史欽芳

（中國(guó)石化勝利油田分公司采油工程處，山東東營(yíng)257001）

注汽干度是評(píng)價(jià)注汽質(zhì)量、決定熱力采油效果的重要指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)［1］，特別是在稠油開(kāi)采的蒸汽驅(qū)采油階段，注汽干度直接決定了稠油開(kāi)采的整體采收率。長(zhǎng)期以來(lái)受注汽鍋爐結(jié)構(gòu)和水質(zhì)處理?xiàng)l件的限制，油田常規(guī)注汽鍋爐產(chǎn)汽干度僅到80%，蒸汽中的水分主要用于溶解或攜帶給水中的鹽分，以避免蒸汽發(fā)生器結(jié)垢和積鹽。因此如何在現(xiàn)有注汽鍋爐的基礎(chǔ)上提高蒸汽干度或直接產(chǎn)生微過(guò)熱蒸汽，就具有十分重要的意義。2006 年以前，國(guó)內(nèi)各油田普遍采用的方法是應(yīng)用高壓汽水分離器，直接將蒸汽中的水相分離除去，從而達(dá)到提高注汽干度的目的。從實(shí)際運(yùn)行效果看，注汽干度確實(shí)能達(dá)到90%以上，滿足了汽驅(qū)的要求，但難以有效回收和利用分離出的高壓高溫飽和水，造成了13%蒸汽總熱能的損失。另外由于這部分飽和水的含鹽量較高，直接排放必然會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而回收利用又必須增加投資和運(yùn)行費(fèi)用。為此，勝利油田從2008年開(kāi)始了新的探索及微過(guò)熱蒸汽發(fā)生器研究，于2010年研發(fā)成功并投入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了良好的注汽效果和經(jīng)濟(jì)效益。

1 技術(shù)路線的確定

常規(guī)注汽鍋爐的制汽流程為：將水源來(lái)水經(jīng)過(guò)軟化處理后再進(jìn)行除氧處理，由高壓柱塞泵增壓后進(jìn)入水—水換熱器換熱升溫達(dá)露點(diǎn)溫度（121 ℃）以上，接著進(jìn)入對(duì)流段吸收煙氣熱量，最后進(jìn)入輻射段進(jìn)一步吸熱變成70%～80%干度的濕飽和蒸汽，最后注入地層［2］。

通過(guò)調(diào)研、資料查閱和技術(shù)討論，本文確定的技術(shù)方案是通過(guò)提高汽水分離效果，將分離的接近100%高度的蒸汽再進(jìn)入爐膛加熱，加熱后的蒸汽微過(guò)熱，然后再將汽水分離器中分離的高含鹽水摻入微過(guò)熱蒸汽中，使得蒸汽干度達(dá)到90%以上注入地層。這樣既提高了干度又杜絕了熱量不必要的浪費(fèi)，同時(shí)也無(wú)需提升水處理標(biāo)準(zhǔn)。

2 關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

由以上分析可以看出，本項(xiàng)研究的關(guān)鍵技術(shù)有三點(diǎn)，分別為汽水分離器的深化研究、微過(guò)熱省煤器的設(shè)計(jì)和微過(guò)熱蒸汽與高含鹽水的摻混技術(shù)研究。

2.1 汽水分離器的設(shè)計(jì)優(yōu)化

汽水分離器主要是利用飽和水和飽和汽密度的不同，利用重力分離技術(shù)來(lái)將它們分開(kāi)，飽和水下行而飽和蒸汽上行，從而達(dá)到汽水分離的目的［3］。傳統(tǒng)的汽水分離器的分離效果為將干度為70%的濕蒸汽提高到90%以上，因此分離效果差。為提高分離效果就必須優(yōu)化分離機(jī)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算、設(shè)計(jì)、技術(shù)查詢和論證，將傳統(tǒng)的立式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為球型結(jié)構(gòu)，體積可達(dá)到最大、流通阻力也最小，同時(shí)也保證了分離出的水儲(chǔ)存體積。

主要進(jìn)行了流通阻力校核、汽液兩相在球體內(nèi)體積比優(yōu)化和分離器效果優(yōu)化，確定了球體直徑、液位高度、內(nèi)部分離件的數(shù)量及安裝位置的確定。

汽水分離器液位高度主要通過(guò)差壓變送器來(lái)進(jìn)行在線計(jì)量并實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出，根據(jù)流通靜力學(xué)原理，差壓變送器測(cè)量的液位差壓（Δp）為［4］：

