史欽芳

（中國石化勝利油田分公司采油工程處，山東東營257001）

注汽干度是評價注汽質量、決定熱力采油效果的重要指標和關鍵技術參數［1］，特別是在稠油開采的蒸汽驅采油階段，注汽干度直接決定了稠油開采的整體采收率。長期以來受注汽鍋爐結構和水質處理條件的限制，油田常規(guī)注汽鍋爐產汽干度僅到80%，蒸汽中的水分主要用于溶解或攜帶給水中的鹽分，以避免蒸汽發(fā)生器結垢和積鹽。因此如何在現有注汽鍋爐的基礎上提高蒸汽干度或直接產生微過熱蒸汽，就具有十分重要的意義。2006 年以前，國內各油田普遍采用的方法是應用高壓汽水分離器，直接將蒸汽中的水相分離除去，從而達到提高注汽干度的目的。從實際運行效果看，注汽干度確實能達到90%以上，滿足了汽驅的要求，但難以有效回收和利用分離出的高壓高溫飽和水，造成了13%蒸汽總熱能的損失。另外由于這部分飽和水的含鹽量較高，直接排放必然會對環(huán)境造成污染，而回收利用又必須增加投資和運行費用。為此，勝利油田從2008年開始了新的探索及微過熱蒸汽發(fā)生器研究，于2010年研發(fā)成功并投入現場應用，取得了良好的注汽效果和經濟效益。

1 技術路線的確定

常規(guī)注汽鍋爐的制汽流程為：將水源來水經過軟化處理后再進行除氧處理，由高壓柱塞泵增壓后進入水—水換熱器換熱升溫達露點溫度（121 ℃）以上，接著進入對流段吸收煙氣熱量，最后進入輻射段進一步吸熱變成70%～80%干度的濕飽和蒸汽，最后注入地層［2］。

通過調研、資料查閱和技術討論，本文確定的技術方案是通過提高汽水分離效果，將分離的接近100%高度的蒸汽再進入爐膛加熱，加熱后的蒸汽微過熱，然后再將汽水分離器中分離的高含鹽水摻入微過熱蒸汽中，使得蒸汽干度達到90%以上注入地層。這樣既提高了干度又杜絕了熱量不必要的浪費，同時也無需提升水處理標準。

2 關鍵技術攻關

由以上分析可以看出，本項研究的關鍵技術有三點，分別為汽水分離器的深化研究、微過熱省煤器的設計和微過熱蒸汽與高含鹽水的摻混技術研究。

2.1 汽水分離器的設計優(yōu)化

汽水分離器主要是利用飽和水和飽和汽密度的不同，利用重力分離技術來將它們分開，飽和水下行而飽和蒸汽上行，從而達到汽水分離的目的［3］。傳統(tǒng)的汽水分離器的分離效果為將干度為70%的濕蒸汽提高到90%以上，因此分離效果差。為提高分離效果就必須優(yōu)化分離機構。通過計算、設計、技術查詢和論證，將傳統(tǒng)的立式結構設計為球型結構，體積可達到最大、流通阻力也最小，同時也保證了分離出的水儲存體積。

主要進行了流通阻力校核、汽液兩相在球體內體積比優(yōu)化和分離器效果優(yōu)化，確定了球體直徑、液位高度、內部分離件的數量及安裝位置的確定。

汽水分離器液位高度主要通過差壓變送器來進行在線計量并實現信號輸出，根據流通靜力學原理，差壓變送器測量的液位差壓（Δp）為［4］：

式中，ρ1—變送器高壓側引壓管內的冷凝水密度，kg／m3；

H1—分離器高、低壓引壓管的中心距離，m；ρ1—分離器內的飽和水密度，kg／m3；

h—飽和水液位，m；

H2—高壓側引壓管對應低壓側引壓管到變送器接液處高度，m；

ρ3—變送器低壓側引壓管內的冷凝水密度，kg／m3；

H3—低壓側引壓管到變送器接液處高度，m；p0—分離器內靜壓，MPa。

盡管汽水分離器壓力、溫度都很高，但差壓變送器高、低壓引壓管內的冷凝水溫度基本相同，即ρ1≈ρ3，H2＝H3，同時化簡公式（1），可得：

由以上公式可得，已知差壓變送器壓差，可測出液位高度：

h＝（ρ1H1g－Δp）／（ρ2g）

為了確定汽水分離器的最終性能，進行了大量的試驗。采用FLUENT 方法對汽水分離器兩相流動進行數值模擬，通過積分lagrange參考系中的粒子受力平衡方程式來預測汽水離散相粒子（液滴或氣泡）的軌跡，確定旋風分離部分的分離效果，見表1。旋風分離主要受粒子周圍流動力作用，在直角坐標系中，當流體相密度大于粒子密度時，加速粒子周圍的力（Fx）可寫成［5］：

