注蒸汽管网等干度蒸汽分配技术

国外石油机械

注蒸汽管网等干度蒸汽分配技术

张 毅 谢志勤(胜利石油管理局采油工艺研究院)

王弥康 (石油大学 华东)

摘要 稠油油田各注蒸汽井通常由主干线经各支线供给蒸汽,干线和支线的连接点采用直通式三通,这种三通由于两个出口相对于入口在结构上不对称,造成蒸汽分配前后干度严重不均匀,影响区块注蒸汽的总体效果。介绍了美国现在注蒸汽用的死端三通的结构和蒸汽分配系统。

死端三通与直通式三通相比,只是将两相蒸汽改由侧臂流入,两直臂流出。为了提高三通的等干度分配性能,在死端三通的入口或出口加装插入装置。虽然死端三通较直通式三通增加了较长的管线和插入装置,但注采效果的提高又补偿了这种投资费用。

主题词 注蒸汽 蒸汽干度 相分离 三通

目前国内注蒸汽开采稠油一般由注汽站向若干

口注汽井集中供汽,蒸汽经干线和各支线分配至各个注汽井。干线和支线的连接点常采用直通式三通,支线的流量由支线流通截面和油井吸汽能力确定,分流后的蒸汽干度通常假设与分流前大致相同。实验研究和现场实测数据表明,分流前后各注汽井井口的蒸汽干度差别很大。笔者分析了两相湿蒸汽干度分流不均匀的原因,推荐几种干度均匀分配的装置。

直通式三通蒸汽分

配系统及流动工况

图1为常用的地面蒸汽分配管网的一部分,其中1、2分别为等径和异径直通式三通,所有管线均为水平铺设。来自注汽站的蒸汽经三通分配至各注汽井,支管下游或注汽井井口装有阀门和测量装置,按油层厚度和吸汽能力等地质特征,用阀门开度大小控制蒸汽流量。图中的管线尺寸、各段管线的蒸汽流量和蒸汽干度均为现场实测数据[1]。由图可见,蒸汽分配前后干度变化很大,分流时汽-液相不按相同比例流入各支管。蒸汽干度的严重不

均匀必定影响该区块注蒸汽的总体效果。

图1 直通式三通地面蒸汽分配管网

直通式三通由直臂入口、直臂出口和侧臂出口组成T字形(见图2)。侧臂和直臂互相垂直,但侧臂可以在YZ平面上绕O点由垂直向上(+90)至垂直向下(-90)范围内变化。当侧臂位于XZ 平面上(0),则侧臂出口和两个直臂均为水平位置,属正常使用情况。

当饱和湿蒸汽流经三通时,因相分离低密度高速汽流率先进入侧臂支管,由于流动方向的突然改变而产生二次涡流和离心力,在90弯头处形成一个负压区,从而使部分液流被吸入侧臂支管,液相的其余部分则在惯性力的作用下笔直地流向直臂出

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张 毅,高级工程师,生于1963年,1986年毕业于天津大学工程热物理专业,1997年毕业于石油大学(华东)油气田开发专业,获硕士学位,现从事采油工程技术研究及管理工作。地址:(257000)山东省东营市。电话:(0546)8557288。

(收稿日期:2000-08-02;修改稿收到日期:2000-10-25)

口。如果汽相速度较小,离心力及产生的负压与液流惯性力相比不大时,液流较多向直臂出口方向流去。这就解释了图1中三通2的侧臂出口蒸汽干度高达98%,远远大于注汽站出口干度80%和三通2的直臂入口干度58 5%的原因。与此同时,造成直臂出口蒸汽干度只有49 9%。三通1的直臂出口干度(81 5%)大于侧臂出口干度(58 5%),是由于入口干度较大(80%),体积含液率小,因而液相惯性力小;而入口汽相速度大,造成进入侧臂的离心力大,

使较多液相份额进入侧臂。

图2 直通式三通流向示意图

除了入口汽相速度和体积含液率会影响进入侧臂的汽-液相份额外,还有侧臂的方位角 。如图3所示,当侧臂方位角 为-90 时(侧臂出口垂直向下),影响汽-液相份额的大小除了离心力和惯性力外,还必须考虑重力。重力和离心力同向,

将会使更多的液相进入侧臂出口。

图3 侧臂方位角 的影响

由以上分析可知,直通式三通的两个出口相对于入口不对称这一结构上固有的缺陷,使在大多数工况下,直臂出口和侧臂出口汽-液相的分配份额不同,从而造成各个注汽井井口蒸汽干度相差很大。直通式三通在美国已经弃用,改用死端三通。

死端三通的蒸汽分配系统

死端三通结构形状与直通式三通完全一样,只是两相蒸汽改由侧臂流入,向两直臂流出,出入口均为水平放置,如图4所示。由于两出口相对于入口为对称布置,汽-液相按相同比例分配似乎是不言而喻的。但实验数据表明

