蒸汽射流噴嘴設計與試驗研究

馮慶偉（中國石化勝利油田分公司現河采油廠，山東東營257061）

蒸汽射流噴嘴設計與試驗研究

馮慶偉
（中國石化勝利油田分公司現河采油廠，山東東營257061）①

針對稠油油管油垢堆積、清洗難等問題，結合理論研究、數值模擬及現場試驗，設計出一種蒸汽射流清洗噴嘴。數值模擬結果表明，蒸汽射流噴嘴內的溫度和壓力在管內呈梯度分布，可提高蒸汽射流在稠油管內的凝結潛熱釋放效率，有效清洗附著于管壁的稠油油垢；現場試驗表明，該噴嘴可有效提高稠油油管的清洗質量，相比直噴嘴能達到更好的清洗效果。稠油油管蒸汽射流清洗噴嘴及其裝置，可大幅提高我國稠油開采區內稠油油管清洗修復工作的效率。

蒸汽射流；稠油清洗；蒸汽噴嘴；數值模擬

目前，石油開采向深部地層延伸，伴隨而來的是油井所需油管等各類管柱逐年加深。同時，稠油、重質油等在我國原油資源中所占比例較大，近年來的開發也呈現快速增長的態勢。油管作為石油開采重要的油流通道起著不可替代的重要作用，但油管結垢、油垢堆積等堵塞問題一直是困擾油流暢通的難題［1］，尤其是稠油管問題更突出。稠油溫度敏感、黏度高、流動性差、易粘附油管造成堵塞，增大了稠油管的清洗難度。

稠油管在油井作業結束后都需要進行修復、清洗，其效果直接影響油氣開發的經濟效益，如何提高稠油管清洗的質量和效率至關重要。高溫蒸汽射流清洗稠油管可極大地提高清洗質量和效率，減少油管報廢，降低經濟損失，對提高稠油開發具有重要的經濟效益，而蒸汽射流噴嘴的設計與試驗研究對稠油管的清洗效果至關重要。

1 蒸汽射流清洗噴嘴設計

蒸汽射流清洗稠油管裝置主要由蒸汽射流噴嘴、水蒸汽循環系統、高壓泵、高壓軟管、壓力及溫度控制裝置等組成。其中，蒸汽噴嘴設計是直接影響稠油管清洗效果的關鍵。

1．1 噴嘴出口直徑設計

忽略氣體流動時的能量損失，根據可壓縮氣體絕熱流動伯努里方程［2］：

式中：k為絕熱系數；p1為狀態一氣體壓力，M Pa；p2為狀態二氣體壓力，M Pa；ρ1為狀態一氣體密度，kg／m3；ρ2為狀態二氣體密度，kg／m3；v為狀態一氣體速度，m／s；v2為狀態二氣體速度，m／s。

不同壓力和溫度條件下飽和水蒸氣密度如表1所示。

表1 不同壓力和溫度下飽和蒸汽密度值

根據蒸汽射流清洗設備性能及清洗要求，取初始飽和水蒸汽壓力為1．50 M Pa，密度為7．59 kg／m3；噴嘴噴出水蒸汽的壓力為0．1 M Pa，密度為0．59 kg／m3，代入上式計算得到噴出水蒸汽的速度為：v2＝569．58 m／s。

所需的最小噴嘴截面積按下式計算：

式中：M為200℃時清洗每根油管所需的蒸汽量，M＝7．52 kg；ρ為噴出的飽和蒸氣密度，常壓下取0．588 3 kg／m3；t為噴出的飽和水蒸氣的時間，一般每根油管時間為120 s；v為噴出的水蒸氣速度，m／s。A為最小的噴嘴截面積，m2。

將噴出速度結果代入式（2），計算可得最小的噴嘴截面積A＝1．84×10－4m2，即噴嘴當量直徑：d＝15．3 m m。

1．2 噴嘴結構尺寸設計

為使蒸汽加速獲得較高的動量，噴嘴結構設計為Laval噴嘴結構，分為收縮段、喉部、擴張段3部分。上述已經計算得出噴嘴出口截面積，再計算噴嘴入口與喉口的截面積，計算公式為：