式中，ρ為流體相密度，ρp 為粒子密度，u是流動相的速度，up是粒子速度。

表1 不同的粒徑的水滴汽水分離效果Table 1 The different particle size water－drop of water－steam separation result %

由以上分析可以看出，要提高旋風分離效果就必須保證汽相與水相的密度差，要保證波紋板的分離效果，就必須保證水滴粒徑，而水滴粒徑除與蒸汽入口速度有直接關系外，也與汽相與水相的密度差有關。通過大量計算與運行效果監(jiān)測，最小密度差應控制在0.009 5 m3／kg以上，密度差越大分離效果越好；流速控制在額定流量的50%以上，流速越大分離效果越好。查水和水蒸汽熱力性質參數計算得［6］，壓力應控制在14.68 MPa以下，才能保證汽水密度差。

2.2 過熱器的設計

在過熱器內蒸汽與管壁的換熱系數遠低于常規(guī)注汽爐輻射段內的沸騰換熱系數，由于進入過熱器的蒸汽中仍含有極少量的水分及鹽分，若在熱流密度大的區(qū)域受熱，鹽分易附著在爐管內壁上形成鹽垢，產生局部過熱［7］。經過綜合優(yōu)化設計，將過熱器安裝在輻射段出口與對流段進口之間，即可保證其吸熱效果又減少設備體積和投資。微過熱注器過熱部分熱力模型如圖1所示。

如上所述，過熱器的入口蒸汽中總含有極少量的水分及鹽分，這些鹽分主要由蒸汽發(fā)生器的給水帶入。由于軟化水處理已將水中的Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Al3＋等金屬離子已被徹底去除，因此剩余的鹽分主要是鈉鹽和少量的鉀鹽，如NaOH、NaCl、Na2SO4等。其中NaCl在過熱蒸汽中具有較高的溶解度，達100 mg／kg。而Na2SO4在過熱蒸汽中的溶解度只有10μg／kg，而且又是水中含量最大的鈉鹽，顯然如果蒸汽的含水量過大，鹽就有可能沉積在過熱器內［8］。因此防止過熱器積鹽的關鍵是提高分離器的效率。根據電站蒸汽發(fā)生器和本項目的運行實踐，只要分離器出口的蒸汽干度能達到99.5%以上，就可以避免過熱器積鹽。

首先設定微過熱注汽鍋爐出口干度控制在95%，根據其熱焓值和同狀態(tài)下的飽和水焓值，求出蒸汽的熱焓值，從而確定過熱度和飽和蒸汽升高到微過熱蒸汽需要的焓值。結合原注汽鍋爐結構確定換熱器結構形式，根據燃燒煙氣不同部位溫度情況，確定換熱器的安裝部位，最終優(yōu)化出換熱面積。

通過計算，不同壓力下，給定注汽蒸汽發(fā)生器輻射段出口干度條件下，過熱段需要達到的過熱度（見表2）。

圖1 微過熱注汽鍋爐微過熱部分熱力模型簡圖Fig.1 Micro－overheat steam generator parts of micro overheating model

表2 不同壓力條件下出口干度達90%所需要的過熱度Table 2 Demand overheat temperature to reach 90%dryness in outlet at different pressure ℃

2.3 汽水噴射混合器優(yōu)化設計

汽水噴射混合器主要功能為將飽和水霧化噴射到微過熱蒸汽中進行摻混，飽和水吸熱后汽化，微過熱蒸汽放熱后降溫或冷凝，使得摻混后的蒸汽為高干度或過熱蒸汽。本優(yōu)化設計由于飽和水中的高鹽分在飽和水汽化后析出，易產生細微鹽分，由于此處不是受熱面，鹽晶體無聚集合力，可被此處的高速流體帶走，形成不了鹽垢。

