氬氣流量計在稠油 SAGD 開采中的應用研究
點擊次數(shù)：1749 發(fā)布時間：2021-01-08 05:30:19
摘要 ：傳統(tǒng)標準孔板流量計應用廣泛，但存在很多不足。*先通過對標準孔板氬氣流量計在現(xiàn)場應用的誤差分析，找到對測量結(jié)果影響較大的影響因素。然后經(jīng)過長期室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，研制出耐磨、自清潔的錐形孔板，該設(shè)備結(jié)構(gòu)彌補了傳統(tǒng)孔板流量計的不足。錐型孔板流量計在稠油 SAGD 的現(xiàn)場應用統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，改進后的錐形氬氣流量計能夠準確的計量蒸汽流量和干度，測量誤差大幅縮小，能夠較好的適應 SAGD 高干度蒸汽計量的要求。
1 蒸汽計量的發(fā)展概況
流量計的類型有很多，適合蒸汽計量應用的流量計有孔板流量計、透平流量計（包括旁通流量計）、變面積流量計、彈簧負載變面積流量計、直接在線（DIVA）變面積流量計、畢托管流量計、渦街流量計，每一種流量計都有自身的優(yōu)缺點，目前，測量蒸汽流量的儀表主要有渦輪流量計、差壓式（孔板、均速管、彎管）流量計、分流旋翼式流量計等。
2 標準孔板氬氣流量計應用評價
2.1 設(shè)備本身的影響
（1）流出系數(shù) C。流出系數(shù) C 是表征孔板節(jié)流裝置特性的主要參數(shù)，是雷諾數(shù) Re 和 β 的函數(shù)。流出系數(shù)C隨著流量的增大而減小，實際流量越小于刻度流量，則 C 引起的流量誤差會越大。相關(guān)文獻計算得出，C 的變化范圍為 ±0.0197%%~±0.1791%，其對計量結(jié)果帶來的誤差很小。
（2）蒸汽膨脹系數(shù)。差壓式流量計產(chǎn)生一定的差壓，在節(jié)流件的下游靜壓降低，因而出現(xiàn)流束膨脹，流束的這種膨脹使得節(jié)流裝置的輸出（差壓）-輸入（流量）關(guān)系產(chǎn)生同不可壓縮流體之間的偏差，從而帶來計量誤差。膨脹系數(shù) 的百分誤差為）±4）%。實際生產(chǎn)測得的壓差一般在 70~80 kPa 范圍內(nèi)，靜壓在 8 MPa 左右?？捎嬎愠?的誤差約為 0.04%，該誤差可以忽略不計。
（3）密度。在其他參數(shù)不變情況下，蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關(guān)系。從報表數(shù)據(jù)上得出，注氣壓力絕大部分分布在 5~8 MPa 之間。運用回歸方程可計算出注氣壓力 5 MPa 和 8 MPa 時注入蒸汽密度分別為 25.39 kg/m 3 和 42.58 kg/m 3 ，進而得到誤差*值可達13.6%~29.5%，是蒸汽計量誤差的主要來源之一。
（4）孔板內(nèi)徑 d 和管徑 D。在計量水蒸氣流量時，實際工況下的溫度與設(shè)計工況溫度的偏差會導致 d 的變化，從而帶來計量誤差，溫度偏差越大，則 d 的變化越大，產(chǎn)生的計量誤差也越大。以孔板材料 1Crl8Ni9Ti 為例，a=17.2×10 -6 /℃，SAGD 實際工作溫度為 270~300 ℃。則計算 d 帶來的相對誤差*值為 0.052%~0.1%，可忽略不計。
2.2 工作狀態(tài)的影響
標準孔板在實際工作過程中，被測量介質(zhì)的各種參數(shù)（如溫度、壓力、密度、粘度等）與標準孔板的額定數(shù)值有所不同。如在常溫附近時，若被測量介質(zhì)為蒸汽，溫度每變化 10 ℃，蒸汽的密度則變化 3% 左右 ；在 1個大氣壓下，被測蒸汽壓力每變化 10 Pa，密度則變化10% 左右。所以在用標準孔板測量蒸汽時，必須考慮蒸汽溫度和壓力的變化，進行適當?shù)男拚?br /> 3 改進的錐型孔板流量計
3.1 錐型孔板流量計特點
