(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163513)

蒸汽計(jì)量技術(shù)在采油注汽系統(tǒng)中的應(yīng)用

金鑫

(大慶油田有限責(zé)任公司測試技術(shù)服務(wù)分公司 黑龍江 大慶 163513)

在熱力采油中，為提高經(jīng)濟(jì)效益、降低熱采成本、保證安全運(yùn)行，需對蒸汽流量和干度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行控制，蒸汽計(jì)量技術(shù)在注汽系統(tǒng)監(jiān)測中起到重要作用。就蒸汽流量和蒸汽干度的測量，總結(jié)、比較了常用的測量方法，并綜述了蒸汽流量、干度測量理論的研究進(jìn)展，最后介紹了計(jì)量自動控制的研究與應(yīng)用。

稠油熱采；濕蒸汽；計(jì)量技術(shù)；質(zhì)量流量；干度

0 引 言

我國擁有豐富的稠油資源，是繼美國、加拿大和委內(nèi)瑞拉之后的世界第四大稠油生產(chǎn)國。在油層的稠油開采中，由于超稠油粘度高、油層條件下流動能力低，傳統(tǒng)的壓差驅(qū)動方式不再適用，熱力學(xué)方法中的蒸汽吞吐投資少、工藝技術(shù)簡單、增產(chǎn)快，是首選的采油方法[1]。注蒸汽熱力采油是一種高成本的工藝技術(shù)，無論是蒸汽吞吐、蒸汽驅(qū)還是SAGD[2]，都需要向油井注入高溫高壓的濕飽和蒸汽[3]。為減少投資風(fēng)險、降低熱采成本和提高經(jīng)濟(jì)效益[4,5]，需對注汽系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與控制。這些注汽參數(shù)主要包括：蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽壓力等。其中，蒸汽流量與干度，由于兩者相互耦合，不能直接獲得，是注汽監(jiān)測的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 蒸汽計(jì)量技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的現(xiàn)狀

1.1 流量測量

目前已有很多種類型的流量計(jì)應(yīng)用到蒸汽的流量測量中。其中，差壓式流量計(jì)(如孔板、文丘里、噴嘴、V錐等)是蒸汽領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的流量計(jì)[6]，其包含一個局部阻流體，通過測量阻流體前后差壓，并根據(jù)流出系數(shù)和流體密度得到質(zhì)量流率。需要注意的是，差壓式流量計(jì)的精度除了與差壓測量精度有關(guān)，還與蒸汽密度有關(guān)，因此需同時測量蒸汽干度并進(jìn)行密度修正，才能得到較高的測量精度。

渦街流量計(jì)作為速度式流量計(jì)，因其無可動部件、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在蒸汽測量中。其根據(jù)流體振動原理，通過測量振動頻率，得到體積流量，進(jìn)而計(jì)算質(zhì)量流量。需要注意的是，渦街在高溫下使用需進(jìn)行儀表系數(shù)修正[7]。

變面積流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是量程比大、直管段要求低、流量線性好、耐振性好、精確度高，有浮子變面積流量計(jì)和彈簧變面積流量計(jì)兩種，但因其壓損較大并有可動部件，限制了其應(yīng)用場合。

除了上述流量計(jì)，常用的還有超聲流量計(jì)、科式力流量計(jì)、渦輪流量計(jì)等。為了方便蒸汽測量選型，對常用蒸汽流量計(jì)，就典型應(yīng)用場合、典型量程比、典型精度、優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見表1，節(jié)流件典型壓損的比較見圖1。

