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        油田井口稱重計(jì)量微波加熱技術(shù)研究

        2021-02-26 05:47:38劉婷婷何鵬楊朝鋒鮑文梁裕如
        石油與天然氣化工 2021年1期

        劉婷婷 何鵬 楊朝鋒 鮑文 梁裕如

        陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院

        油田原油單井計(jì)量主要目的是為了掌握地下儲油層的儲存和開采狀況,分析儲油層的變化動(dòng)態(tài),為制定科學(xué)的油田開發(fā)方案提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù),實(shí)現(xiàn)油田管理科學(xué)化,開發(fā)效益最大化。但在油田開發(fā)后期階段,隨著單井產(chǎn)液量少及含氣、出砂、結(jié)蠟、間歇出液等諸多問題的出現(xiàn),直接影響了單井稱重計(jì)量的準(zhǔn)確度[1]。如何降低不良因素的影響,保證井口的準(zhǔn)確計(jì)量是各大油田需解決的問題。

        1 稱重計(jì)量的優(yōu)點(diǎn)和存在的問題

        稱重計(jì)量能夠減少因產(chǎn)液攜氣造成的假體積而帶來的準(zhǔn)確度誤差,能夠穩(wěn)定地計(jì)量機(jī)抽井間歇性產(chǎn)液,計(jì)量準(zhǔn)確度高、自動(dòng)化程度高、成本低。但原油含水在線測量受產(chǎn)液含水變化波動(dòng)[2-4]、設(shè)備穩(wěn)定性等諸多因素的影響,較難保持穩(wěn)定。因此,一般采用定期取樣化驗(yàn)油水密度來驗(yàn)證計(jì)算原油含水率。

        在低產(chǎn)油井的井口計(jì)量中,受油井間歇產(chǎn)液,含氣、出砂、結(jié)蠟等諸多因素的影響,采用稱重計(jì)量結(jié)合取樣計(jì)算含水率的方法能保持較好的計(jì)量穩(wěn)定性,提高井口計(jì)量的準(zhǔn)確度[5-6]。但在溫度較低的工況中進(jìn)行計(jì)量時(shí),受低產(chǎn)油井間歇產(chǎn)液影響,當(dāng)單次來液量達(dá)不到最低計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),為了減少計(jì)量誤差,須在計(jì)量罐內(nèi)滯留來液,直到累計(jì)來液量達(dá)到計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)再進(jìn)行稱重計(jì)量[7-10]。

        因此,在計(jì)量結(jié)束后的排液過程中,由于來液在計(jì)量罐中停留時(shí)間較長,導(dǎo)致溫度下降,致使經(jīng)常出現(xiàn)掛壁、結(jié)蠟等現(xiàn)象,甚至?xí)氨鶅觥痹谟?jì)量器中,影響稱重的準(zhǔn)確度及含水率的計(jì)算,導(dǎo)致下次計(jì)量的誤差。因此,須對計(jì)量罐內(nèi)產(chǎn)液進(jìn)行加熱,將排液溫度控制在一定范圍內(nèi),才能減少稱重計(jì)量的誤差[11-13]。

        常規(guī)采用電加熱等方式,這種加熱方式對原油是由外到內(nèi)的傳熱過程,存在加熱速度慢、加熱效率低且需持續(xù)不間斷伴熱的問題[14-16],從而大大浪費(fèi)了能源。

        2 微波加熱的原理和優(yōu)勢

        在計(jì)量器內(nèi),產(chǎn)液為油水混合液,其中水是極性分子組成的物質(zhì),能較好地吸收微波,而原油是由非極性分子組成,基本上不吸收或者很少吸收微波,但不影響計(jì)量器內(nèi)微波的加熱效果。當(dāng)產(chǎn)液為水包油時(shí),水吸收微波被加熱,而水會(huì)“溫暖”地包裹著油,把熱量傳遞給油,共同升溫;當(dāng)產(chǎn)液為油包水時(shí),微波能量會(huì)透過原油加熱水珠,這時(shí),原油就像“懷抱”無數(shù)“小太陽”的熱水珠,一起升溫;當(dāng)產(chǎn)液僅為原油時(shí),這時(shí)計(jì)量器就變成了微波諧振腔,微波在計(jì)量器內(nèi)反復(fù)輻射,加熱原油。因此,利用微波對計(jì)量器內(nèi)的累計(jì)來液進(jìn)行一次性的“即時(shí)”快速加熱,使之能高效、快速地排液是可行的。

