摘要：針對我國油田大量使用亞臨界注汽鍋爐,但其流量干度測量問題卻還沒有解決的現(xiàn)狀,采用分流分相的測量原理,研制出亞臨界汽水兩相流量計,實現(xiàn)了注氣過程中的流量、干度等參數(shù)的在線測量。詳細介紹了亞臨界汽水兩相流量計的結構組成及特點、工作原理、室內(nèi)和現(xiàn)場試驗及推廣應用情況。試驗表明,亞臨界汽水兩相流量計流量測量誤差小于5%,干度測試誤差小于6%,工作穩(wěn)定且操作方便,完全滿足現(xiàn)場使用要求。
引言
注蒸汽熱力采油是當今世界開采稠油的方法之一。目前,稠油熱采生產(chǎn)注汽難度加大,普遍采用高溫高壓的亞臨界注汽鍋爐進行注汽,雖然亞臨界注汽鍋爐已在油田大量應用,但隨之而來的流量、干度測量問題卻還沒有解決。主要問題是在亞臨界參數(shù)范圍內(nèi),由于蒸汽與水的特性進一步接近,蒸汽-水兩相流體的流動過程趨向平穩(wěn),各種測量信號的脈動特性基本消失,同時不同節(jié)流元件的差壓信號的特性也趨于相同,因而導致現(xiàn)有的基于脈動原理和組合原理的兩相流儀表基本失效。因此,要解決亞臨界注汽參數(shù)的流量和干度測量問題就必須尋求新的測量方法。鑒于此,采用分流分相測量方法[1,2]開發(fā)了亞臨界汽水兩相流量計,解決了注汽過程中流量、干度等參數(shù)的在線測量問題。
亞臨界汽水兩相流量計是一種新型多相流體流量測量儀表,經(jīng)過5年多的實驗室研究,已進入產(chǎn)品開發(fā)階段。該亞臨界汽水兩相流量計是從兩相流中取出一小股汽-水混合物,將其分離成單相蒸汽和水,然后分別計量得到汽-水的流量和干度。目前該儀器已經(jīng)成功應用油田多個采油廠,取得了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。
技術分析
1.測試機理
亞臨界汽水兩相流量計測量采用的是分流分相法的測量原理:即采用分流技術從汽-水兩相流中按比例分流出一小股汽-水混合物,并將其分離成單相蒸汽和水,然后再分別用單相流量計測量它們的流量,最后仍將這部分流體返回被測兩相流體的管道。蒸汽-水兩相流體的各相總流量則根據(jù)比例關系而定。
2.結構組成
亞臨界汽水兩相流量計主要由儀表體、變送器和工控機等3部分組成,儀表整體結構見圖1。
1,5—U形管;2—接線盒;3—主管;4—分離筒;6,11—變送器;7,10—流量測量元件;8—溫度測量元件;9—壓力變送器;12—計算機
儀表體包括主管、分離筒體(主要是由分配器和分離器組成)、U形管、流量測量元件和溫度計套管。整個儀表體通過卡箍組件與蒸汽管線相連接,測量儀共使用了4個變送器,變送器分別通過托架固定在儀表體上,4路信號線在接線盒內(nèi)集中后再用屏蔽電纜與工控機連接。工控機內(nèi)包括直流電源、A/D卡、主機及顯示器等。
3.工作原理
被測兩相流體(蒸汽)進入主管流過分配器時被分成2部分,一部分(80%～90%)沿原通道繼續(xù)向下游流動,稱這部分流體為主流體,這一支路為主流體回路;另一部分兩相流體(10%～20%)則進入分離器,稱這部分流體為分流體,這一支路為分流體回路。分流體經(jīng)分離器分離后,氣體和液體分別進入氣體流量計和液體流量計進行計量,最后重新與主流體匯合,其工作原理見圖2。測得流量、干度和壓力等數(shù)據(jù)在工控機的顯示屏上顯示,流量、干度和壓力等測量值每分鐘更新1次,每10min存儲1組數(shù)據(jù),每天自動生成1個數(shù)據(jù)文件存儲在工控機的硬盤上,可隨時調出查看每天的注汽情況,也可保存和打印。
4.主要技術參數(shù)
流量測量范圍:4～11.5t/h;
干度測量范圍:20%～85%;
最高工作壓力:22MPa;
最高工作溫度:374℃;
流量測量精度:5%;
干度測量精度:6%(絕對誤差)。