表1 典型蒸汽流量計(jì)比較

圖1 各種節(jié)流件永久壓損比較

1.2 干度測量

蒸汽干度測量按方法分類，主要有人工化驗(yàn)法、熱力學(xué)法、非熱力學(xué)法和其他方法等。人工化驗(yàn)法需采樣后實(shí)驗(yàn)室檢測，不適宜制成工程上的實(shí)時測量儀器[8]。非熱力學(xué)方法造價高、使用場合限制多、測量精度和使用壽命不理想，工程應(yīng)用中存在著較大的局限與不足。熱力法和光學(xué)法是比較有發(fā)展前途的流動濕蒸汽濕度的測量方法。光學(xué)法較復(fù)雜，其應(yīng)用受到光波長、沉積污染等限制[9]。相比其他方法，熱力學(xué)法測量原理簡單、結(jié)果準(zhǔn)確性較高，采用絕對法測量濕度，不受汽流中水滴直徑的限制，無需對濕度結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定。因此，下面主要介紹熱力學(xué)法測量濕蒸汽干度的方法，均為部分蒸汽取樣測量。除上述凝結(jié)法外，常用的還有混合法、加熱法和相分離法。

混合法將濕蒸汽和水充分混合并使其處于濕蒸汽區(qū)，假設(shè)系統(tǒng)與渦街無熱交換，根據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒得到干度[10]。加熱法對濕蒸汽在裝置中加熱為過熱蒸汽，由加熱段能量守恒得到蒸汽干度[11,12]。相分離法是最早的兩相流量和干度測量方法，利用兩相密度差分離氣相和液相，再分別測出單相流的質(zhì)量流量，得兩相的干度[13]。對常用干度測量方法進(jìn)行總結(jié)、比較，結(jié)果見表2。

表2 各種熱力學(xué)干度測量方法的測量精度比較及誤差來源

2 蒸汽計(jì)量技術(shù)的研究與發(fā)展

2.1 流量測量理論研究

需要注意的是，上述流量計(jì)均為單相流量計(jì)，在測量濕蒸汽流量時，均會出現(xiàn)測量值(質(zhì)量流量)偏低的情況，需要進(jìn)行相關(guān)修正。Hussein和Owen[14]通過濕蒸汽實(shí)驗(yàn)，比較了不同流量計(jì)的蒸汽修正系數(shù)。結(jié)果表明：孔板的修正系數(shù)最大，變面積流量計(jì)次之，渦街流量計(jì)的修正因子最小。因此，在修正不夠精確的濕蒸汽情況下，渦街流量計(jì)計(jì)量性能更好一些。

由前所述，蒸汽流量與干度相互耦合，要想準(zhǔn)確測量濕蒸汽流量，需對傳統(tǒng)的單相流量計(jì)進(jìn)行干度修正。目前基于組合式儀表的蒸汽測量方法，為濕蒸汽的流量和干度測量提供了新的思路。很多研究者進(jìn)行了濕蒸汽[15-17]雙參數(shù)測量特性的相關(guān)研究。很多著名公司也進(jìn)行了組合式儀表的研制[18,19]，這些組合儀表主要包括：雙差壓式[17,20]、渦街與差壓式組合[22]、 雙渦街法[23]、超聲流量計(jì)與科式力組合[24]等。這些均為雙參數(shù)測量，可同時測量濕蒸汽的流量與干度。

2.2 干度測量理論研究

干度在實(shí)際應(yīng)用中很重要，但由于兩相流型的復(fù)雜性和汽、液之間的相變，使的干度的測量成為國際上一直沒有解決好的一個難題。除了上述人工化驗(yàn)法和熱力學(xué)法，最主要的是非熱力學(xué)法，主要包括放射法、微波測量法[25]、光學(xué)測量法[26]、示蹤法[27]、臨界流速法[28]等。其他方法還有稱重法[29]、數(shù)學(xué)模型法[30]等。