本部件的優(yōu)化點為摻混空間的霧化孔隙度，霧化孔隙度與汽水分離器的液位高度、運行壓力關系密切，霧化孔隙度與液位高度、運行壓力不匹配，在孔隙處就產生鹽結晶，當運行達到一定時間后霧化孔完全堵塞，無法實現摻混的目的。

2.4 安全運行的關鍵技術

由以上技術攻關可以看出，本項技術各部件相互影響、互相牽制，因此，精細化控制也是本項技術成功的關鍵。通過干度在線自動測量、液位微控制、閥門開度自動控制，實現微電腦控制。

微過熱注汽鍋爐在控制上實現了全過程控制與監(jiān)測，在運行模式上采取了常規(guī)運行和微過熱運行兩種模式，通過運行前微電腦的預設計，可自動在濕蒸汽、高干度蒸汽和微過熱蒸汽三個區(qū)域安全運行。程控主要點為報警點掃描、運行模式判斷、前吹掃、點火、火焰監(jiān)測、主火焰點火、參數調整、水火跟蹤、運行（輻射段出口蒸汽干度檢測、球型汽水分離器實時液位、過程點壓力與溫度、汽水分離器出口干度、蒸汽發(fā)生器出口過熱度、汽水混合器狀態(tài)等）、后吹掃、停爐全過程控制。整機具備了全程在線、過程監(jiān)測與自動控制功能。

3 制汽工藝優(yōu)化設計

3.1 工藝流程

根據關鍵技術攻關情況并結合傳統(tǒng)注汽鍋爐設計經驗，完成了整體設計，主要包括熱力計算、強度校核、流通阻力計算、傳熱惡化條件等。工藝流程見圖2，在常規(guī)注汽鍋爐流程的基礎上，與汽水分離器進行了優(yōu)化設計與匹配，經高效汽水分離器分離出的蒸汽通過上部出口流經到過熱器繼續(xù)加熱，然后再流向霧化混合器；汽水分離器分離出的飽和水從下部流向霧化混合器；過熱蒸汽與飽和水在霧化混合器內摻混后注入注汽井中。

圖2 油田專用（微）過熱注汽鍋爐工藝流程圖Fig.2 Special（micro）overheat steam generator process flow diagram in oilfield

3.2 結構形式

油田專用微過熱注汽鍋爐由軟化水處理裝置、除氧器、高壓柱塞泵、水－水換熱器、對流段、輻射段、過渡段（內置過熱器）、汽水分離器、汽水混合器和自動控制系統(tǒng)構成，是在常規(guī)直流式注汽鍋爐主要構造基礎上增設了過渡段（內置過熱器）、汽水分離器、汽水混合器及新型自控部分。

3.3 參數設計

根據汽水密度隨壓力的變化特性，結合油田蒸汽吞吐與蒸汽驅熱力采油注汽技術參數要求，進行以下參數的設計：

額定蒸發(fā)量30t／h、額定工作壓力17.2 MPa、蒸汽溫度370℃、過熱度17℃、整體熱效率≥88%、控制方式為PLC＋觸摸屏＋工控機方式、適用燃料為油氣兩用。

4 過熱蒸汽對化學蒸汽驅的影響

國內外的研究結果及礦場試驗均表明，汽竄是影響蒸汽驅整體開發(fā)的關鍵因素之一。高溫泡沫因其高視粘度、對油水的選擇封堵性與破滅再生的同時進行及高界面活性，可以實現地層的深度封堵調剖，從而提高蒸汽的波及系數和洗油效率，因此研究過熱蒸汽對耐高溫泡沫體系的影響尤為關鍵。

4.1 過熱蒸汽的優(yōu)勢分析

過熱蒸汽有更高的熱物理參數，攜帶更高的熱焓，提升開采效果，蒸汽溫度和干度可調范圍大，伴注化學劑時調低注汽溫度，注純蒸汽時要大幅度提升溫度與干度，高干度蒸汽同高溫泡沫結合還能減緩蒸汽超覆和邊水入侵。

4.2 耐溫及調驅試驗

4.2.1 耐溫試驗 在壓力7～10 MPa，干度94%，蒸汽溫度286～310 ℃條件下進行室內耐溫實驗。結果如表3所示。利用紅外光譜儀對泡沫體系耐溫前后的成份進行測試，從波峰分布情況分析體系基本有效成分保持不變。