式中，ρ1—變送器高壓側(cè)引壓管內(nèi)的冷凝水密度，kg／m3；

H1—分離器高、低壓引壓管的中心距離，m；ρ1—分離器內(nèi)的飽和水密度，kg／m3；

h—飽和水液位，m；

H2—高壓側(cè)引壓管對(duì)應(yīng)低壓側(cè)引壓管到變送器接液處高度，m；

ρ3—變送器低壓側(cè)引壓管內(nèi)的冷凝水密度，kg／m3；

H3—低壓側(cè)引壓管到變送器接液處高度，m；p0—分離器內(nèi)靜壓，MPa。

盡管汽水分離器壓力、溫度都很高，但差壓變送器高、低壓引壓管內(nèi)的冷凝水溫度基本相同，即ρ1≈ρ3，H2＝H3，同時(shí)化簡(jiǎn)公式（1），可得：

由以上公式可得，已知差壓變送器壓差，可測(cè)出液位高度：

h＝（ρ1H1g－Δp）／（ρ2g）

為了確定汽水分離器的最終性能，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。采用FLUENT 方法對(duì)汽水分離器兩相流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)積分lagrange參考系中的粒子受力平衡方程式來(lái)預(yù)測(cè)汽水離散相粒子（液滴或氣泡）的軌跡，確定旋風(fēng)分離部分的分離效果，見(jiàn)表1。旋風(fēng)分離主要受粒子周?chē)鲃?dòng)力作用，在直角坐標(biāo)系中，當(dāng)流體相密度大于粒子密度時(shí)，加速粒子周?chē)牧Γ‵x）可寫(xiě)成［5］：

式中，ρ為流體相密度，ρp 為粒子密度，u是流動(dòng)相的速度，up是粒子速度。

表1 不同的粒徑的水滴汽水分離效果Table 1 The different particle size water－drop of water－steam separation result %

由以上分析可以看出，要提高旋風(fēng)分離效果就必須保證汽相與水相的密度差，要保證波紋板的分離效果，就必須保證水滴粒徑，而水滴粒徑除與蒸汽入口速度有直接關(guān)系外，也與汽相與水相的密度差有關(guān)。通過(guò)大量計(jì)算與運(yùn)行效果監(jiān)測(cè)，最小密度差應(yīng)控制在0.009 5 m3／kg以上，密度差越大分離效果越好；流速控制在額定流量的50%以上，流速越大分離效果越好。查水和水蒸汽熱力性質(zhì)參數(shù)計(jì)算得［6］，壓力應(yīng)控制在14.68 MPa以下，才能保證汽水密度差。

2.2 過(guò)熱器的設(shè)計(jì)

在過(guò)熱器內(nèi)蒸汽與管壁的換熱系數(shù)遠(yuǎn)低于常規(guī)注汽爐輻射段內(nèi)的沸騰換熱系數(shù)，由于進(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽中仍含有極少量的水分及鹽分，若在熱流密度大的區(qū)域受熱，鹽分易附著在爐管內(nèi)壁上形成鹽垢，產(chǎn)生局部過(guò)熱［7］。經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，將過(guò)熱器安裝在輻射段出口與對(duì)流段進(jìn)口之間，即可保證其吸熱效果又減少設(shè)備體積和投資。微過(guò)熱注器過(guò)熱部分熱力模型如圖1所示。

如上所述，過(guò)熱器的入口蒸汽中總含有極少量的水分及鹽分，這些鹽分主要由蒸汽發(fā)生器的給水帶入。由于軟化水處理已將水中的Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Al3＋等金屬離子已被徹底去除，因此剩余的鹽分主要是鈉鹽和少量的鉀鹽，如NaOH、NaCl、Na2SO4等。其中NaCl在過(guò)熱蒸汽中具有較高的溶解度，達(dá)100 mg／kg。而Na2SO4在過(guò)熱蒸汽中的溶解度只有10μg／kg，而且又是水中含量最大的鈉鹽，顯然如果蒸汽的含水量過(guò)大，鹽就有可能沉積在過(guò)熱器內(nèi)［8］。因此防止過(guò)熱器積鹽的關(guān)鍵是提高分離器的效率。根據(jù)電站蒸汽發(fā)生器和本項(xiàng)目的運(yùn)行實(shí)踐，只要分離器出口的蒸汽干度能達(dá)到99.5%以上，就可以避免過(guò)熱器積鹽。

