油田蒸汽流量計(jì)的計(jì)算方法及改進(jìn)型錐形孔板流量計(jì)應(yīng)用研究

 摘要：國(guó)內(nèi)外稠油油田開(kāi)發(fā)主要采用蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)進(jìn)行，因此需要準(zhǔn)確的了解所注入井底蒸汽的相關(guān)情況，特別是流量計(jì)量和干度計(jì)量，而多年來(lái)依靠現(xiàn)場(chǎng)人工計(jì)算蒸汽注入量一直未能獲得可靠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而造成注入蒸汽效率低、開(kāi)采成本高等問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)某油田特超稠油小井距、小井眼蒸汽計(jì)量系統(tǒng)的研究試驗(yàn)，尋找出一種適合稠油開(kāi)采現(xiàn)狀的蒸汽流量計(jì)計(jì)量產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽注入量的計(jì)量。

1、濕蒸汽計(jì)量常用方法

濕蒸汽計(jì)量是一個(gè)世界性難題，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展國(guó)內(nèi)外已相繼推出了多種蒸汽計(jì)量方法以及設(shè)備。

1.1、孔板噪音法

該方法是依據(jù)兩相流流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)在孔板兩側(cè)產(chǎn)生差壓脈動(dòng)，國(guó)內(nèi)外研究已證明差壓方根噪音的方差與分散相流量存在正比例關(guān)系，且噪聲與流體的流量和干度（質(zhì)量含汽率）密切相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)孔板公式為：

孔與管道內(nèi)徑比 ；ε ： 熱膨脹系數(shù) ；d ：孔板開(kāi)孔；ρ ：被測(cè)介質(zhì)密度；DP：孔板前后差壓。兩相流模型：

式中：G液 為液相流量；G氣為氣相流量；R 為差壓波動(dòng)程度；K 為修正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

1.2、組合差壓流量計(jì)法

此方法通過(guò)兩個(gè)差壓流量計(jì)所測(cè)量到的數(shù)據(jù)，根據(jù)差壓流量計(jì)的特性曲線，計(jì)算出交點(diǎn)以確定注汽管線內(nèi)蒸汽的流量、干度等參數(shù)；一次元件傳感器用來(lái)采集流道中的差壓信號(hào)，差壓變送器把傳感器的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再輸送給智能流量積算控制儀進(jìn)行分析計(jì)算出相應(yīng)流量、干度數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 組合差壓流量計(jì)法測(cè)量原理圖

1.3、彎管流量計(jì)法

該方法是應(yīng)用慣性原理，即當(dāng)流體流過(guò)直彎管時(shí)作類似圓周運(yùn)動(dòng)，使管內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生差壓。該差壓值的大小與彎管的彎徑比、流體流速、流體密度、彎管管徑等相關(guān)。從而利用差壓變送器測(cè)量出這個(gè)差壓值，然后通過(guò)必要的轉(zhuǎn)換、運(yùn)算獲得流體的真實(shí)流量值。

1.4、分流分相法

主管道蒸汽經(jīng)過(guò)分配器，將主管道的蒸汽按比例提取出一定比例的蒸汽，然后經(jīng)過(guò)分離器進(jìn)行分離，分離出的蒸汽經(jīng)過(guò)汽相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)分離出的液體經(jīng)過(guò)液相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，最終將汽體與液體進(jìn)行混合流入總管道。

1.5、渦街流量計(jì)法

該方法是依據(jù)振蕩原理測(cè)量流量，當(dāng)所測(cè)流體流經(jīng)渦街流量變送器時(shí)產(chǎn)生旋渦，旋渦的釋放頻率與流體平均速度及寬度相關(guān)，從而通過(guò)頻率就可計(jì)算平均速度v。

1.6、全分離法

此方法將注汽管線內(nèi)全部蒸汽通過(guò)分離器分離，分離出的蒸汽和水分別計(jì)量，然后計(jì)算出注汽管線內(nèi)蒸汽的流量、干度等參數(shù)。

2、改進(jìn)型錐形孔板流量計(jì)應(yīng)用研究

由于稠油注采蒸汽溫度在280 ℃以上且存在雜質(zhì)，因此在用常規(guī)孔板流量計(jì)測(cè)量時(shí)很容易降低孔板強(qiáng)度造成開(kāi)孔磨損或打壞，還容易在孔板前端形成堆積物影響測(cè)量。基于上述原因，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究及試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了錐形孔板流量計(jì)，具備耐磨、自清潔等特點(diǎn)，從而使孔板噪聲法在蒸汽干度、含液煤層氣、含臟物凝析天然氣等介質(zhì)測(cè)量中應(yīng)用。該流量計(jì)采用一個(gè)孔板同時(shí)測(cè)量流量和干度，從孔板測(cè)量信號(hào)中同時(shí)提取兩個(gè)物理量，即是均壓差值和差壓信號(hào)的均方根值（即噪聲信號(hào)）兩者都是流量和干度的函數(shù)（圖2）。

圖2 孔板改進(jìn)前后對(duì)比

來(lái)自壓力變送器和差壓（流量）變送器的4~20 mA直流信號(hào)經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換變成1~5 V 直流電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D 變換成數(shù)字量；機(jī)內(nèi)設(shè)有實(shí)時(shí)鐘表，定時(shí)采樣得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波和統(tǒng)計(jì)估計(jì)獲得計(jì)量參數(shù)的值，按照實(shí)用數(shù)學(xué)模型便可得蒸汽流量及干度（圖3）。

加密轉(zhuǎn)蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā)的4 口加密小井眼井和5 口老井改注汽井井口前安裝9 臺(tái)蒸汽計(jì)量裝置，對(duì)注入蒸汽的流量和干度進(jìn)行24 h 監(jiān)測(cè)。通過(guò)調(diào)節(jié)鍋爐流量、干度及通過(guò)調(diào)節(jié)井口迷宮閥來(lái)調(diào)節(jié)單井流量，以上四種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)所選蒸汽計(jì)量設(shè)備的流量精度檢驗(yàn)（圖4）。

圖3 流量計(jì)算機(jī)原理示意圖

圖4 試驗(yàn)井位及安裝圖