設,適用于孔板差壓噪聲兩相流雙參數測量模型。

圖2 差壓噪聲示意圖

采用孔板流量計結合噪聲法和數據庫模型,實現蒸汽流量及干度測量。其原理為圓形管道內流體流經孔板節流裝置時,在孔板節流元件前后端面會產生靜壓力差,此靜壓力差與流體的流速有關,且靜壓力差的噪聲信號為其流體中分散相(即飽和水)的信息載體。通過檢測管道內的靜壓、溫度、靜壓力差及其差壓噪聲,結合已知設計規格參數,采用蒸汽性質IAPWS-IF97公式、伯努利方程、噪聲理論模型及其數據即可推出蒸汽流量及其干度。

適用的伯努利方程:

(1)

錐形孔板流量方程式:

(2)

差壓噪聲公式:

(3)

干度公式:

(4)

1.4 技術參數及特點

錐形孔板流量計用于測量濕飽和蒸汽的主要參數見表1。主要特點有:①壓損小,小于標準孔板的70%;②倒喇叭錐形結構的錐形孔板,避免了孔板前雜質堆積,可保障測量精度不受影響;③不破壞汽液兩相流態,更適宜測量汽液兩相流量,測量精度得以提高;④獨特的傳感器結構設計,能適用于各種工況條件,使用壽命長;⑤厚度的增加能有效避免孔板撓曲及流體沖刷孔板銳角,保障測量精度;⑥可測量過熱蒸汽、飽和蒸汽流量,測量濕蒸汽流量和干度。

表1 濕飽和蒸汽測量用錐形孔板流量計主要參數

2 錐形孔板流量計現場標定及試驗應用

2.1 單爐對單井注蒸汽試驗

為了測試錐形孔板流量計流出系數修正因子,降低計量誤差,選取9.2 t鍋爐對單井注蒸汽時,標定錐形孔板流量計。將錐形孔板流量計串入井口注汽管線,整個注汽管線密閉無漏失,扣除鍋爐損耗用水后,鍋爐進水量和產出蒸汽量一致。產出蒸汽全部通過錐形孔板流量計進入油井,保持鍋爐穩定生產后,鍋爐供水瞬時流量等同于通過錐形孔板流量計的蒸汽瞬時流量。為了更加準確標定錐形孔板流量計,選取20 min階段累計流量,校核錐形孔板流量計瞬時流量。比較剔除偶然偏差數據之后,修改變注汽參數,對比階段累計水量,測試流量計誤差。通過流量計智能差壓表高頻采集分析及數據庫動態補償運算,提高不同流量和干度下的流量精度。

2.1.1 流量計標校

鍋爐進水電磁流量計標定過,電磁流量計精度為1%,根據鍋爐進水電磁流量計來計量水流量,標校蒸汽流量計。注汽井距離鍋爐房2.2 km,管線保溫層老化,保溫效果較差,注汽管線干度損失粗略計算為25%。保持鍋爐出口瞬時流量在6.5 t/h左右,保持干度為70%～80%穩定注汽3 h后,標校錐形孔板流量計。

錐形孔板流量計初步標校完成后,保持注汽參數穩定連續注汽一段時間,通過鍋爐進水流量計校核錐形孔板流量計誤差,連續注入17 h,鍋爐累計進水量110.3 t,錐形孔板流量計計量蒸汽量103.3 t,初步檢驗錐形孔板流量計流量誤差為-6.8%,計算流出系數修正因子,修改流量計軟件。

2.1.2 二次標校流量計

改變注汽流量、蒸汽干度,再次標校流量計,計算流出系數修正因子,修改流量計軟件。錐形孔板流量計二次標校完成后,保持注汽參數穩定注汽一段時間,通過鍋爐用水流量計校核錐形孔板流量計誤差。鍋爐累計進水量103.6 t,錐形孔板流量計計量蒸汽量101.8 t,錐形孔板流量計累計流量誤差為-1.7%,表明流量計標校后,局部范圍內計量精度達到較好水平。井口干度沒有準確測量,無法計算干度誤差。

2.2 組合注汽流量計量試驗應用

錐形孔板流量計試驗標定完成后,在組合注汽井開展現場應用。為了防止組合注汽井蒸汽偏流,在每一口井注汽管線上安裝錐形孔板流量計、流量控制閥,根據每口井的設計配注汽量,結合注汽鍋爐產汽量,計算每口井的瞬時流量,通過錐形孔板流量計精準計量,調節控制閥控制超注井注汽量,實現組合注汽單井精準注汽。

注汽結束燜井后,拆掉錐形孔板流量計和流量控制閥,通過卡箍連接替代短節,恢復采油生產流程。流量計、流量控制閥轉移到其他井繼續應用,可避免注采一體式管線油污堵塞流量計,提高了蒸汽流量計的利用率,有利于淺層稠油效益開發。

試驗階段開展了46井次蒸汽計量和控制現場試驗,其中單爐對2口井組合注汽8個井組(表2),單爐對6口井(層)組合注汽1個井組,多井組合單井計量23口井。除了部分蒸汽驅井流量計長期應用后出現引壓管堵塞故障外,總體應用效果良好,實現了單井注汽量的精準控制,累計增加注汽量827.0 t。46井次蒸汽計量和控制應用后,和前一輪次注汽相比,增油1 599.2 t,目前正在擴大應用蒸汽計量和控制技術。

表2 單爐對兩口井組合注汽應用情況

3 結論

1)錐形孔板流量計引入了聲波噪聲理論模型,通過合理修正手段獲得濕飽和蒸汽流量的測量。與鍋爐產汽相比,流量誤差小于5%,解決了濕飽和蒸汽流量難以計量的問題。

2)采用錐形孔板流量計對濕飽和蒸汽精準計量,解決了多年來稠油熱采組合注汽單井注汽量不清的難題,減少了蒸汽竄流,為稠油熱采精細開發提供了技術支撐。

3)錐形孔板流量計采用卡箍連接,拆卸方便,可避免注采一體式管線油污堵塞流量計,提高了蒸汽流量計的利用率。

4)鍋爐用水添加了調pH值藥劑,容易結晶堵塞錐形孔板流量計引壓管,在安裝時應確保連接密封,同時需要定期檢修疏通引壓管,避免異常情況造成的計量誤差。