式中：Ao為噴嘴入口面積，m2；A1為喉口面積，m2；A為噴嘴出口面積，m2；po為噴嘴進口流體壓力，M Pa；pe為噴嘴出口壓力，M Pa。To為噴嘴進口流體溫度，K；cf為噴嘴進口流體速度，m／s；R為氣體常數，J／（kg·K），飽和水蒸氣取461．5 J／（kg·K）；Me為噴嘴出口馬赫數；k為絕熱指數，飽和水蒸氣取1．19。

計算可得：Ao＝5．9×10－4m2，do＝27．42 m m；Al＝0．71×10－4m m2，dl＝10．77 m m。

當噴嘴面積比確定后，需要進一步確定噴嘴的軸向尺寸，包括噴嘴收縮段長度l、喉口段長度l1，及噴嘴擴張段長度l2。

收縮段長度通常不宜過長，但也不能過短，收縮段過短會導致氣流出現不均勻流動甚至分離。因此在保證氣流均勻前提下，l可在2d1～6d1內取。

噴嘴喉口直管段長度l1一般為1～4 m m，既可以穩定氣流，也可以避免無直管段時噴嘴喉口處易受磨損。

實踐表明，當擴張段長度l2＜6dl時，氣流流型發展不完全，而l2＞8dl時，發現流型己趨于穩定，反而會增加磨損造成壓降損失。

因此，噴嘴軸向尺寸設計為：l＝4dl＝48．08 m m，l1＝4 m m，l2＝7dl＝75．4 m m。

噴嘴結構形式如圖1所示。

圖1 蒸汽射流噴嘴結構

1．3 蒸汽射流噴嘴數值模擬分析

利用數值模擬［3 4］，分析所設計蒸汽射流噴嘴的壓力場、溫度場、速度場，并同時與直噴嘴結構形式進行對比分析，驗證蒸汽射流噴嘴清洗稠油管是否有良好效果。模擬結果如圖2～7。

圖2 射流噴嘴內壓力分布云圖

圖3 射流噴嘴速度場分布云圖

圖4 射流噴嘴溫度分布云圖

圖5 直噴嘴內壓力分布云圖

圖6 直噴嘴速度場分布云圖

圖7 直噴嘴溫度分布云圖

從圖2蒸汽射流噴嘴內壓力分布可以看出，在噴嘴入口避免了蒸汽流穩流，有利于蒸汽射流在噴嘴內的壓力傳遞，提高了蒸汽與管內空氣的替換率和蒸汽在管內的凝結潛熱釋放效率，可以取得較好清洗稠油效果。從圖3蒸汽射流噴嘴速度分布云圖看出，噴嘴噴出的蒸汽射流的速度在稠油管內呈梯度分布，靠近管壁處是油垢集中的區域，因而可以有效清洗管壁附著的油垢。從圖4蒸汽射流噴嘴蒸汽射流溫度分布可以看出，溫度場在隔熱管內也呈梯度分布，也可使稠油管壁上的稠油粘性降低、流動性增強，有利于油污排出，可取得較好的清洗效果。

相比而言，從圖5直噴嘴內壓力分布云圖可發現，在其入口處存在蒸汽穩流，將不利于蒸汽射流在稠油管內的凝結放熱效率及最終的清洗效果。從圖6直噴嘴速度分布云圖可發現，蒸汽射流噴速高的區域主要分布在管內軸線方向，將不利于清洗稠油管內壁邊緣油垢的清洗。從圖7直噴嘴溫度場分布云圖可發現，溫度場高溫區域分布范圍小于所設計的蒸汽噴嘴，也不利于稠油管內壁油垢的融化和清洗。

因此，所設計的蒸汽射流噴嘴結構在稠油管清洗中優于普通直噴嘴，有助于提高稠油管清洗效率，達到理想的清洗效果。

2 現場試驗研究

2．1 試驗內容及目的

通過蒸汽射流裝置系統在勝利油田濱南采油廠油區清洗稠油管的現場試驗，來驗證蒸汽射流噴嘴對稠油管清洗的效果［5 6］。

2．2 試驗設備

試驗中主要的設備包括注蒸汽鍋爐、蒸汽管線、蒸汽射流噴嘴等。

2．3 試驗方法步驟

1） 調試并連接安裝試驗設備。

2） 按照試驗所需的參數，調試鍋爐的壓力和溫度。

3） 開機運行，隨時觀察清洗效果，記錄開機至稠油排出的時間。

4） 測量蒸汽溫度，計量清洗出的稠油量。5） 更換直噴嘴，對比直噴嘴清洗效果。

2．4 試驗結果

試驗數據如表2所示。

表2 現場試驗清洗數據

試驗結果表明：蒸汽溫度達到150℃以上時，清洗時間控制在10 min左右，可以滿足現場作業要求，且稠油管內已流態的稠油排出量較多，達到較好的清洗效果。因此，設計采用的蒸汽射流清洗噴嘴可有效解決稠油管清洗難的問題。

