蒸汽计量技术在采油注汽系统中的应用

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163513)

蒸汽计量技术在采油注汽系统中的应用

金鑫

(大庆油田有限责任公司测试技术服务分公司 黑龙江 大庆 163513)

在热力采油中，为提高经济效益、降低热采成本、保证安全运行，需对蒸汽流量和干度进行实时监测并进行控制，蒸汽计量技术在注汽系统监测中起到重要作用。就蒸汽流量和蒸汽干度的测量，总结、比较了常用的测量方法，并综述了蒸汽流量、干度测量理论的研究进展，最后介绍了计量自动控制的研究与应用。

稠油热采；湿蒸汽；计量技术；质量流量；干度

0 引 言

我国拥有丰富的稠油资源，是继美国、加拿大和委内瑞拉之后的世界第四大稠油生产国。在油层的稠油开采中，由于超稠油粘度高、油层条件下流动能力低，传统的压差驱动方式不再适用，热力学方法中的蒸汽吞吐投资少、工艺技术简单、增产快，是首选的采油方法[1]。注蒸汽热力采油是一种高成本的工艺技术，无论是蒸汽吞吐、蒸汽驱还是SAGD[2]，都需要向油井注入高温高压的湿饱和蒸汽[3]。为减少投资风险、降低热采成本和提高经济效益[4,5]，需对注汽系统参数进行监测与控制。这些注汽参数主要包括：蒸汽流量、蒸汽干度、蒸汽压力等。其中，蒸汽流量与干度，由于两者相互耦合，不能直接获得，是注汽监测的重点和难点。

1 蒸汽计量技术在生产应用中的现状

1.1 流量测量

目前已有很多种类型的流量计应用到蒸汽的流量测量中。其中，差压式流量计(如孔板、文丘里、喷嘴、V锥等)是蒸汽领域应用最广泛的流量计[6]，其包含一个局部阻流体，通过测量阻流体前后差压，并根据流出系数和流体密度得到质量流率。需要注意的是，差压式流量计的精度除了与差压测量精度有关，还与蒸汽密度有关，因此需同时测量蒸汽干度并进行密度修正，才能得到较高的测量精度。

涡街流量计作为速度式流量计，因其无可动部件、耐高温高压等优点，被广泛应用在蒸汽测量中。其根据流体振动原理，通过测量振动频率，得到体积流量，进而计算质量流量。需要注意的是，涡街在高温下使用需进行仪表系数修正[7]。

变面积流量计的优点是量程比大、直管段要求低、流量线性好、耐振性好、精确度高，有浮子变面积流量计和弹簧变面积流量计两种，但因其压损较大并有可动部件，限制了其应用场合。

除了上述流量计，常用的还有超声流量计、科式力流量计、涡轮流量计等。为了方便蒸汽测量选型，对常用蒸汽流量计，就典型应用场合、典型量程比、典型精度、优点及缺点进行总结，结果见表1，节流件典型压损的比较见图1。

表1 典型蒸汽流量计比较

图1 各种节流件永久压损比较

1.2 干度测量

蒸汽干度测量按方法分类，主要有人工化验法、热力学法、非热力学法和其他方法等。人工化验法需采样后实验室检测，不适宜制成工程上的实时测量仪器[8]。非热力学方法造价高、使用场合限制多、测量精度和使用寿命不理想，工程应用中存在着较大的局限与不足。热力法和光学法是比较有发展前途的流动湿蒸汽湿度的测量方法。光学法较复杂，其应用受到光波长、沉积污染等限制[9]。相比其他方法，热力学法测量原理简单、结果准确性较高，采用绝对法测量湿度，不受汽流中水滴直径的限制，无需对湿度结果进行标定。因此，下面主要介绍热力学法测量湿蒸汽干度的方法，均为部分蒸汽取样测量。除上述凝结法外，常用的还有混合法、加热法和相分离法。

混合法将湿蒸汽和水充分混合并使其处于湿蒸汽区，假设系统与涡街无热交换，根据质量守恒和能量守恒得到干度[10]。加热法对湿蒸汽在装置中加热为过热蒸汽，由加热段能量守恒得到蒸汽干度[11,12]。相分离法是最早的两相流量和干度测量方法，利用两相密度差分离气相和液相，再分别测出单相流的质量流量，得两相的干度[13]。对常用干度测量方法进行总结、比较，结果见表2。

表2 各种热力学干度测量方法的测量精度比较及误差来源

2 蒸汽计量技术的研究与发展

2.1 流量测量理论研究

需要注意的是，上述流量计均为单相流量计，在测量湿蒸汽流量时，均会出现测量值(质量流量)偏低的情况，需要进行相关修正。Hussein和Owen[14]通过湿蒸汽实验，比较了不同流量计的蒸汽修正系数。结果表明：孔板的修正系数最大，变面积流量计次之，涡街流量计的修正因子最小。因此，在修正不够精确的湿蒸汽情况下，涡街流量计计量性能更好一些。

由前所述，蒸汽流量与干度相互耦合，要想准确测量湿蒸汽流量，需对传统的单相流量计进行干度修正。目前基于组合式仪表的蒸汽测量方法，为湿蒸汽的流量和干度测量提供了新的思路。很多研究者进行了湿蒸汽[15-17]双参数测量特性的相关研究。很多著名公司也进行了组合式仪表的研制[18,19]，这些组合仪表主要包括：双差压式[17,20]、涡街与差压式组合[22]、 双涡街法[23]、超声流量计与科式力组合[24]等。这些均为双参数测量，可同时测量湿蒸汽的流量与干度。