為提高計量的準確性，對 SAGD 實驗區(qū)經(jīng)過長期室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，研制出耐磨、自清潔的錐形孔板，確定了孔板噪聲法在蒸汽干度、含贓物凝析天然氣、含液煤層氣中的應用，解決了標準節(jié)流元件測量的原有問題。該結(jié)構(gòu)與標準孔板相比具有壓損小、自清潔、抗磨損功能，節(jié)流件上、下游不會出現(xiàn)液相累積，避免了液相斷續(xù)通過節(jié)流件而導致很大附加阻力和差壓波動，影響測量精度。獨特的錐型孔板結(jié)構(gòu)和厚度的增加能有效避免孔板撓曲及氣體沖刷（圖 1）。
3.2 稠油現(xiàn)場應用分析
根據(jù)錐型孔板流量計在稠油 SAGD 的應用數(shù)據(jù)，將瞬時蒸汽流量與累計平均流量、瞬時干度與累計平均干度、瞬時蒸汽流量與鍋爐流量、累計平均流量與鍋爐流量、瞬時干度與鍋爐干度、累計平均干度與鍋爐干度、瞬時流量誤差與累計流量誤差、瞬時干度誤差與累計平均干度誤差繪成散點圖（圖 2 - 圖 5）。
從繪制的散點曲線圖中可以看出，流量計的瞬時流量、瞬時干度基本能夠代表累計流量和累計干度，二者之間誤差較小 ；瞬時流量與累計流量曲線均與鍋爐流量曲線一致 ；瞬時干度與累計平均干度曲線稍低于鍋爐干度，瞬時流量對比誤差與本次累計流量對比誤差曲線趨勢一致，瞬時干度對比誤差與本次累計平均干度誤差圖曲線趨勢一致。將瞬時值對比能夠代表累計值對比，二者平均誤差在 0.3%，大部分誤差在 3% ；單井累加流量值與鍋爐流量累加值平均誤差在 2% 以內(nèi)，且分布較穩(wěn)定，沒有大的波動 ；單井干度平均值與鍋爐干度平均值誤差在 8% 以內(nèi)。說明現(xiàn)場安裝的氬氣流量計能夠準確的計量蒸汽流量和干度，能夠較好的適應 SAGD 高干度蒸汽計量的要求。
4 結(jié)論
（1）傳統(tǒng)標準孔板流量計應用廣泛，但存在很多不足，經(jīng)改進的錐型孔板則彌補了傳統(tǒng)孔板流量計的不足。
（2）稠油 SAGD 單井蒸汽計量總和與鍋爐計量值之間存在一定誤差，從數(shù)值上看，兩者之間相差 0~31.7 t 不等。從誤差率來分析，兩者之間的誤差率在 0~9.8% 之間波動，但是經(jīng)過平均取值后其誤差率已降至為 0。
（3）錐型孔板流量計在稠油 SAGD 的現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)表明，瞬時值對比能夠代表累計值對比，二者平均誤差在 0.3%，大部分誤差在 3% ；單井累加流量值與鍋爐流量累加值平均誤差在 2% 以內(nèi) ；單井干度平均值與鍋爐干度平均值誤差在 8% 以內(nèi)。說明現(xiàn)場安裝的氬氣流量計能夠準確的計量蒸汽流量和干度，能夠較好適應SAGD 高干度蒸汽計量的要求。
1 蒸汽計量的發(fā)展概況
流量計的類型有很多，適合蒸汽計量應用的流量計有孔板流量計、透平流量計（包括旁通流量計）、變面積流量計、彈簧負載變面積流量計、直接在線（DIVA）變面積流量計、畢托管流量計、渦街流量計，每一種流量計都有自身的優(yōu)缺點，目前，測量蒸汽流量的儀表主要有渦輪流量計、差壓式（孔板、均速管、彎管）流量計、分流旋翼式流量計等。
2 標準孔板氬氣流量計應用評價
2.1 設(shè)備本身的影響
（1）流出系數(shù) C。流出系數(shù) C 是表征孔板節(jié)流裝置特性的主要參數(shù)，是雷諾數(shù) Re 和 β 的函數(shù)。流出系數(shù)C隨著流量的增大而減小，實際流量越小于刻度流量，則 C 引起的流量誤差會越大。相關(guān)文獻計算得出，C 的變化范圍為 ±0.0197%%~±0.1791%，其對計量結(jié)果帶來的誤差很小。
（2）蒸汽膨脹系數(shù)。差壓式流量計產(chǎn)生一定的差壓，在節(jié)流件的下游靜壓降低，因而出現(xiàn)流束膨脹，流束的這種膨脹使得節(jié)流裝置的輸出（差壓）-輸入（流量）關(guān)系產(chǎn)生同不可壓縮流體之間的偏差，從而帶來計量誤差。膨脹系數(shù) 的百分誤差為）±4）%。實際生產(chǎn)測得的壓差一般在 70~80 kPa 范圍內(nèi)，靜壓在 8 MPa 左右?？捎嬎愠?的誤差約為 0.04%，該誤差可以忽略不計。