5.主要技術特點
分流分相法是將兩相流體的流量測量變成了單相流測量,僅有很小的體積,便于做成儀表廣泛應用。由于所有儀表都工作在單相流中,不僅能顯著提高測量儀表的穩(wěn)定性和可靠性,而且測量過程與流體的性質無關,既適合于亞臨界注蒸汽測試,也適合于高壓注蒸汽測試。它可以連續(xù)不間斷對整個注汽過程進行測試,起到對整個注汽過程中注汽質量的監(jiān)督,也可以對高壓難注打排放進行注汽的井進行流量的準確計量。
室內(nèi)試驗及現(xiàn)場應用
1.室內(nèi)試驗情況
室內(nèi)試驗項目主要包括二次儀表的性能考核、蒸汽-水流量計標定、分流系數(shù)測定和模擬現(xiàn)場測量試驗。
(1)二次儀表的性能考核對選用的二次儀表進行了長時間的性能考核。對壓力變送器進行了加壓和加溫性能試驗,證明各項指標符合要求,精度達到0.5%以內(nèi)。對差壓變送器進行了耐高壓和長時間連續(xù)加載實驗,證明變送器性能穩(wěn)定,精度能達到0.2%。工控機的考核連續(xù)持續(xù)了300h,無任何故障。對數(shù)據(jù)采集板也進行了仔細的校核,證明了其高可靠性和精度。
(2)流量計標定對蒸汽和水流量計分別用水進行了標定。試驗在多相流實驗回路上完成,參考流量值(或標準流量)由Coriolis質量流量計測量,精度0.05%。圖3、4分別為蒸汽和水流量計的標定結果。最大相對誤差均小于0.57%。
(3)分流系數(shù)標定在多相流實驗臺上用空氣-水模擬測量了分流系數(shù)值,該值為0.01347,精度1.5%。試驗Re=5×103～2.8×104�，F(xiàn)場試驗證明,蒸汽的實際值與該值很接近,可以作為現(xiàn)場校核的基礎。隨著數(shù)據(jù)的積累,可望完全通過室內(nèi)試驗確定儀表的分流系數(shù)值。
(4)連機模擬測量試驗為模擬注汽現(xiàn)場的情況,在多相流實驗臺上用空氣-水代替蒸汽對測量儀做了性能考核。由于空氣與蒸汽有很大差異,試驗只是定性的,目的在于檢驗儀表的反應能力、二次儀表的穩(wěn)定性和測量軟件的可靠性。室內(nèi)試驗表明,亞臨界汽水兩相流量計完全達到設計要求。
2.現(xiàn)場應用情況
汽水兩相流量計在勝利油田坨826井上進行了2井次的測試應用,注汽中最高壓力20.5MPa,平均18MPa左右,無節(jié)流現(xiàn)象,井口壓力與鍋爐出口壓力一致,測試儀運行穩(wěn)定,未發(fā)生任何故障;汽量、水量的測量信號曲線平穩(wěn),未見明顯波動;流量干度指示值穩(wěn)定,無超過測量精度的跳動;能靈敏地反映鍋爐的壓力、流量和干度變化,尤其對熄火、燒干和燃燒變化反映迅速,與鍋爐報警信號同步;干度測量值與化驗值相差小于3%,流量值在鍋爐給定范圍內(nèi);自動記錄測量結果,自動存盤和生成報表,停電時未見數(shù)據(jù)丟失。通過測試能及時掌握注汽鍋爐的注汽質量,提醒工作人員及時調整鍋爐運行狀況,確保高質量的蒸汽注入油井,提高了坨826井的試油效果。
結論
(1)亞臨界汽水兩相流量計用分流分相法很好地解決了亞臨界注汽過程中蒸汽流量和干度計量問題。
(2)室內(nèi)標定和現(xiàn)場應用證明,該流量計在其測量范圍內(nèi),流量測量誤差小于5%,干度測量誤差小于6%,完全滿足現(xiàn)場應用要求。
(3)該流量計測量過程與流體的性質無關,既適合于亞臨界注蒸汽測試,也適合于高壓注蒸汽測試。
(4)該流量計具有測量范圍大、誤差小、工作穩(wěn)定及現(xiàn)場操作方便等優(yōu)點。它提升了汽-水兩相流的測試水平,可進一步在稠油熱采注汽測試中推廣應用,為提高稠油熱采開發(fā)效果提供了有力的保障手段。
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