2.2 干度测量理论研究

干度在实际应用中很重要，但由于两相流型的复杂性和汽、液之间的相变，使的干度的测量成为国际上一直没有解决好的一个难题。除了上述人工化验法和热力学法，最主要的是非热力学法，主要包括放射法、微波测量法[25]、光学测量法[26]、示踪法[27]、临界流速法[28]等。其他方法还有称重法[29]、数学模型法[30]等。

2.3 计量自动控制的研究与应用

在稠油热采中，需要对注汽流量和干度进行实时监测并进行自动控制。蒸汽流量和干度通过调节锅炉水量和火量进行控制。蒸汽流量和干度的测量可通过上述介绍的方法，将干度和流量以4～20 mA标准信号，传输到PLC，从微机终端设定的蒸汽干度作为给定值。 PLC 将测量值和给定值进行运算，经 PLC 的输出模块输出调节信号，将测量值和给定值进行运算，经 PLC的输出模块输出调节信号，在火量相对稳定的情况下，对水量进行适当调节，控制柱塞泵变频器来调节柱塞泵的排量，以达到恒干度闭环控制的目的。当调节水量无法满足控制需要量，即水量在最大或最小长时间运行，再调节火量进行控制。 即为主调水、副调火的自动控制模式。

综上，蒸汽计量技术及计量精度的提高，是蒸汽流量和干度自动控制的基础。蒸汽计量技术对于热力采油的安全运行、采油效率和经济效益提高有重要影响，需要进一步深入研究。

3 结 论

本文系统介绍了蒸汽计量技术在热力采油注汽系统中的应用。总结并比较了常用的蒸汽流量和干度的测量方法，对流量、干度的测量理论研究进展进行了综述，最后介绍了计量自动控制的研究与应用。蒸汽计量技术的合理、有效应用，再结合蒸汽计量自动控制技术，可实现蒸汽流量、干度的自动控制，对提高蒸汽热力采油的经济效益、降低热采成本、保证安全运行有重要意义。

[1] 吕立华, 李明华, 苏岳丽. 稠油开采方法综述[J]. 内蒙古石油化工, 2005, 31(3):110-112.

[2] 王大为, 周耐强, 牟 凯. 稠油热采技术现状及发展趋势[J]. 西部探矿工程, 2008, 20(12):129-131.

[3] 罗毓珊, 陈听宽, 陈宣政,等. 湿蒸汽两相流流量的测量研究[C]// 中国工程热物理学会多相流学术会议. 1996:11-14.

[4] 苏玉亮, 高海涛. 稠油蒸汽驱热效率影响因素研究[J]. 断块油气田, 2009, 16(2):73-74.

[5] 李明忠, 杨国锋, 鲍丙生,等. 井口注汽参数对注汽效果影响分析[J]. 广西大学学报(自然科学版), 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] 朱益飞. 孔板流量计与涡街流量计蒸汽计量误差对比分析[J]. 中国计量, 2009, (12):88-90.

[8] 李世武, 康 芹. 凝结式蒸汽干度测量方法与应用[J]. 化工学报, 2007, 58(10): 2608-2612.

[9] 李炎锋, 王新军. 蒸汽透平中流动湿蒸汽湿度测量方法的分析与比较[J]. 汽轮机技术, 2000, 42(3): 156-161.

[10] 张海鹏, 龚圣捷, 赵彦青, 等. 混合法测量蒸汽干度[J]. 计量技术, 2004 (2): 6-7.

[11] 徐廷相, 章利特, 辛 杨, 等. 双层套管直接加热式流动湿蒸汽湿度测量仪[J]. 热力发电, 2007, 36(10): 44-47.

[12] 李炎锋, 王新军. 蒸汽透平中流动湿蒸汽湿度测量方法的分析与比较[J]. 汽轮机技术, 2000, 42(3): 156-161.

[13] 王 栋, 林 益, 林宗虎. 利用T型三通测量气液两相流体的流量和干度[J]. 热能动力工程, 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. 稠油热采井下高温四参数测量仪研究与应用[C]// 中国石油学会四省区第九次稠油开采技术研讨会. 1998.

[17] 丁亚军. 联合式湿蒸汽流量干度测量技术在稠油开采中的应用[J]. 特种油气藏, 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] 丁亚军. 联合式湿蒸汽流量干度测量技术在稠油开采中的应用[J]. 特种油气藏, 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] 杜义朋, 王为民, 周立峰,等. 双涡街法测量饱和蒸汽干度研究[J]. 当代化工, 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] 钱江波, 韩中合, 田松峰, 等. 流动湿蒸汽湿度测量微波谐振腔结构分析[J]. 华北电力大学学报, 2005, 32(3): 52-57.

[26] 卫敬明, 张志伟, 王乃宁. 用光散射法测量饱和蒸汽的湿度[J]. 工程热物理学报, 2004 (2): 196-199.

[27] 傅 丰, 赵在三, 郁鸿凌. 气液双相流体干度测量的研究与发展[J]. 动力工程, 1991, 11(3): 51-59.

[28] 黄雪峰, 盛德仁, 陈坚红, 等. 湿蒸汽两相流湿度测量方法研究进展[J]. 电站系统工程, 2006, 22(5): 1-4.

[29] 王 强, 邓寿禄. 称重式蒸汽干度测量装置的设计[J]. 中国计量学院学报, 2013, 24(4):336-339.

[30] 张传友. 稠油注汽锅炉蒸汽干度测控装置的应用[J]. 中国设备工程, 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，工程师，2013年毕业于大庆石油学院，现在主要从事石油测试与技术的研究工作。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编辑马小芳)