韓 建 黃 穎 牟海維 邢志方

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

筒式電容測試注汽井干度算法機理與實現(xiàn)

韓 建 黃 穎 牟海維 邢志方

(東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

為研究熱采注汽井沿程蒸汽參數(shù)的變化規(guī)律，采用筒式電容方法精密測量注汽井蒸汽熱力學(xué)參數(shù)，分析注汽井溫度、壓力和蒸汽干度隨井深的變化特征。構(gòu)建注汽井蒸汽干度測量模型，對蒸汽干度測量模型進行數(shù)值反演，考查蒸汽干度隨介電常數(shù)的變化規(guī)律，揭示了干度值隨井深的增大逐漸減小。

蒸汽干度 筒式電容 注汽井

在注汽井稠油開采過程中，為了實時掌握油層的位置、分布情況和油層對蒸汽的吸收情況，需要對注汽井蒸汽熱效特性參數(shù)的變化規(guī)律進行研究[1]。通過對注汽井蒸汽干度的實時準(zhǔn)確測量，可以確定注汽井所需的蒸汽量和注汽效率，這對油田采油效率的提高具有重要意義[2]。目前，蒸汽干度的測量方法主要有熱力學(xué)法(節(jié)流法、凝結(jié)法、加熱法)、光學(xué)法、示蹤劑法、微波法和光纖光柵法[3]。但是由于氣液兩相流的復(fù)雜性、相互之間的相變以及易受溫度、壓力等因素的影響，以上方法大多存在滯后性[4]。

筆者采用筒式電容法干度測量儀研究注汽井蒸汽參數(shù)，依據(jù)被測介質(zhì)介電常數(shù)變化和熱力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建注汽井蒸汽干度測量模型，并通過測量的數(shù)據(jù)對蒸汽干度測量模型進行數(shù)值反演，由于測量系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)對注汽井蒸汽參數(shù)的實時在線準(zhǔn)確測量，并為掌握油層對蒸汽的吸收狀況和后續(xù)的開采方案設(shè)計提供試驗依據(jù)。

1 測量原理①

由于物體間的電容值與其結(jié)構(gòu)和參數(shù)有直接關(guān)系，所以電容法的測量原理是改變物理參數(shù)，使電容值隨之改變來實現(xiàn)對被測量的測量。電容式傳感器就是利用電容法的測量原理制成的傳感器[5]。由電容的基本概念可知：物體間電容值的大小不僅與構(gòu)成電容元件的極板的形狀、大小有關(guān)，還與極板的相對位置、極板間介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)[6]。

如圖1所示，在不考慮邊緣效應(yīng)的情況下，同軸式電容值的表達式為：

(1)

式中C——電容值；

L——極板的長度；

R1——圓筒的內(nèi)半徑；

R2——圓筒的外半徑；

ε——極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。

圖1 電容法測量原理

由式(1)可知,在結(jié)構(gòu)、面積和距離不變的情況下，電容值只與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)[7]。通過電容值的變化可以測出介電常數(shù)的變化，從而建立干度模型。

2 建立干度模型

在一定的溫度和壓力下，水和水蒸氣的介電常數(shù)相差很多。例如，在一個大氣壓下，水和飽和水蒸氣的介電常數(shù)分別為55.527和1.006[8]。如果用濕蒸汽作為電容傳感器的介質(zhì)[9]，隨著流過傳感器的蒸汽干度的變化，等效介電常數(shù)也會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致傳感器的電容值也發(fā)生變化。通過測量電容器的電容值，就可以得到干度的變化和變化趨勢。

蒸汽干度是指每千克濕蒸汽中含有的干蒸汽質(zhì)量百分?jǐn)?shù)[10]，其表達式為：

(2)

式中ms——水蒸氣的質(zhì)量，ms=Vsρs；

mw——濕蒸汽中飽和水的質(zhì)量，mw=Vwρw；

Vw、Vs——單位體積中水和水蒸氣的體積百分比，Vw+Vs=1；

X——蒸汽干度；

ρw、ρs——濕蒸汽中飽和水和水蒸氣的密度。

對于一定結(jié)構(gòu)的筒式電容傳感器，其內(nèi)半徑為R1，外半徑為R2，長度為L，在將一定濕度的蒸汽作為介質(zhì)時，可得：

(3)

式中Cm——待測電容值；

ε0——濕蒸汽的真空介電常數(shù)；

εm——濕蒸汽的等效介電常數(shù)。

由式(3)可推導(dǎo)出：

(4)

εm=bCm

(5)

其中b是與電容傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。

由Lichtenecker公式可得：

(6)

其中εw、εs分別為一定溫度、壓力下水和蒸汽的介電常數(shù)。

在一定溫度、壓力下，ρw、ρs、εw、εs由IAPWS-IF97查表可得。綜上，可建立干度模型：

(7)

在一定溫度和壓力下測出電容值，代入干度測量公式，便可以反演出此時蒸汽的干度值。

3 測試數(shù)據(jù)分析

基于遼河油田的熱采注汽井進行干度測量的現(xiàn)場試驗。試驗采用的是筒式電容法干度測量儀，可以測量溫度、壓力及電容值等參數(shù)，從而反演出蒸汽干度值。為方便下井，測量儀器制成圓筒式，探針體積非常小以免影響蒸汽流。對檢測電路采用絕壓密封結(jié)構(gòu)，用PEEK參雜30%纖維的材料對裝置進行密封，以適應(yīng)井下高溫、高壓的測量環(huán)境。