2.3 計(jì)量自動控制的研究與應(yīng)用

在稠油熱采中，需要對注汽流量和干度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行自動控制。蒸汽流量和干度通過調(diào)節(jié)鍋爐水量和火量進(jìn)行控制。蒸汽流量和干度的測量可通過上述介紹的方法，將干度和流量以4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號，傳輸?shù)絇LC，從微機(jī)終端設(shè)定的蒸汽干度作為給定值。 PLC 將測量值和給定值進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng) PLC 的輸出模塊輸出調(diào)節(jié)信號，將測量值和給定值進(jìn)行運(yùn)算，經(jīng) PLC的輸出模塊輸出調(diào)節(jié)信號，在火量相對穩(wěn)定的情況下，對水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，控制柱塞泵變頻器來調(diào)節(jié)柱塞泵的排量，以達(dá)到恒干度閉環(huán)控制的目的。當(dāng)調(diào)節(jié)水量無法滿足控制需要量，即水量在最大或最小長時間運(yùn)行，再調(diào)節(jié)火量進(jìn)行控制。 即為主調(diào)水、副調(diào)火的自動控制模式。

綜上，蒸汽計(jì)量技術(shù)及計(jì)量精度的提高，是蒸汽流量和干度自動控制的基礎(chǔ)。蒸汽計(jì)量技術(shù)對于熱力采油的安全運(yùn)行、采油效率和經(jīng)濟(jì)效益提高有重要影響，需要進(jìn)一步深入研究。

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)介紹了蒸汽計(jì)量技術(shù)在熱力采油注汽系統(tǒng)中的應(yīng)用。總結(jié)并比較了常用的蒸汽流量和干度的測量方法，對流量、干度的測量理論研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，最后介紹了計(jì)量自動控制的研究與應(yīng)用。蒸汽計(jì)量技術(shù)的合理、有效應(yīng)用，再結(jié)合蒸汽計(jì)量自動控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)蒸汽流量、干度的自動控制，對提高蒸汽熱力采油的經(jīng)濟(jì)效益、降低熱采成本、保證安全運(yùn)行有重要意義。

[1] 呂立華, 李明華, 蘇岳麗. 稠油開采方法綜述[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2005, 31(3):110-112.

[2] 王大為, 周耐強(qiáng), 牟 凱. 稠油熱采技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 西部探礦工程, 2008, 20(12):129-131.

[3] 羅毓珊, 陳聽寬, 陳宣政,等. 濕蒸汽兩相流流量的測量研究[C]// 中國工程熱物理學(xué)會多相流學(xué)術(shù)會議. 1996:11-14.

[4] 蘇玉亮, 高海濤. 稠油蒸汽驅(qū)熱效率影響因素研究[J]. 斷塊油氣田, 2009, 16(2):73-74.

[5] 李明忠, 楊國鋒, 鮑丙生,等. 井口注汽參數(shù)對注汽效果影響分析[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 31(S1):149-152.

[6] MENZIES M, GRABER W. Measurement best practices for imporving chemical plant safety and efficiency (DP flow gas and steam examples). Chem Show 99, New York, 1999

[7] 朱益飛. 孔板流量計(jì)與渦街流量計(jì)蒸汽計(jì)量誤差對比分析[J]. 中國計(jì)量, 2009, (12):88-90.

[8] 李世武, 康 芹. 凝結(jié)式蒸汽干度測量方法與應(yīng)用[J]. 化工學(xué)報, 2007, 58(10): 2608-2612.

[9] 李炎鋒, 王新軍. 蒸汽透平中流動濕蒸汽濕度測量方法的分析與比較[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2000, 42(3): 156-161.

[10] 張海鵬, 龔圣捷, 趙彥青, 等. 混合法測量蒸汽干度[J]. 計(jì)量技術(shù), 2004 (2): 6-7.

[11] 徐廷相, 章利特, 辛 楊, 等. 雙層套管直接加熱式流動濕蒸汽濕度測量儀[J]. 熱力發(fā)電, 2007, 36(10): 44-47.

[12] 李炎鋒, 王新軍. 蒸汽透平中流動濕蒸汽濕度測量方法的分析與比較[J]. 汽輪機(jī)技術(shù), 2000, 42(3): 156-161.

[13] 王 棟, 林 益, 林宗虎. 利用T型三通測量氣液兩相流體的流量和干度[J]. 熱能動力工程, 2002, 17(4):336-338.

[14] HUSSEIN I B, OWEN I. Calibration of flowmeters in superheated and wet steam [J]. Flow Measurement & Instrumentation, 1991, 2(2):209-215.