        3 微波加熱效果的試驗(yàn)研究

        本研究設(shè)計(jì)了1臺帶有微波加熱的井口稱重計(jì)量裝置,通過在室內(nèi)搭建平臺,進(jìn)行稱重計(jì)量實(shí)驗(yàn),以觀察微波的加熱效果和了解對稱重計(jì)量的準(zhǔn)確度影響。

        3.1 計(jì)量設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        自動(dòng)稱重計(jì)量器工作原理為:當(dāng)產(chǎn)出液流入計(jì)量器到一定容量時(shí),進(jìn)液閥關(guān)閉,計(jì)量器自動(dòng)稱重,通過密度法計(jì)算出單井產(chǎn)液含水率;然后打開排液閥,待排出全部計(jì)量產(chǎn)液后,關(guān)閉排液閥,打開進(jìn)液閥,循環(huán)反復(fù),累計(jì)產(chǎn)液量。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        計(jì)量罐體為雙層結(jié)構(gòu),外層內(nèi)壁上部設(shè)有支撐臺,支撐臺上放置稱重傳感器,內(nèi)層掛于外層內(nèi)部的稱重傳感器上,內(nèi)層外壁設(shè)有微波源加熱裝置。外層內(nèi)部頂部設(shè)有液位計(jì)、液位傳感器、溫度傳感器等自控設(shè)備和伴生氣管線,方便伴生氣的計(jì)量和收集。外層內(nèi)部下方與排液槽連通,排液槽與罐體頂部的緩沖罐通過溢流管連通。外層主要起來液緩沖、對內(nèi)罐支撐、稱重后液體集流排出及收集溢流排液的作用,與此同時(shí)隔絕外部環(huán)境對稱重的影響。

        表1 原油基本物性表井號層位φ(水)/%20 ℃密度/(kg·m-3)析蠟點(diǎn)/℃析蠟高峰點(diǎn)/℃w(蠟)/%w(膠質(zhì))/%w(瀝青質(zhì))/%凝點(diǎn)/℃50 ℃黏度/(mPa·s)雙五轉(zhuǎn)長6-280839.4130.1717.8925.243.420.31205.2041-116#長6-160839.7730.9424.248.4216.020.28236.0522-16-5#延1075849.8339.1328.156.6015.600.85169.6323-7-4#長4+50846.1036.0524.943.8019.440.38225.6223-69-2#長92851.0048.4224.678.6915.260.853210.5123-49-4#延95842.0032.2423.496.7019.290.29235.4023-23-2#長25856.0039.6322.755.0316.280.782510.87

        3.2 微波加熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        3.2.1加熱溫升確定

        為了解井口來液的流變特性,確定加熱溫升,進(jìn)行了現(xiàn)場取樣,選取了7個(gè)有代表性層位的含水原油,油井基礎(chǔ)資料見表1。

        由表1可以看出,不同層位的原油性質(zhì)亦有一定的差別。延長油田原油均屬于輕質(zhì)含蠟原油,含蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~30%,析蠟溫度為20~40 ℃。

        為進(jìn)一步了解延長區(qū)塊含水原油的流變特性,在實(shí)驗(yàn)室對雙五轉(zhuǎn)-長6-2含水原油做了DSC熱分析曲線,如圖2所示。

        同時(shí),測試了雙五轉(zhuǎn)-長6-2含水原油不同溫度下的累積析蠟量(見表2)。

        對雙五轉(zhuǎn)-長6-2含水原油的黏溫?cái)?shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行了測試(見表3)。

        雙五轉(zhuǎn)-長6-2含水原油的黏溫曲線如圖3所示。

        測試結(jié)果表明:含水原油在30 ℃以上時(shí),黏度較低且只與溫度有關(guān)而與剪切率無關(guān),表現(xiàn)出牛頓流體性質(zhì);在30 ℃以下時(shí),原油的表觀黏度大且與剪切率有關(guān),表現(xiàn)出非牛頓流體性質(zhì);溫度低于25 ℃以后,原油中不僅有蠟晶大量析出,而且黏度隨溫度下降而迅速上升。