[2]

,只有在两个出口

流量相同的工况下,出口蒸汽干度才相同。两出口流量差别越大,干度差别也越大,流量小的出口蒸

汽干度大于流量大的另一出口蒸汽干度。

图4 死端三通流向示意图

图5为直通式三通和死端三通分流性能的实验结果,图中的曲线2为死端三通实验结果;曲线1表示理想的均分线,在任何流量分流工况下都能保持相同的蒸汽干度;曲线3为直通式三通实验结果。这3条曲线的比较说明,死端三通比直通式三通更接近理想的均分。为了使死端三通的分流性能进一步提高,即设法使曲线2尽量接近曲线1,结

构上作了以下改进。

图5 两种三通分流性能的实验结果

由图5可看出,如果死端三通两直臂出口流量

差别较大,两出口仍不能得到比较均匀的蒸汽干度。经过多次实验研究,在死端三通入口或出口加装插入装置,其性能很接近图5中的曲线1[3]。图6a 是在入口加装预分离隔板的情况,图6b 是在两出口分别加装减速喷管的情况。两者性能相差不多,

但都比不加插入件的死端三通要好得多。

图6 改进后的死端三通

图7a 和b 分别为使用直通式三通和死端三通的蒸汽分配管汇图。所用的三通数量均为7个,但方案b 比方案a 需要较长的管线。由于方案b 的各口注汽井能得到比方案a 均匀得多的蒸汽干度,使

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区块总体的注采效果提高,这补偿了死端三通加装

插入装置和较长管线所增加的投资费用。

图7 使用两种不同三通的蒸汽分配管汇

最近,美国ARCO 公司研制成功1个入口、3个出口的分流装置,称之为填充床静态混合器[4]

,其入口管径为150mm (6英寸),3个出口互成120 角管径为76mm (3英寸),实验室空气-水的试验

结果良好,尚待现场使用和验证。

结 论

(1)在大多数工况下,直通式三通不能为各注汽井提供相同或相近的蒸汽干度。

(2)水平放置的死端三通具有较好的等干度分配性能。

(3)在死端三通入口加装预分离隔板或在出口加装减速喷管,都能扩大死端三通等干度分配的分流范围,从而改善死端三通等干度分配性能。

上述结论也适用于其它介质的两相流分流问题。

参 考 文 献

1 Hong K C T w o -phase flow splitting at a pipe tee JPT ,

1978,30(2):290~296

2 Jones J,Williams R L A T wo-Phase F low-Splitting De v ice T hat Works SP E 21532

3 Hong R C,Gr iston S T wo -Phase Flow Splitting at an

Impacting T ee SPE 27866

4 Stoisits R F ,Pinto M T Improved Stat ic M ix er Design for A chieving Equal Phase Splitting at P ipe Junctions SPE 54111

(本文编辑 朱必兰)

(上接第53页) 4 钻速

在试验井内用套管所钻的较深井段,在通常认为采用PDC 钻头可钻性差的岩层上,采用了专门设计的PDC 管下扩眼器及大直径的切削齿刃面角较大的PDC 钻头。下入适合于钻中硬地层的领眼钻头,与井下扩眼器联合工作,平均钻速为7m/h,钻成1173~1515m 井段。在1515m 处起出井底钻具组合后,发现管下扩眼器仅有轻微磨损,可再次下入;而PDC 钻头则磨损严重,只有修整后才可再次下井。1644~1815m 井段的地层很硬,在此井段与镶齿牙轮钻头配合,再次下入同一个管下扩眼器,钻头与管下扩眼器的钻速为3 1m/h 。起出钻头及管下扩眼器发现,管下扩眼器切削齿磨损严重但没有折断,其总体情况比牙轮钻头的镶齿要好。钻此井段时,钻压控制在89 0kN 以内,以防止扭

矩超过5423N m 。在1815~1975m 井段,下入的是一套新的管下扩眼器与另一只镶齿牙轮钻头的组合。开钻后其平均钻速为4 0m /h,在大约钻了61m 后,钻压从89 0kN 增加到178 0kN,钻速增加到6 1m/h,在钻其中较硬的井段时,管下扩眼器没有损坏或磨损。通过钻此井段,证明了套管钻井系统在低转速、高钻压时高效地钻硬地层的潜力。一般情况下,PDC 钻头引起的钻柱扭转振动比牙轮钻头引起的钻柱振动要严重,而且PDC 钻头引起的钻柱振动常常与PDC 钻头切削齿的早期失效有关。即使是在高钻压、低转速的情况下,套管钻井系统钻进时的扭矩也极其稳定,这表明采用套管钻井比用常规钻柱钻井工作更平稳。

摘译自T ommy M Warren Casing drilling system design considerations JPT ,2000,52(2):26~28

(本文编辑 刘 峰)

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