表3 體系耐溫前后性能指標對比Table 3 System thermal endurance performance contrast

4.2.2 調驅試驗 泡沫體系存在一個最佳的溫度作用范圍，過低或過高的溫度對其在多孔介質中的發(fā)泡性能均造成影響，結果如圖3所示。過低的溫度不利于其在泡沫液膜上的規(guī)則分布，過高的溫度使分子運動過于劇烈，泡沫液膜的穩(wěn)定性降低，封堵效率明顯下降。泡沫體系200℃左右具有最佳的封堵調剖性能，溫度為286～310 ℃時，阻力因子仍然大于20，具有較強的封堵調剖性能。

圖3 溫度對泡沫體系阻力因子的影響Fig.3 Temperature affect to foam system resistance factor

利用雙泵驅油物理模擬裝置，研究了蒸汽驅和化學驅的驅油效率［9］，結果表明化學蒸汽驅比蒸汽驅提高了驅油效率和波及效率。試驗還模擬孤島油田的油藏參數，驗證了注過熱蒸汽比普通蒸汽有更高的增產效果，對注入井口和井下管柱進行了耐溫校核。

5 運行模式及應用效果

5.1 運行模式

根據生產需要，本過熱蒸汽發(fā)生器可在飽和、過熱狀態(tài)下自由轉換，從而生產低干度蒸汽（干度＜80%）或高干度蒸汽（干度≥80%）或過熱蒸汽。

經過現場實踐，低干度、高干度、過熱三種狀態(tài)的臨界點是：輻射段出口的蒸汽干度＜56%時，蒸汽發(fā)生器出口蒸汽干度＜80%，過熱段溫度控制在相應壓力下飽和濕蒸汽臨界溫度以下，蒸汽發(fā)生器處于低干度模式運行（添注化學劑時）；56%≤輻射段出口的蒸汽干度＜70%時，80%≤蒸汽干度＜100%，蒸汽發(fā)生器處于高干度模式運行；輻射段出口的蒸汽干度≥70%時，蒸汽發(fā)生器出口為過熱蒸汽，目前現場過熱溫度控制在10℃以內。礦場多通過化驗輻射段出口的蒸汽干度來判別和控制蒸汽發(fā)生器的運行模式，以確保安全經濟注汽。

5.2 實施效果

勝利油田某熱化學驅熱力采油試驗區(qū)與2010年9月建成并投運兩臺30t／h油田專用（微）過熱蒸汽發(fā)生器，截止到2011年12月，平均運行壓力7～10 MPa，平均運行干度94%，蒸汽發(fā)生器平均注汽 速度24.2t／h，累計注汽45萬t，平均運行時率92%，一臺燃用天然氣、一臺燃用原油。同常規(guī)配套專用汽水分離相比，節(jié)約用水17%，節(jié)省燃料約3%～5%，避免和減少了含鹽水的外排，成為中國石化亮點的蒸汽驅先導工程。

表4 過熱鍋爐運行數據表（實際統(tǒng)計）Table 4 Operation data sheet（practical statistics）

經過一年半的運行效果跟蹤，該設備運行產汽干度高、運行平穩(wěn)可靠，自動化控制可靠精準，操作簡便，管理容易，經濟效益較好。已成為勝利油田蒸汽驅采油的主選爐型，在勝利油田的多個區(qū)塊開始推廣應用。

6 結論

微過熱注汽鍋爐是基于應該常規(guī)水處理運行狀態(tài)下（水利用率高）而研發(fā)設計的新型高干度制汽設備。實用表明，具有結構簡單、運行可靠、管理方便、經濟高效等特點，是注高干度蒸汽采油的理想制汽設備。

（1）微過熱注汽鍋爐可在濕蒸汽區(qū)與高干度區(qū)兩種模式下選擇運行。即可應用于普通吞吐運行，也可調整任意高干度直至微過熱狀態(tài)下運行，達到蒸汽驅采油中的干度運行要求及化學蒸汽驅注汽的要求。

在高干度模式下運行的關鍵參數：運行壓力小于15MPa、過熱度小于30℃、汽水分離器與汽水差混器的垂直距離應大于2m。

（2）根據水質中鹽的成分及溶鹽規(guī)律，運行中最易造成析鹽的主要成分為Na2SO4，因此在運行中要防止和的進入。

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