        表2 原油在各溫度下的累積析蠟量溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%溫度/℃w(析蠟)/%300.01173.7248.51-912.38290.06164.1138.84-1012.63280.14154.5029.17-1112.87270.25144.8919.49-1213.10260.45135.2809.81-1313.33250.72125.65-110.12-1413.55241.04116.03-210.43-1513.76231.39106.40-310.72-1613.96221.7696.76-411.02-1714.16212.1487.12-511.30-1814.35202.5377.48-611.58-1914.53192.9367.83-711.86-2014.71

        表3 原油的黏溫關(guān)系溫度/℃稠度系數(shù)/(Pa·sn)流變指數(shù)10 s-1黏度/(mPa·s)20 s-1黏度/(mPa·s)50 s-1黏度/(mPa·s)203 341.5 0.22549.1318.8155.42578.80.7544.337.329.7308.81.008.88.88.8356.91.006.96.96.9406.61.006.66.66.6505.21.005.25.25.2

        延長油田原油屬于輕質(zhì)含蠟原油,析蠟溫度為20~40 ℃,凝點(diǎn)為15~25 ℃。因此,將來液溫度加熱至30 ℃以上時(shí),基本可以使來液保持良好的流動(dòng)性能。

        受低產(chǎn)油井間歇產(chǎn)液以稱重計(jì)量準(zhǔn)確度要求的影響,考慮到冬季極端工況條件下,井口來液在計(jì)量罐內(nèi)長時(shí)間停留,溫度降至與環(huán)境溫度相同,取該地區(qū)冬季平均溫度-10 ℃為基準(zhǔn),則加熱溫升為40 ℃。

        3.2.2功率確定

        低產(chǎn)油井日均產(chǎn)液量一般不超過1 t,以1 t產(chǎn)液量計(jì)算,則30 min平均產(chǎn)液量為20 kg。在微波作用下,水的介電損耗遠(yuǎn)高于油,微波能大部分被水吸收,假定產(chǎn)液全部為水。含水原油吸收熱量計(jì)算如式(1)。

        q=cmΔt

        (1)

        式中:q為吸收熱量,J;c為物體比熱容,J/(kg·℃);Δt為吸熱前后溫差,℃;m為質(zhì)量,kg。

        可知,當(dāng)取Δt=40 ℃、c=4.2×103J/(kg·℃)、m=20 kg時(shí),相同功率下,不同含水率的原油加熱相同溫升-10~30 ℃(升溫40 ℃)所需時(shí)間見表4。

        表4 微波加熱耗時(shí)功率/kW頻率/MHz溫升/℃w(水)/%質(zhì)量/kg時(shí)間/min12 4504010205.612 45040202011.212 45040302016.812 45040402022.412 45040502028.012 45040602033.612 45040702039.212 45040802044.812 45040902050.412 450401002056.0

        由表4可知,低含水率下,微波加熱時(shí)間短,高含水率加熱時(shí)間長,這主要是微波選擇性吸收與水高比熱造成的。在低含水率情況下,大量微波能被少量油層水吸收,水溫迅速上升,與連續(xù)油相高效換熱,混合物體系溫度快速上升,而在高含水率下,這種情況并不存在。

        油田開采后期,原油含水普遍較高,以平均含水率60%為計(jì)算基準(zhǔn),單次累計(jì)稱重體積取20 L,為了避免影響稱重計(jì)量的連續(xù)性,微波加熱時(shí)間應(yīng)該控制在15 min以內(nèi)。由表4可知,1 kW微波加熱源的加熱時(shí)間為33.6 min。因此,使用3 kW的微波加熱源確保能將排液加熱時(shí)間控制在15 min以內(nèi)。

        3.2.3能量饋入方式確定

        微波加熱源的主視圖和俯視圖如圖4、圖5所示。

        由于微波傳輸過程存在能量損耗,為了提高能量利用率,將3個(gè)微波加熱源分別按軸向120°,軸向位于計(jì)量器底部向上150 mm、300 mm和450 mm 處螺旋布置,促進(jìn)計(jì)量器上下部實(shí)現(xiàn)對流換熱,微波能在此3處通過波導(dǎo)饋入,計(jì)量罐外壁開孔處采用石英玻璃密封。相比于對稱布置,螺旋布置能夠減少微波加熱源頻率之間的相互干擾,微波加熱源饋入的微波能在整個(gè)油層均勻分布,提升加熱效率,減少加熱時(shí)間。