首先設(shè)定微過(guò)熱注汽鍋爐出口干度控制在95%，根據(jù)其熱焓值和同狀態(tài)下的飽和水焓值，求出蒸汽的熱焓值，從而確定過(guò)熱度和飽和蒸汽升高到微過(guò)熱蒸汽需要的焓值。結(jié)合原注汽鍋爐結(jié)構(gòu)確定換熱器結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)燃燒煙氣不同部位溫度情況，確定換熱器的安裝部位，最終優(yōu)化出換熱面積。

通過(guò)計(jì)算，不同壓力下，給定注汽蒸汽發(fā)生器輻射段出口干度條件下，過(guò)熱段需要達(dá)到的過(guò)熱度（見(jiàn)表2）。

圖1 微過(guò)熱注汽鍋爐微過(guò)熱部分熱力模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Micro－overheat steam generator parts of micro overheating model

表2 不同壓力條件下出口干度達(dá)90%所需要的過(guò)熱度Table 2 Demand overheat temperature to reach 90%dryness in outlet at different pressure ℃

2.3 汽水噴射混合器優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽水噴射混合器主要功能為將飽和水霧化噴射到微過(guò)熱蒸汽中進(jìn)行摻混，飽和水吸熱后汽化，微過(guò)熱蒸汽放熱后降溫或冷凝，使得摻混后的蒸汽為高干度或過(guò)熱蒸汽。本優(yōu)化設(shè)計(jì)由于飽和水中的高鹽分在飽和水汽化后析出，易產(chǎn)生細(xì)微鹽分，由于此處不是受熱面，鹽晶體無(wú)聚集合力，可被此處的高速流體帶走，形成不了鹽垢。

本部件的優(yōu)化點(diǎn)為摻混空間的霧化孔隙度，霧化孔隙度與汽水分離器的液位高度、運(yùn)行壓力關(guān)系密切，霧化孔隙度與液位高度、運(yùn)行壓力不匹配，在孔隙處就產(chǎn)生鹽結(jié)晶，當(dāng)運(yùn)行達(dá)到一定時(shí)間后霧化孔完全堵塞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)摻混的目的。

2.4 安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)

由以上技術(shù)攻關(guān)可以看出，本項(xiàng)技術(shù)各部件相互影響、互相牽制，因此，精細(xì)化控制也是本項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵。通過(guò)干度在線自動(dòng)測(cè)量、液位微控制、閥門(mén)開(kāi)度自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)微電腦控制。

微過(guò)熱注汽鍋爐在控制上實(shí)現(xiàn)了全過(guò)程控制與監(jiān)測(cè)，在運(yùn)行模式上采取了常規(guī)運(yùn)行和微過(guò)熱運(yùn)行兩種模式，通過(guò)運(yùn)行前微電腦的預(yù)設(shè)計(jì)，可自動(dòng)在濕蒸汽、高干度蒸汽和微過(guò)熱蒸汽三個(gè)區(qū)域安全運(yùn)行。程控主要點(diǎn)為報(bào)警點(diǎn)掃描、運(yùn)行模式判斷、前吹掃、點(diǎn)火、火焰監(jiān)測(cè)、主火焰點(diǎn)火、參數(shù)調(diào)整、水火跟蹤、運(yùn)行（輻射段出口蒸汽干度檢測(cè)、球型汽水分離器實(shí)時(shí)液位、過(guò)程點(diǎn)壓力與溫度、汽水分離器出口干度、蒸汽發(fā)生器出口過(guò)熱度、汽水混合器狀態(tài)等）、后吹掃、停爐全過(guò)程控制。整機(jī)具備了全程在線、過(guò)程監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制功能。

3 制汽工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程

根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)情況并結(jié)合傳統(tǒng)注汽鍋爐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完成了整體設(shè)計(jì)，主要包括熱力計(jì)算、強(qiáng)度校核、流通阻力計(jì)算、傳熱惡化條件等。工藝流程見(jiàn)圖2，在常規(guī)注汽鍋爐流程的基礎(chǔ)上，與汽水分離器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與匹配，經(jīng)高效汽水分離器分離出的蒸汽通過(guò)上部出口流經(jīng)到過(guò)熱器繼續(xù)加熱，然后再流向霧化混合器；汽水分離器分離出的飽和水從下部流向霧化混合器；過(guò)熱蒸汽與飽和水在霧化混合器內(nèi)摻混后注入注汽井中。

