26MPa超臨界注汽鍋爐特性分析與實踐應用

胡庶祥，劉天鵬

（勝利油田井下作業公司稠油試油大隊，山東 東營 257077）

一、前言

勝利油田有豐富的未動用稠油資源，約占未動用儲量的1/4，埋藏深度＞1 100m，最深超過了2 000m，羅家—墾西地區發現的1 800～2 400m深層稠油預測儲量為7 166×104t。目前在國內外廣泛應用的熱采設備為21MPa亞臨界高壓濕蒸汽發生器，可對1 500m左右、地層壓力＜21MPa的油層進行注汽施工，不能滿足更深層油藏勘探、開發的需要。從2004年到現在孤島、現河、鄭王莊、河口地區都發生過因壓力過高而致注汽失敗的情況。因而研制和引進更高注汽能力的注汽設備對于超深稠油藏的開發具有重要的現實意義。因此勝利油田井下作業公司與撫順石油八公司合作設計生產了YZF9-26/395-D型超臨界活動注汽鍋爐并于2007年8月進行了超臨界注汽施工，對深層高壓稠油井的開采取得了較大的突破。

二、超臨界狀態下水的特性及參數確定

1.臨界的概念及特性

水通常有三相（固、液、汽）、五態（未飽和水、飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽和過熱蒸汽），在一般情況下水由液相變為氣相都是要經過一個汽化過程，即水經過吸熱首先變為飽合水，再經過吸熱部分水變為蒸汽，繼續吸熱后水全部變為蒸汽形成飽合蒸汽，整個汽化要經過一段時間的兩相共存過程，并且在濕飽和蒸汽和干飽合蒸汽狀態時，增大壓力可使水蒸汽重新變為液態。但是當水壓＞22.14MPa時，水由液相向汽相的轉化沒有液、汽兩相共存過程，而是在溫度升到374℃時，水由液相全部轉變為汽相，并且超過此溫度后不管再加多大的壓力也不能將它變為液相。此時的壓力22.14MPa稱為臨界壓力，此時的溫度374℃稱為臨界溫度。凡超過此壓力、溫度的狀態，稱為超臨界狀態。

2.超臨界狀態下運行參數的確定

由于水在超過臨界狀態后有某些特定的性質，最主要的就是在當壓力P/22.14MPa≤1.2范圍內，溫度處于擬臨界溫度附近時，水的某些物性會發生劇烈的變化，尤其是比熱容急劇增大，存在一個大比熱區。在大比熱區內管壁與水的換熱特點如下。（1）在熱負荷較小、工質質量流速較大時，接近大比熱區的工質換熱系數很大；（2）熱負荷較高、質量流速較小時，大比熱區的工質的換熱系數突然減小，管壁溫度飛升，會出現傳熱惡化現象。從理論上分析在此壓力下水的液、汽相變很不穩定，因此在確定超臨界下運行參數時應充分考慮該現象，主要是控制好兩個方面的參數：一是在臨界壓力時溫度要快速通過擬臨界溫度；二是保持較大的鍋爐排量（不低于7t/h）。同時考慮到要使蒸汽具有最高的熱焓值及鍋爐的承受能力，確定最佳注汽參數，超臨界注汽參數見表1。

三、26MPa超臨界鍋爐注汽性能優勢

1.蒸汽質量高

由于26MPa超臨界鍋爐具有生產過熱蒸汽的能力，所以與同壓力條件下21MPa亞臨界鍋爐相比所生產的蒸汽質量明顯要高。兩種鍋爐運行參數比較見表2。

超臨界注汽鍋爐生產的蒸汽從壓力、溫度、干度都超過了普通21MPa亞臨界鍋爐生產的蒸汽指標，表現出了生產高質量蒸汽的能力。

表1 超臨界注汽參數表

表2 亞臨界與超臨界蒸汽質量比較

2.熱焓值高

從理論上來講超臨界鍋爐生產的是過熱蒸汽，這樣就比亞臨界鍋爐70%干度的濕蒸汽在熱焓值上多了30%的汽化潛熱和3～5℃的過熱度所含的熱值，從而具有更高的熱焓值（圖1）。

圖1 亞臨界與超臨界熱焓對比

3.超臨界特性優勢

超臨界特性優勢主要表現在穩定性上，由于超臨界狀態下水的相態不受壓力變化影響，因此可以保證在蒸汽到達油層以后仍會保持汽相狀態。眾所周知，純干蒸汽對油層的加熱作用和滲透作用都明顯好于熱水對油層的加熱效果，這主要是因為純蒸汽具有更高的熱焓值和穿透性，對油層的污染也顯著降低。而熱水進入油層會與油層發生水敏反應，從而使油層受到污染而降低油層的開采率。亞臨界鍋爐生產的蒸汽為70%干度的蒸汽（含30%的水），溫度為該壓力下的飽合溫度，但是當井底壓力＞井口壓力時，蒸汽干度將大幅度降低，這主要是因為亞臨界下水蒸汽相態受壓力影響十分敏感所造成的。而超臨界下由于水的特性發生變化，不受壓力增大而發生相變，從而保證了井底油層蒸汽的質量。

從以上三點優勢可以斷定超臨界注汽工藝比亞臨界具有優勢。

四、應用效果

1.與亞臨界鍋爐效果對比

2006年采用21MPa亞臨界注汽鍋爐分別對草104-斜31井、草104-斜32井進行注汽施工，施工情況如下：草104-斜31注汽壓力20.1MPa、注汽速度6.5t/h、干度0、注汽量約1 000m3，注汽后最高峰液6.5t/d、油3.9t/d，正常液4.7t/d、油2.3t/d，共產油300t；草104-斜32井，注汽壓力20.1MPa、注汽速度6.5t/h、干度0，注汽后最高峰液17t/d、油4.5t/d，正常液2.4t/d、油1.7t/d，共產油97t。2007年8月又采用26MPa超臨界注汽鍋爐分別對以上兩口井進行注汽施工，有關數據見表3、表4，施工效果對比見圖2。

表3 草104-斜31井注汽綜合日報

表4 草104-斜32井綜合日報

從圖2可看出在同等地質條件下超臨界注汽產油量是亞臨界的4～5倍。

圖2 注汽施工效果對比圖表

2.推廣應用情況

2008年公司又用超臨界鍋爐施工了6井次，具體施工情況見表5。

圖5 推廣應用情況統計表

從表5可知：施工注汽壓力最高為25.2MPa，井深最高為1 776m，溫度最高為387℃，該6井次的施工均獲得了成功，放噴求產后，增油效果均十分明顯。

五、結語

由以上施工對比分析及推廣應用效果可看出超臨界注汽鍋爐的應用是蒸汽吞吐工藝的一次質的飛躍，對于超稠油井的開采是一個較大的突破，在深層超稠油藏的勘探和開發方面具有較好的應用前景。

[1]傅秦生，何雅玲.熱工基礎[M].西安：西安交大出版社.

[2]童鈞耕等.熱工基礎（第2版）[M].上海：上海交大出版社.