對比直噴嘴與蒸汽射流噴嘴在同一噴嘴壓力和蒸汽溫度下的清洗效果，試驗結果如表3所示。

表3 蒸汽射流噴嘴與直噴嘴清洗效果對比

對比試驗結果表明：在同一壓力和溫度下，蒸汽射流噴嘴在達到壓力1．3 M Pa、溫度180℃時清洗效果明顯優于直噴嘴，清洗效率更高。而直噴嘴清洗稠油管多有殘留，出油量也較少。因此，所設計的蒸汽射流噴嘴可有效清洗稠油管的油垢。

4 結論

1） 設計了蒸汽射流清洗稠油管的噴嘴結構，數值模擬結果表明：該噴嘴可提高蒸汽與管內空氣的替換率和蒸汽在管內的凝結潛熱釋放效率，而且蒸汽射流溫度和壓力在管內呈梯度分布，可有效清洗附著于管壁的稠油油垢。

2） 試驗結果表明：該蒸汽射流噴嘴滿足現場作業要求，與直噴嘴相比能達到更好的清洗效果，可有效解決稠油管清洗難題。

3） 該裝置系統運輸方便、結構可靠、性價比優越，可大幅縮短稠油管清洗時間，提高清洗質量，對我國稠油開采區稠油管清洗保養有較好的經濟效益。

［1］ 吳劍，王良，王靜，等．連續負壓沖砂工藝管柱研究及應用［J］．石油礦場機械，2014，43（8）：88 92．

［2］ 陳曉珊，張衛會．考慮空氣量影響時蒸汽凝結放熱系數的計算方法分析［J］．汽輪機技術，2002，44（6）：333 336．

［3］ 劉巨保，徐世博，婁永．基于C F X的磨料水射流噴嘴的流場分析［J］．石油礦場機械，2013，42（4）：40 44．

［4］ 邱亞玲，顏凌宇，張然，等．鉆井工況沖蝕試驗機噴嘴結構參數數值模擬［J］．石油礦場機械，2014，43（3）：47 51．

［5］ 孫淵平，陳永紅，李淑芳，等．高壓水射流油管清洗生產線及關鍵參數優化［J］．石油機械，2001，29（9）：46 50．

［6］ 張金成．清管器清洗技術及應用［M］．北京：石油工業出版社，2005．

Design and Experimentai Anaiysis of Steam Jet Nozzie in Cieaning Heavy Oii Pipeiine

F E N G Qingwei
（Xianhe Oil Production Plant，Shengli Oilfield Com panu，SI N O P E C，Donguing257061，China）

Aiming at tubing for heavy grease accu m ulation，being difficult to clean and other is sues，co m bining theoretical studies，nu merical sim ulation and field trials，a stea m jet nozzle is de signed．Sim ulation results show that the tem perature and pressure inside the stea m jet nozzle gradient distribution in the tube．It can increase the release oflatent heat of condensation of stea m jet efficiency in the heavy tube and effectively clean heavy grease attached to the wall，w hich can play a good cleaning effect．Field tests show that the cleaning nozzle can effectively im prove the quality of heavy oil pipe，which can achieve，better cleaning effect co m pared to a straight nozzle．T he device can significantly increase the area of heavy oil recovery of heavy oil pipe cleaning repair w ork efficiency and econo mic benefits．

steam jet；heavy oil cleaning；stea m nozzle；nu merical sim ulation

T E934．5

A

10．3969／j．issn．1001 3842．2015．06．010

1001 3482（2015）06 0043 04

①2014 12 07

馮慶偉（1970 ），男，河南虞城人，高級工程師，主要從事油氣田開發工程與技術管理工作，Email：2007fqwei＠163．co m。