圖2 油田專(zhuān)用（微）過(guò)熱注汽鍋爐工藝流程圖Fig.2 Special（micro）overheat steam generator process flow diagram in oilfield

3.2 結(jié)構(gòu)形式

油田專(zhuān)用微過(guò)熱注汽鍋爐由軟化水處理裝置、除氧器、高壓柱塞泵、水－水換熱器、對(duì)流段、輻射段、過(guò)渡段（內(nèi)置過(guò)熱器）、汽水分離器、汽水混合器和自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成，是在常規(guī)直流式注汽鍋爐主要構(gòu)造基礎(chǔ)上增設(shè)了過(guò)渡段（內(nèi)置過(guò)熱器）、汽水分離器、汽水混合器及新型自控部分。

3.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)汽水密度隨壓力的變化特性，結(jié)合油田蒸汽吞吐與蒸汽驅(qū)熱力采油注汽技術(shù)參數(shù)要求，進(jìn)行以下參數(shù)的設(shè)計(jì)：

額定蒸發(fā)量30t／h、額定工作壓力17.2 MPa、蒸汽溫度370℃、過(guò)熱度17℃、整體熱效率≥88%、控制方式為PLC＋觸摸屏＋工控機(jī)方式、適用燃料為油氣兩用。

4 過(guò)熱蒸汽對(duì)化學(xué)蒸汽驅(qū)的影響

國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果及礦場(chǎng)試驗(yàn)均表明，汽竄是影響蒸汽驅(qū)整體開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素之一。高溫泡沫因其高視粘度、對(duì)油水的選擇封堵性與破滅再生的同時(shí)進(jìn)行及高界面活性，可以實(shí)現(xiàn)地層的深度封堵調(diào)剖，從而提高蒸汽的波及系數(shù)和洗油效率，因此研究過(guò)熱蒸汽對(duì)耐高溫泡沫體系的影響尤為關(guān)鍵。

4.1 過(guò)熱蒸汽的優(yōu)勢(shì)分析

過(guò)熱蒸汽有更高的熱物理參數(shù)，攜帶更高的熱焓，提升開(kāi)采效果，蒸汽溫度和干度可調(diào)范圍大，伴注化學(xué)劑時(shí)調(diào)低注汽溫度，注純蒸汽時(shí)要大幅度提升溫度與干度，高干度蒸汽同高溫泡沫結(jié)合還能減緩蒸汽超覆和邊水入侵。

4.2 耐溫及調(diào)驅(qū)試驗(yàn)

4.2.1 耐溫試驗(yàn) 在壓力7～10 MPa，干度94%，蒸汽溫度286～310 ℃條件下進(jìn)行室內(nèi)耐溫實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如表3所示。利用紅外光譜儀對(duì)泡沫體系耐溫前后的成份進(jìn)行測(cè)試，從波峰分布情況分析體系基本有效成分保持不變。

表3 體系耐溫前后性能指標(biāo)對(duì)比Table 3 System thermal endurance performance contrast

4.2.2 調(diào)驅(qū)試驗(yàn) 泡沫體系存在一個(gè)最佳的溫度作用范圍，過(guò)低或過(guò)高的溫度對(duì)其在多孔介質(zhì)中的發(fā)泡性能均造成影響，結(jié)果如圖3所示。過(guò)低的溫度不利于其在泡沫液膜上的規(guī)則分布，過(guò)高的溫度使分子運(yùn)動(dòng)過(guò)于劇烈，泡沫液膜的穩(wěn)定性降低，封堵效率明顯下降。泡沫體系200℃左右具有最佳的封堵調(diào)剖性能，溫度為286～310 ℃時(shí)，阻力因子仍然大于20，具有較強(qiáng)的封堵調(diào)剖性能。

圖3 溫度對(duì)泡沫體系阻力因子的影響Fig.3 Temperature affect to foam system resistance factor

利用雙泵驅(qū)油物理模擬裝置，研究了蒸汽驅(qū)和化學(xué)驅(qū)的驅(qū)油效率［9］，結(jié)果表明化學(xué)蒸汽驅(qū)比蒸汽驅(qū)提高了驅(qū)油效率和波及效率。試驗(yàn)還模擬孤島油田的油藏參數(shù)，驗(yàn)證了注過(guò)熱蒸汽比普通蒸汽有更高的增產(chǎn)效果，對(duì)注入井口和井下管柱進(jìn)行了耐溫校核。

