CN1072501A - 井口蒸气测量系统 - Google Patents

Abstract

一种测量通过管子(12)流到井口(32)的加压蒸 气的干度和质量流率用的系统和方法，该系统有一个 量孔(18)、一个测量通过量孔的压差的计量仪表 (24)、一个位于量孔下游的节流器(36)，以及一个测 量量孔和节流器之间静压的换能器(26)。求解了一 组用符号表示的改进的方程，以确定流过管子的蒸气 的干度(X)和质量流率(M)。

Description

本发明涉及一种用于蒸气增强石油回收的蒸气测量系统。本系统引入一种位于临界流体节流器上游的量孔，节流器通常设置在注入井的井口处。利用一组方程中从量孔和节流器得来的压力信息并同时求解方程，可以确定蒸气流率和蒸气干度。

蒸气注水已经成为从边际油田或重油储藏构造中二次回收石油产品用的一种认可的做法，这些边际油田或重油储藏构造需要一定程度的激励，以产生令人满意的原油流。因此需要一种简单的方法和设置，以确定将蒸气送入此种储藏构造的注入井井口处的饱和蒸气的干度。此种测量如果能加以简化的话，将特别适用于确定由注入蒸气外加到地下储藏构造中的热量。

蒸气干度的测量或监控是重要的，因为蒸气干度以及由此产生的蒸气蓄积或形成的加热效应直接影响最终的生产操作。其次，可以最经济地注入特定地层或储藏构造的蒸气的干度是随许多情况而定的。后者包括储藏构造的厚度和从其中提取商业上可行的碳氢化合物产品量的预测前景。

简单说来，最好是，注入每个注入井的蒸气干度（即水蒸气质量除以总质量）和质量流率变化或调节到一种参数水平，该水平能最好地符合由该井渗透形成的构造条件。显然，在可以作出任何变化或调节之前，必须知道蒸气干度和质量流率。

大家知道，在这种类型的增强石油回收作业（EOR）中，为了特别有效，必须利用位于井口附近的蒸气输送管线中的计量装置监控注入蒸气流。值得重视的是，蒸气以已知的干度、压力和质量流率正常地离开蒸气发生器或蒸气源。但是，当加压蒸气流向着注入井行进时，蒸气干度通常会显著地降低。蒸气干度的降低可以基于这些因素，如井和蒸气源之间的距离、管子绝缘的有效性与包括环境温度和风速的天气条件。它还取决于管子部署，包括蒸气到达注入口或井之前必须通过三通管行进的三通管的数目和取向，因为在这些三通管中可能出现相的分离。

因此，重要的是，为了经济上的实用性，在蒸气管线中紧靠每个注入井口的上游处设置一个流体监测和控制装置。在许多蒸气注水作业中，一个节流器机构被安置在蒸气管路中，以限制蒸气流，从而能够调节进入特定井的蒸气的质量流率。

属于Redus的美国专利No.4，836，032公开了使用一种与临界流动节流器串联的孔板以提供一种用于蒸气干度和质量流率的测量方法。或者是孔板或者是节流器单独都能用于测量蒸汽干度和质量流率。但是，通过求临界流动节流器的湿蒸气的方程和穿过锐缘孔板的湿蒸气的方程，能够获得穿过两种装置的蒸气干度的数学表达式。

以实验室试验数据为基础，建立了一组确定蒸气干度和蒸气流率用的新方程。

节流器流动方程：

q=2.456 (C²P)/(X^0.4204)

量孔流动方程：

$\mathrm{q=}\frac{{\mathrm{15.012}}^2}{\sqrt{{\mathrm{1-\beta }}^4}}\sqrt{\frac{\phi }{V_{\mathrm{fg}}{X}^{\mathrm{1..3540}}{\mathrm{+V}}_f}}$