[15] YI-PENG D U, WANG W M, ZHOU L F, et al. Double Vortex Measurement of Saturated Steam Dryness[J]. Contemporary Chemical Industry, 2013.

[16] 代培文, 王作青. 稠油熱采井下高溫四參數(shù)測量儀研究與應(yīng)用[C]// 中國石油學(xué)會四省區(qū)第九次稠油開采技術(shù)研討會. 1998.

[17] 丁亞軍. 聯(lián)合式濕蒸汽流量干度測量技術(shù)在稠油開采中的應(yīng)用[J]. 特種油氣藏, 2008, 15(s2).

[18] ANDREUSSI P, CIANDRI P. Development of a Wet Gas Flowmeter, Flow Measurement 2001-International Conefrence, 2001.

[19] Roxar Coproration. Roxar Flow Measurement Wet Gas Meter (RFM WGM), www.roxar.com/category.php?categoryID=431.

[20] ZHANG F, DONG F, TAN C. High GVF and low pressure gas-liquid two-phase flow measurement based on dual-cone flowmeter[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2010, 21(3):410-417.

[21] 丁亞軍. 聯(lián)合式濕蒸汽流量干度測量技術(shù)在稠油開采中的應(yīng)用[J]. 特種油氣藏, 2008, 15(s2).

[22] HUA C, GENG Y. Wet gas meter based on the vortex precession frequency and differential pressure combination of swirlmeter[J]. Measurement, 2012, 45(4):763-768.

[23] 杜義朋, 王為民, 周立峰,等. 雙渦街法測量飽和蒸汽干度研究[J]. 當(dāng)代化工, 2013(1):44-46.

[24] XING L, GENG Y, HUA C, et al. A combination method for metering gas-liquid two-phase flows of low liquid loading applying ultrasonic and Coriolis flowmeters[J]. Flow Measurement & Instrumentation, 2014, 37:135-143.

[25] 錢江波, 韓中合, 田松峰, 等. 流動濕蒸汽濕度測量微波諧振腔結(jié)構(gòu)分析[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報, 2005, 32(3): 52-57.

[26] 衛(wèi)敬明, 張志偉, 王乃寧. 用光散射法測量飽和蒸汽的濕度[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2004 (2): 196-199.

[27] 傅 豐, 趙在三, 郁鴻凌. 氣液雙相流體干度測量的研究與發(fā)展[J]. 動力工程, 1991, 11(3): 51-59.

[28] 黃雪峰, 盛德仁, 陳堅(jiān)紅, 等. 濕蒸汽兩相流濕度測量方法研究進(jìn)展[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2006, 22(5): 1-4.

[29] 王 強(qiáng), 鄧壽祿. 稱重式蒸汽干度測量裝置的設(shè)計(jì)[J]. 中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報, 2013, 24(4):336-339.

[30] 張傳友. 稠油注汽鍋爐蒸汽干度測控裝置的應(yīng)用[J]. 中國設(shè)備工程, 2014, 1: 62-63.

ApplicationofSteamMeteringTechnologyinSteamInjectionSystem

JINXin

(LoggingandTestingServicesCompany,DaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing,Heilongjiang163513,China)

In the process of thermal recovery, both the flowrate and dryness of the wet steam need real-time monitoring and control to improve economic efficiency, reduce oil-production cost and ensure the safe operation of system. Consequently, the steam metering technology plays an important role in monitoring steam injection system. The measurement of steam flowrate and dryness are reviewed, and the commonly used measurement methods are summarized and compared. Finally, the research and application of automatic control on steam metering are presented.

heavy oil thermal recovery; wet steam; metering technology; mass flowrate; dryness

金 鑫，男，1989年生，工程師，2013年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院，現(xiàn)在主要從事石油測試與技術(shù)的研究工作。E-mail: kyyx0210@163.com

TE341

A

2096-0077(2017)05-0067-04

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.05.017

2017-05-02編輯馬小芳)