試驗開始時開閥門將試驗儀器緩慢下放到700m，再緩慢上提儀器到井口，關(guān)閥門。井下試驗數(shù)據(jù)溫度、壓力和電容曲線如圖2所示。采樣點和井口井底對應(yīng)關(guān)系為，井口對應(yīng)1～140和870～900采樣點，井底對應(yīng)490～510采樣點。本次試驗儀器下放和上提過程完全對稱，從溫度曲線和壓力曲線也可以看出明顯的對稱性。

如圖2所示，井下溫度和壓力隨著井深變化的趨勢基本一致，這是因為井下飽和蒸汽受到溫度和壓力的復(fù)合作用，在井下有限的空間內(nèi)，一定的飽和溫度值與飽和壓力呈一一對應(yīng)關(guān)系，理論上與Antoine equation方程相符。

如圖2a所示，井口溫度為279℃，隨著儀器下放，下井的深度增大，溫度逐漸降低，在井深700m的位置溫度降到275℃，這是因為隨著蒸汽的注入，在蒸汽向下流動的過程中，蒸汽有熱損失，熱能量被油層和井筒吸收，導(dǎo)致溫度降低，由于被測注汽井常年注汽，井下溫差不是很大(不到5℃)。在測量儀器上提的過程中，從溫度曲線可以看出溫度值逐漸上升，與下降的過程呈對稱趨勢。從溫度曲線末端可以看出取出儀器后，溫度迅速下降到256℃左右后開始緩慢降溫。

如圖2b所示，壓力曲線同樣具有較好的對稱性，井口壓力為6.04MPa，隨著儀器的下放，壓力逐漸下降，在井深700m的位置壓力降到5.70MPa。這是因為井口蒸汽流的速度比井下大很多。微觀解釋為，井口的單位體積內(nèi)分子數(shù)較多，所以壓強較大。

圖2 井下試驗溫度、壓力和電容曲線

如圖2c所示，電容測量曲線反映了井下含水量的變化，電容變化范圍為36.10～68.34pF。位置“1”為開閥門時，儀器處在防噴管中，電容探頭部分幾乎全部進水，電容值達到最大68.34pF左右。

基于干度測量現(xiàn)場試驗，將采集到的數(shù)據(jù)進行干度反演分析，并繪制干度值隨井深的變化曲線如圖3所示?？梢钥闯觯S著下井深度的增大，蒸汽干度減小，從井口的0.78降低到0.71左右。因為注汽鍋爐出口的蒸汽流速很大，隨著井深蒸汽的熱量被油層吸收，壓強降低，對應(yīng)的飽和溫度也降低，則井下濕度增大。蒸汽是一個氣液兩相流的形態(tài)變量，在沿著井中下流的過程中有能量損失。蒸汽干度值受壓力和溫度的復(fù)合作用，三者之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系，隨著蒸汽的流速、質(zhì)量和壓強的減小，氣液摩擦阻力也減小。因此，壓力的變化變得緩慢，蒸汽溫度也隨之降低，導(dǎo)致干度值減小。

圖3 蒸汽干度隨井深的變化曲線

4 結(jié)束語

基于筒式電容法測量注汽井的蒸汽熱效特性參數(shù)，研究了注汽井溫度、壓力和蒸汽干度隨著井深的變化特征，構(gòu)建了注汽井蒸汽干度測量模型并對它進行數(shù)值反演，將數(shù)據(jù)繪制成曲線，并對溫度、壓力和蒸汽干度曲線變化的原因做了詳細的分析，表明：隨著深度的增加，溫度和壓力都是降低的，這是由于蒸汽流在向下流動的過程中，熱量被油層和井筒所吸收，造成熱量損失，導(dǎo)致井下濕度較高。蒸汽干度在井口為0.78左右，隨著注汽井深度的增加，在井深700m處降低到0.71左右。以上結(jié)論為實時掌握油層位置、分布狀況和油層對蒸汽干度吸收情況，提高采油率提供了有力保障，也為后續(xù)的開采方案設(shè)計提供了試驗依據(jù)。

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AlgorithmMechanismandImplementationofApplyingCylindricalCapacitancetoGasInjectorDrynessTesting

HAN Jian, HUANG Ying, MU Hai-wei, XING Zhi-fang

(CollegeofElectronicScience,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

In order to investigate the variation of steam parameters along thermal extraction wells, the cylindrical capacitance method was applied to measure steam thermodynamic parameters precisely and to analyze steam injection well’s temperature, pressure and steam dryness variation characteristics which changing with the well depth. Establishing a measurement model of steam dryness and then inverting it were implemented to investigate variation of the steam dryness changing with dielectric constant to show that the steam dryness can decrease gradually with the increasing of well depth.

steam dryness, cylindrical capacitance, steam injection well

2016-02-17(修改稿)

國家自然科學(xué)基金面上項目(51374072)

TH701

A

1000-3932(2016)04-0385-04