新的量孔流动方程已经免去了计算量孔系数的需要。新的方程在整个试验范围内在5个干度点中测定蒸气干度。新方程得到的蒸气平均质量流率位于试验范围的测得的质量流率的8%以内。由于通常与两相流体有关的量孔差压的波动，量孔-节流器测量系统最适合于测量蒸气干度大于30%的范围。与从前利用野外试验数据得到的方程相比，新方程与测得值能更好地符合一致。

下面将通过实例参考附图说明本发明，其中：

图1是通过典型的蒸汽注入井口的垂直截面图，该井口包括了本发明;

图2至图7是本发明的证明数据的图形。

现在转到附图的图1，图中示出了当其被安装于典型的蒸汽注入井口10时的本发明。蒸汽管12具有一个安装于其中的量孔装置14。该装置包括一个带锐缘量孔18的孔板16，量孔18与管子12的轴大体上同轴准直。测压孔20、22安置在孔板16的两侧并连接压差计24。在管子12上在量孔装置14的下游处，连接了一个静压换能器26。

装置28连接管子12的端部，并通过节流装置30连接到井管32上。节流装置30包括一个外壳螺纹接套34和一个节流嘴36。

量孔-节流器蒸汽测量系统设计成利用从量孔和临界流动节流器获得的信息来测定蒸汽干度和质量流率。图1示出系统的简图。该系统包括一个在临界流动节流器上游的锐缘量孔，节流器通常位于注入井的井口处。

除管子尺寸、量孔直径、节流嘴直径和流体性质外，通过量孔的压差和量孔与节流器之间的静压，都提供测定蒸汽干度和蒸汽质量流率所需的信息。

流动的两相流体的蒸汽干度和质量流率是通过同时求解流动方程来得到的，该方程描述通过锐缘量孔和临界流动节流器的流动。

临界流动节流器方程采取由奈培（Napier）提出的形式，即

节流器方程：M＝a (C²P)/(X^b) 1）

式中a和b是奈培方程中的常数。在现在的系统中，这些常数是由实验数据确定的。

量孔流动方程采用通常的单相量孔流动方程，即

${\mathrm{M=358.93C}}_{o}F{}_{a}F{}_{W}Y{}_2\frac{d^2}{\sqrt{{\mathrm{1-\beta }}^4}}\sqrt{\frac{\phi }{V_{\exp }}}$ 2)

量孔方程：

式中Co、Fa、Fw和Y₂分别是流量系统、热膨胀系数、排水孔校准系数和蒸汽膨胀系数。这些系数是可以计算出来的。

方程（2）中Vexp的数学形式是解该方程的关键。在本实施例中，Vexp被假定为饱和蒸汽的比容Vg、液体的比容Vf和蒸汽干度X的函数。它具有下列形式：

V_exp＝A（V_g-V_f）X^B+V_f3）

式中A和B的值是由实验数据确定的。

利用方程（3）代替方程（2）中的Vexp并使它与方程（1）相等，它给出：

X^B- (K)/(A) (φ)/(P²) (X^2d)/(V_fga²) + (V_f)/(V_fgA) =0 4）

式中K= ((358.93C_oF_aF_wY₂)²)/(1-β⁴) ( (d)/(c) )⁴5）

为了求解方程（4）中X的值，利用了一种数值逼近法如牛顿-拉夫森（Newton-Raphson）法。令

F(x)=X^B- (K)/(A) (φ)/(P²) (X^2b-1)/(V_fgA) 6）

和

F(x)=BX^B-1-2b (K)/(A) (φ)/(P²) (X^2b-1)/(V_fga²) 7）

而后确定

X_n+1=X_n- (F(X_n))/(F(X_n)) 8）

直到X接近一个渐近值。通常，逼近过程不超过5步。但是，应当注意方程（4）可能不止一个根。一个好办法是从蒸汽干度的最高值即从X＝1开始逼近过程，并在几个根中只选择最高值。一旦确定了蒸汽干度的值，可以按照方程（1）计算质量流率。