（3）密度。在其他參數(shù)不變情況下，蒸氣的流量與其密度的平方根成正比關(guān)系。從報表數(shù)據(jù)上得出，注氣壓力絕大部分分布在 5~8 MPa 之間。運用回歸方程可計算出注氣壓力 5 MPa 和 8 MPa 時注入蒸汽密度分別為 25.39 kg/m 3 和 42.58 kg/m 3 ，進而得到誤差*值可達13.6%~29.5%，是蒸汽計量誤差的主要來源之一。
（4）孔板內(nèi)徑 d 和管徑 D。在計量水蒸氣流量時，實際工況下的溫度與設(shè)計工況溫度的偏差會導致 d 的變化，從而帶來計量誤差，溫度偏差越大，則 d 的變化越大，產(chǎn)生的計量誤差也越大。以孔板材料 1Crl8Ni9Ti 為例，a=17.2×10 -6 /℃，SAGD 實際工作溫度為 270~300 ℃。則計算 d 帶來的相對誤差*值為 0.052%~0.1%，可忽略不計。
2.2 工作狀態(tài)的影響
標準孔板在實際工作過程中，被測量介質(zhì)的各種參數(shù)（如溫度、壓力、密度、粘度等）與標準孔板的額定數(shù)值有所不同。如在常溫附近時，若被測量介質(zhì)為蒸汽，溫度每變化 10 ℃，蒸汽的密度則變化 3% 左右 ；在 1個大氣壓下，被測蒸汽壓力每變化 10 Pa，密度則變化10% 左右。所以在用標準孔板測量蒸汽時，必須考慮蒸汽溫度和壓力的變化，進行適當?shù)男拚?br /> 3 改進的錐型孔板流量計
3.1 錐型孔板流量計特點
為提高計量的準確性，對 SAGD 實驗區(qū)經(jīng)過長期室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，研制出耐磨、自清潔的錐形孔板，確定了孔板噪聲法在蒸汽干度、含贓物凝析天然氣、含液煤層氣中的應用，解決了標準節(jié)流元件測量的原有問題。該結(jié)構(gòu)與標準孔板相比具有壓損小、自清潔、抗磨損功能，節(jié)流件上、下游不會出現(xiàn)液相累積，避免了液相斷續(xù)通過節(jié)流件而導致很大附加阻力和差壓波動，影響測量精度。獨特的錐型孔板結(jié)構(gòu)和厚度的增加能有效避免孔板撓曲及氣體沖刷（圖 1）。
3.2 稠油現(xiàn)場應用分析
根據(jù)錐型孔板流量計在稠油 SAGD 的應用數(shù)據(jù)，將瞬時蒸汽流量與累計平均流量、瞬時干度與累計平均干度、瞬時蒸汽流量與鍋爐流量、累計平均流量與鍋爐流量、瞬時干度與鍋爐干度、累計平均干度與鍋爐干度、瞬時流量誤差與累計流量誤差、瞬時干度誤差與累計平均干度誤差繪成散點圖（圖 2 - 圖 5）。
從繪制的散點曲線圖中可以看出，流量計的瞬時流量、瞬時干度基本能夠代表累計流量和累計干度，二者之間誤差較小 ；瞬時流量與累計流量曲線均與鍋爐流量曲線一致 ；瞬時干度與累計平均干度曲線稍低于鍋爐干度，瞬時流量對比誤差與本次累計流量對比誤差曲線趨勢一致，瞬時干度對比誤差與本次累計平均干度誤差圖曲線趨勢一致。將瞬時值對比能夠代表累計值對比，二者平均誤差在 0.3%，大部分誤差在 3% ；單井累加流量值與鍋爐流量累加值平均誤差在 2% 以內(nèi)，且分布較穩(wěn)定，沒有大的波動 ；單井干度平均值與鍋爐干度平均值誤差在 8% 以內(nèi)。說明現(xiàn)場安裝的氬氣流量計能夠準確的計量蒸汽流量和干度，能夠較好的適應 SAGD 高干度蒸汽計量的要求。
4 結(jié)論
（1）傳統(tǒng)標準孔板流量計應用廣泛，但存在很多不足，經(jīng)改進的錐型孔板則彌補了傳統(tǒng)孔板流量計的不足。
（2）稠油 SAGD 單井蒸汽計量總和與鍋爐計量值之間存在一定誤差，從數(shù)值上看，兩者之間相差 0~31.7 t 不等。從誤差率來分析，兩者之間的誤差率在 0~9.8% 之間波動，但是經(jīng)過平均取值后其誤差率已降至為 0。
（3）錐型孔板流量計在稠油 SAGD 的現(xiàn)場應用數(shù)據(jù)表明，瞬時值對比能夠代表累計值對比，二者平均誤差在 0.3%，大部分誤差在 3% ；單井累加流量值與鍋爐流量累加值平均誤差在 2% 以內(nèi) ；單井干度平均值與鍋爐干度平均值誤差在 8% 以內(nèi)。說明現(xiàn)場安裝的氬氣流量計能夠準確的計量蒸汽流量和干度，能夠較好適應SAGD 高干度蒸汽計量的要求。