蒸汽計量技術在采油注汽系統中的應用

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163513)

蒸汽計量技術在采油注汽系統中的應用

金鑫

(大慶油田有限責任公司測試技術服務分公司 黑龍江 大慶 163513)

在熱力采油中，為提高經濟效益、降低熱采成本、保證安全運行，需對蒸汽流量和干度進行實時監測并進行控制，蒸汽計量技術在注汽系統監測中起到重要作用。就蒸汽流量和蒸汽干度的測量，總結、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展，最后介紹了計量自動控制的研究與應用。

稠油熱采；濕蒸汽；計量技術；質量流量；干度

0 引 言

我國擁有豐富的稠油資源，是繼美國、加拿大和委內瑞拉之后的世界第四大稠油生產國。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，傳統的壓差驅動方式不再適用，熱力學方法中的蒸汽吞吐投資少、工藝技術簡單、增產快，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，無論是蒸汽吞吐、蒸汽驅還是SAGD[2]，都需要向油井注入高溫高壓的濕飽和蒸汽[3]。為減少投資風險、降低熱采成本和提高經濟效益[4,5]，需對注汽系統參數進行監測與控制。這些注汽參數主要包括：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，是注汽監測的重點和難點。

1 蒸汽計量技術在生產應用中的現狀

1.1 流量測量

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

渦街流量計作為速度式流量計，因其無可動部件、耐高溫高壓等優點，被廣泛應用在蒸汽測量中。其根據流體振動原理，通過測量振動頻率，得到體積流量，進而計算質量流量。需要注意的是，渦街在高溫下使用需進行儀表系數修正[7]。

變面積流量計的優點是量程比大、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和彈簧變面積流量計兩種，但因其壓損較大并有可動部件，限制了其應用場合。

除了上述流量計，常用的還有超聲流量計、科式力流量計、渦輪流量計等。為了方便蒸汽測量選型，對常用蒸汽流量計，就典型應用場合、典型量程比、典型精度、優點及缺點進行總結，結果見表1，節流件典型壓損的比較見圖1。

表1 典型蒸汽流量計比較

圖1 各種節流件永久壓損比較

1.2 干度測量

蒸汽干度測量按方法分類，主要有人工化驗法、熱力學法、非熱力學法和其他方法等。人工化驗法需采樣后實驗室檢測，不適宜制成工程上的實時測量儀器[8]。非熱力學方法造價高、使用場合限制多、測量精度和使用壽命不理想，工程應用中存在著較大的局限與不足。熱力法和光學法是比較有發展前途的流動濕蒸汽濕度的測量方法。光學法較復雜，其應用受到光波長、沉積污染等限制[9]。相比其他方法，熱力學法測量原理簡單、結果準確性較高，采用絕對法測量濕度，不受汽流中水滴直徑的限制，無需對濕度結果進行標定。因此，下面主要介紹熱力學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，假設系統與渦街無熱交換，根據質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量流量，得兩相的干度[13]。對常用干度測量方法進行總結、比較，結果見表2。

表2 各種熱力學干度測量方法的測量精度比較及誤差來源

2 蒸汽計量技術的研究與發展

2.1 流量測量理論研究

需要注意的是，上述流量計均為單相流量計，在測量濕蒸汽流量時，均會出現測量值(質量流量)偏低的情況，需要進行相關修正。Hussein和Owen[14]通過濕蒸汽實驗，比較了不同流量計的蒸汽修正系數。結果表明：孔板的修正系數最大，變面積流量計次之，渦街流量計的修正因子最小。因此，在修正不夠精確的濕蒸汽情況下，渦街流量計計量性能更好一些。

由前所述，蒸汽流量與干度相互耦合，要想準確測量濕蒸汽流量，需對傳統的單相流量計進行干度修正。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。很多研究者進行了濕蒸汽[15-17]雙參數測量特性的相關研究。很多著名公司也進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]、超聲流量計與科式力組合[24]等。這些均為雙參數測量，可同時測量濕蒸汽的流量與干度。

2.2 干度測量理論研究

干度在實際應用中很重要，但由于兩相流型的復雜性和汽、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。除了上述人工化驗法和熱力學法，最主要的是非熱力學法，主要包括放射法、微波測量法[25]、光學測量法[26]、示蹤法[27]、臨界流速法[28]等。其他方法還有稱重法[29]、數學模型法[30]等。

2.3 計量自動控制的研究與應用

在稠油熱采中，需要對注汽流量和干度進行實時監測并進行自動控制。蒸汽流量和干度通過調節鍋爐水量和火量進行控制。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標準信號，傳輸到PLC，從微機終端設定的蒸汽干度作為給定值。 PLC 將測量值和給定值進行運算，經 PLC 的輸出模塊輸出調節信號，將測量值和給定值進行運算，經 PLC的輸出模塊輸出調節信號，在火量相對穩定的情況下，對水量進行適當調節，控制柱塞泵變頻器來調節柱塞泵的排量，以達到恒干度閉環控制的目的。當調節水量無法滿足控制需要量，即水量在最大或最小長時間運行，再調節火量進行控制。 即為主調水、副調火的自動控制模式。

綜上，蒸汽計量技術及計量精度的提高，是蒸汽流量和干度自動控制的基礎。蒸汽計量技術對于熱力采油的安全運行、采油效率和經濟效益提高有重要影響，需要進一步深入研究。

3 結 論

本文系統介紹了蒸汽計量技術在熱力采油注汽系統中的應用。總結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展進行了綜述，最后介紹了計量自動控制的研究與應用。蒸汽計量技術的合理、有效應用，再結合蒸汽計量自動控制技術，可實現蒸汽流量、干度的自動控制，對提高蒸汽熱力采油的經濟效益、降低熱采成本、保證安全運行有重要意義。

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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年畢業于大慶石油學院，現在主要從事石油測試與技術的研究工作。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)