上面的叙述表明，除了测得的量（量孔压差和静压）外，方程中求解蒸汽干度用的关键参数为CoFaFwY₂，a，b，A和B。这些参数是由实验数据确定的。

节流器流动数据作为倒数质量率C²P/M而受到关联，并在图2中相对于蒸汽干度作图。这些数据的相互关系为：

M=35.855 (C²P)/(X^0.4204) 9）

换言之，

a＝35.855，而b＝0.420

方程（4）的这些A和B值是从通过2英寸和3英寸试验截面的孔板的流动试验结果中得到的。它们给出：

A＝1.000和B＝1.354

因此，V_exp＝V_fgX^1.354+V_f10）

试验中利用的孔板包括一个排水孔。整个试验范围的CoFaFwY₂值落在0.6142和0.6165之间。在野外测量系统中孔板上没有排水孔，CoFaFwY₂值可以取作常数0.6105，只要蒸汽压力和节流嘴尺寸位于本研究范围内即可。

蒸汽干度是按照方程（6）至（8）计算的。在方程（6）和（7）中用上述值代替A、B、a和b，得到：

F(X)=X^1.354((358.93C_oF_aF_wY₂)²)/(1-β⁴) ( (d)/(c) )⁴(φ)/(P2) (X0.8408)/(V_fg(35.855)2) + (Vf)/(V_fg) 11）

F′(X)=1.354X^0.354((358.93C_oF_aF_wY₂)²)/(1529.725(1-β⁴)) (φ)/(P²) ( (d)/(c) )⁴1/(V_fgX^0.1592) 12）

用式子（11）和（12）分别代替F（X）和F′（X），并求解Xn，直到X_n+1-Xn的值小于0.0001。试验用的计算干度相对于测得的干度的图线示于图3。整个试验用的计算的蒸汽干度的均方根误差是5个干度点。计算的干度的分布对于蒸汽干度小于30%的情况要宽一些。图3表示按照蒸汽干度的范围集合的本研究所有试验用的平均的测量值和计算值。换句话说，图3表示在不同条件下但对同样标称干度进行试验和计算的平均干度或质量流率。计算的蒸汽干度的平均误差在测得干度的3.7和6.7干度点之间。这些平均误差示于图4。整个试验范围的总误差大约为5个干度点。

作为比较，按照从野外试验数据得到的方程计算的蒸汽干度也在图5中相对于测得的蒸汽干度作图。计算的干度和测得干度之间的差别显著地大于按照新方程计算的差别。如图4所示，计算干度和测得干度值之间的差别为4.0至15.7干度点。整个试验范围的总平均误差大约为8个干度点。

图6表示按照方程（9）计算的蒸汽流率相对于测得的蒸汽干度作的图线。计算的流率与测得的流率十分良好地符合。在本试验中对于大于40%的干度，计算的和测得的质量流率之间的差别位于测得的质量流率的3.4至4.5%之间。

图7表示按照野外数据得到的方程所计算的质量流率。由于质量流率对蒸汽干度不敏感，因此野外数据得到的方程的质量流率可以与新方程的质量流率相比较。但是，对于大于40%的蒸汽干度，计算的和测得的质量流率之间的差别位于2.78和7.07%之间。对变量采用油田单位，节流器流动方程（方程9）成为：

q=2.4564 (C²P)/(X^0.4204) 13）

对变量采用油田单位，用0.6105代替方程（2）中的CoFaFwY₂值并用方程（10）的Vexp替换Vexp的表达式，量孔流动方程变为：

$\mathrm{q=}\frac{{\mathrm{15.012d}}^2}{\sqrt{{\mathrm{1-\beta }}^4}}\sqrt{\frac{\phi }{V_{\mathrm{fg}}{X}^{\mathrm{1.354}}{\mathrm{+V}}_f}}\mathrm{14)}$