5 運(yùn)行模式及應(yīng)用效果

5.1 運(yùn)行模式

根據(jù)生產(chǎn)需要，本過(guò)熱蒸汽發(fā)生器可在飽和、過(guò)熱狀態(tài)下自由轉(zhuǎn)換，從而生產(chǎn)低干度蒸汽（干度＜80%）或高干度蒸汽（干度≥80%）或過(guò)熱蒸汽。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，低干度、高干度、過(guò)熱三種狀態(tài)的臨界點(diǎn)是：輻射段出口的蒸汽干度＜56%時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口蒸汽干度＜80%，過(guò)熱段溫度控制在相應(yīng)壓力下飽和濕蒸汽臨界溫度以下，蒸汽發(fā)生器處于低干度模式運(yùn)行（添注化學(xué)劑時(shí)）；56%≤輻射段出口的蒸汽干度＜70%時(shí)，80%≤蒸汽干度＜100%，蒸汽發(fā)生器處于高干度模式運(yùn)行；輻射段出口的蒸汽干度≥70%時(shí)，蒸汽發(fā)生器出口為過(guò)熱蒸汽，目前現(xiàn)場(chǎng)過(guò)熱溫度控制在10℃以內(nèi)。礦場(chǎng)多通過(guò)化驗(yàn)輻射段出口的蒸汽干度來(lái)判別和控制蒸汽發(fā)生器的運(yùn)行模式，以確保安全經(jīng)濟(jì)注汽。

5.2 實(shí)施效果

勝利油田某熱化學(xué)驅(qū)熱力采油試驗(yàn)區(qū)與2010年9月建成并投運(yùn)兩臺(tái)30t／h油田專(zhuān)用（微）過(guò)熱蒸汽發(fā)生器，截止到2011年12月，平均運(yùn)行壓力7～10 MPa，平均運(yùn)行干度94%，蒸汽發(fā)生器平均注汽 速度24.2t／h，累計(jì)注汽45萬(wàn)t，平均運(yùn)行時(shí)率92%，一臺(tái)燃用天然氣、一臺(tái)燃用原油。同常規(guī)配套專(zhuān)用汽水分離相比，節(jié)約用水17%，節(jié)省燃料約3%～5%，避免和減少了含鹽水的外排，成為中國(guó)石化亮點(diǎn)的蒸汽驅(qū)先導(dǎo)工程。

表4 過(guò)熱鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)表（實(shí)際統(tǒng)計(jì)）Table 4 Operation data sheet（practical statistics）

經(jīng)過(guò)一年半的運(yùn)行效果跟蹤，該設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)汽干度高、運(yùn)行平穩(wěn)可靠，自動(dòng)化控制可靠精準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)便，管理容易，經(jīng)濟(jì)效益較好。已成為勝利油田蒸汽驅(qū)采油的主選爐型，在勝利油田的多個(gè)區(qū)塊開(kāi)始推廣應(yīng)用。

6 結(jié)論

微過(guò)熱注汽鍋爐是基于應(yīng)該常規(guī)水處理運(yùn)行狀態(tài)下（水利用率高）而研發(fā)設(shè)計(jì)的新型高干度制汽設(shè)備。實(shí)用表明，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、管理方便、經(jīng)濟(jì)高效等特點(diǎn)，是注高干度蒸汽采油的理想制汽設(shè)備。

（1）微過(guò)熱注汽鍋爐可在濕蒸汽區(qū)與高干度區(qū)兩種模式下選擇運(yùn)行。即可應(yīng)用于普通吞吐運(yùn)行，也可調(diào)整任意高干度直至微過(guò)熱狀態(tài)下運(yùn)行，達(dá)到蒸汽驅(qū)采油中的干度運(yùn)行要求及化學(xué)蒸汽驅(qū)注汽的要求。

在高干度模式下運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)：運(yùn)行壓力小于15MPa、過(guò)熱度小于30℃、汽水分離器與汽水差混器的垂直距離應(yīng)大于2m。

（2）根據(jù)水質(zhì)中鹽的成分及溶鹽規(guī)律，運(yùn)行中最易造成析鹽的主要成分為Na2SO4，因此在運(yùn)行中要防止和的進(jìn)入。

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