        饋入波導(dǎo)采用標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)、漸變波導(dǎo)以及非標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的組合,可以有效地減少微波饋入反射,降低微波能損失。微波磁控管采用水冷散熱,循環(huán)冷卻水箱設(shè)在計(jì)量器外,水箱內(nèi)添加防凍液。

        3.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試

        3.3.1實(shí)驗(yàn)工藝流程

        為了驗(yàn)證微波加熱應(yīng)用于稱重計(jì)量的可行性,搭建了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)主要為驗(yàn)證微波加熱源對計(jì)量罐內(nèi)低溫產(chǎn)液加熱的高效性和即時(shí)性,以及對低溫產(chǎn)液造成的原油掛壁、結(jié)蠟的消除作用。稱重計(jì)量微波加熱工藝流程路線見圖6。

        3.3.2實(shí)驗(yàn)流程步驟

        (1) 為了模擬井口環(huán)境溫度,利用低溫氮?dú)鈱⒂?jì)量罐內(nèi)溫度降至并維持在-10 ℃。高壓常溫氮?dú)饨?jīng)過多級節(jié)流后,由緩沖罐頂溢流管線(圖5紅色所示)進(jìn)入計(jì)量罐,從計(jì)量罐頂?shù)陌樯鷼夤芫€流出,同時(shí)將計(jì)量罐內(nèi)溫度維持在-10 ℃。

        (2) 選用延長某區(qū)塊含水原油,由小流量液體增壓泵將儲罐內(nèi)含水原油泵送至原油電加熱器,將油樣溫度加熱至25 ℃,隨后進(jìn)入計(jì)量裝置。單次進(jìn)液量為20 L,由計(jì)量器內(nèi)液位計(jì)監(jiān)測,當(dāng)進(jìn)液量高度到達(dá)設(shè)定的門限值時(shí),進(jìn)液電磁閥自動(dòng)關(guān)閉,停止進(jìn)液,油液進(jìn)入計(jì)量設(shè)備后,停留時(shí)間保持在30 min。

        (3) 30 min后,啟用上述3個(gè)功率為1 kW、頻率為2 450 MHz的微波加熱源開始加熱。計(jì)量器內(nèi)溫度傳感器對溫度進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)油溫升至30 ℃時(shí),停止加熱,對含水原油進(jìn)行稱重計(jì)量,隨后打開排液閥排液,同時(shí)對原油計(jì)量誤差進(jìn)行驗(yàn)證,總共進(jìn)行20組重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

        3.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        微波加熱輔助稱重計(jì)量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

        表5 微波加熱輔助稱量計(jì)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果油樣編號w(油)/%稱量質(zhì)量/kg加熱時(shí)間/min含水原油質(zhì)量(計(jì)量結(jié)果)/kg含水原油質(zhì)量(驗(yàn)證結(jié)果)/kg相對偏差/%155.0218.728.910.309.815.00256.0018.758.910.5010.034.70371.2419.2312.813.7013.045.10459.1520.1210.511.9011.285.50573.5517.5410.512.9012.334.60673.6919.3112.914.2313.535.20769.5220.6712.914.3713.764.40850.0818.578.29.308.874.80970.9317.3410.512.3011.764.601060.2317.6510.110.6310.095.401168.7416.5410.311.3710.825.101261.6418.1211.111.1710.496.501372.1719.2611.713.9013.096.201473.0919.2911.614.1013.544.101593.4520.1514.218.8317.785.901692.1617.9813.816.5715.934.001762.7418.4410.211.5710.965.501862.7618.9610.311.9011.236.001994.1420.1513.818.9718.174.402084.2819.6613.216.5715.665.80

        計(jì)量結(jié)果由稱重質(zhì)量乘以含油率得到,驗(yàn)證結(jié)果采用取樣破乳,經(jīng)油水分離后對原油稱重計(jì)量得到。

        原油稱重室內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)量結(jié)果的相對偏差可由式(2)計(jì)算得到。

        (2)

        (3)

        (4)

        含油率=1-含水率

        (5)

        式中:ρ為待測產(chǎn)液的密度,kg/m3;ρ水為油層水密度,kg/m3;ρ油為原油密度,kg/m3;m為單次稱重的質(zhì)量,kg;v為單次稱重的體積,m3;s為計(jì)量罐的橫截面積,m2;h為單次計(jì)量產(chǎn)液的高度,m。

        由表5可知,微波加熱時(shí)間基本控制在15 min以內(nèi),由于現(xiàn)場計(jì)量時(shí),加熱溫升可能無需達(dá)到40 ℃,且油層水的礦化度對微波吸收也有促進(jìn)效果,礦化度越高,油層水對微波能的吸收也會(huì)相應(yīng)提高。延長油田油層采出水體積分?jǐn)?shù)一般為10×10-6,屬于偏高范圍,因此微波加熱可滿足高效、即時(shí)的加熱需求。

        在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行拆卸,觀察到計(jì)量罐內(nèi)壁無明顯掛壁現(xiàn)象存在,也無結(jié)蠟現(xiàn)象出現(xiàn)。

        通過將計(jì)量結(jié)果與驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)相對偏差均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的10%井口計(jì)量誤差規(guī)定,達(dá)到了較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。

        4 經(jīng)濟(jì)效益分析

        在實(shí)驗(yàn)工況下,3個(gè)1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內(nèi)從-10 ℃加熱到設(shè)定溫度30 ℃。同等工況下,若將微波加熱源換成總功率為3 kW的電加熱絲纏繞管體,則需加熱約30 min才能達(dá)到設(shè)定溫度,若換成總功率為6 kW的電加熱絲,則需加熱約10 min才能達(dá)到相同的效果。

        電加熱是通過熱傳導(dǎo)將熱量從表及里傳遞而加熱含水原油,含水原油中不可避免地存在溫度梯度和能量損失,致使加熱不均勻,出現(xiàn)局部過熱。微波加熱主要是通過偶極極化和離子傳導(dǎo),使極性分子摩擦產(chǎn)生熱量。無需任何熱傳導(dǎo)過程,就能使含水原油內(nèi)外部同時(shí)加熱,加熱速度快且均勻,因此微波加熱效率明顯高于電加熱。

        實(shí)際工況下在間歇來液過程中,當(dāng)采用微波加熱時(shí),在含水原油達(dá)到設(shè)定稱重液位后一次加熱稱重即可。而同等功率下采用電加熱進(jìn)行加熱時(shí),因存在熱傳導(dǎo)及熱量散失,為不影響正常生產(chǎn)須對來液進(jìn)行預(yù)熱并維持在一定溫度,等計(jì)量罐達(dá)到指定液位后再進(jìn)行加熱稱重,需要更長的加熱時(shí)間,這將造成預(yù)熱和維持溫度過程中的能量浪費(fèi),導(dǎo)致總體加熱效果變差。

        5 結(jié)論

        本研究嘗試通過將微波加熱與稱重計(jì)量相結(jié)合應(yīng)用于低產(chǎn)油井間歇來液的井口計(jì)量,裝置設(shè)計(jì)采用將微波加熱源螺旋布置于稱重罐體上,通過室內(nèi)含水原油稱重計(jì)量實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證了微波加熱含水原油的即時(shí)性、高效性。

        (1) 微波能高效加熱低產(chǎn)油井間歇來液,對計(jì)量體積為20 L的含水原油,加熱溫升40 ℃的平均耗時(shí)在10 min以內(nèi),同時(shí)發(fā)現(xiàn)油層水的礦化度越高,加熱時(shí)間越短。

        (2) 油井產(chǎn)液在微波加熱作用下,原油掛壁、結(jié)蠟的現(xiàn)象明顯減少,并且稱重計(jì)量的相對偏差均遠(yuǎn)小于10%,井口計(jì)量誤差要顯著高于設(shè)計(jì)規(guī)范要求,達(dá)到了較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。

        (3) 實(shí)驗(yàn)工況下,3個(gè)1 kW微波加熱源可將滿罐20 L含水原油在10 min內(nèi)從-10 ℃加熱到設(shè)定溫度30 ℃,同等工況下總功率相同的電加熱絲纏繞管體需加熱約30 min才能達(dá)到設(shè)定溫度。針對間歇來液低產(chǎn)油井單井計(jì)量,相比于電加熱,微波加熱輔助稱重計(jì)量更及時(shí)、高效,具有更好的節(jié)能優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益。

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