求解蒸汽干度的逼近方程成为：

X_n+1=X_n- (F(X_n))/(F′(X_n)) 15）

式中

F(X_n)=X_n ^1.35437.350/(1-β⁴) ( (d)/(c) )⁴(φ)/(P²) (X_n ^0.8408)/(V_fg) + (Vf)/(V_fg) 16）

和

F′(X_n)=1.3540X_n ^0.354-31.4039/((1-β⁴)) (φ)/(P²) ( (d)/(c) )⁴1/(V_fgX^0.1591) 17）

逼近应当从X（1）＝1.0开始。

术语表

a,b=节流方程中涉及的参数

A，B＝Vexp中涉及的参数

C＝节流嘴尺寸，英寸

Co＝量孔流量系数

d＝量孔直径，英寸

φ＝量孔压差，英寸水柱

F（X）＝X的函数

F（Xn）＝其中X＝Xn的F函数

F′（X）＝F函数的导数

F′（X_n）＝F函数的导数，其中X＝Xn

Fa＝量孔的热膨胀系数

Fω＝量孔的排水孔系数

Hm＝饱和液体的比容相关系数

Jm＝饱和蒸气的比容相关系数

K＝常数

m＝比容相关的幂

M＝质量流率，lbm/hr

P＝蒸气压力,psia

q＝蒸气流率，bpd-cωe

Vexp＝量孔流动的实验比容，ft³/lbm

Vc=临界状态下的蒸气比容，ft³/lbm

Vf＝饱和液体比容，ft³/lbm

Vfg＝汽化比容，ft³/lbm

Vg＝饱和蒸气的比容，ft³/lbm

X=蒸气干度，馏分

Xn＝X值的第n次逼近，馏分

X_n+1＝X值的第n+1逼次，馏分

Y₂＝蒸气膨胀系数

β＝贝塔比率＝量孔直径／管子直径

测量单位换算表

说明书中的方程包括一些常数和系数，其数值取决于测量单位。因此单位不能变换，但是等值的公制数值如本表所示：

桶（barrel）    1桶＝0.16立方米

bpb-cωe            每天的蒸气桶数，冷水等量

psig    每平方英寸磅力（量规）＝6900帕

英寸（in）1英寸＝2.54厘米

paia每平方英寸1磅力（绝对）＝6900帕

lbm/ft²-sec 每秒每平方英尺1磅（质量）

                                                    ＝每秒每平方米4.88千克

ft³/lbm 每磅（质量）1立方英尺

                                    ＝每千克0.0625立方米

lbm/hr        每小时1磅（质量）＝每小时0.45千克

饱和液体比容Vf和饱和蒸气比容Vg的经验相互关系。

1）在从182psia到1335psia的压力范围内饱和液体比容的经验相互关系：

(V_f)/(V_c) = $\underset{\mathrm{m=0}}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m$ ( (P)/(P_c) )^m

式中

Vf＝饱和液体的比容，ft³/lbm

Vc＝临界状态的比容，ft³/lbm，＝0.049747ft³/lbm

P＝蒸气压力，psia

Pc＝蒸气的临界压力＝3198.807psia

Ho＝3.4444232E-01

H₁＝4.6716602E-01

H₂＝1.1950608E+00

H₃＝-2.1301049E+00

2）在从405psia到3050psia的压力范围内饱和蒸气比容的经验相互关系：

$\frac{V_g}{V_c}\mathrm{=(}\frac{P_c}{P})\underset{\mathrm{i=0}}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{J}_i(\frac{P}{P_c}{)}^i$

式中

Vg＝饱和蒸汽的比容，ft³/lbm

Vc＝临界状态的比容，ft³/lbm，＝0.049747ft³/lbm

P＝蒸气压力，psia

Pc＝蒸气的临界压力＝3198.807psia

Jo＝2.8570183E+00

J₁＝1.1796202E+00

J₂＝-6.0239948E+00

J₃＝5.5896454E+00

J₄＝2.8224224E-01

J₅＝-1.1378390E+00

J₆＝-4.1258599E+00

J₇＝-5.3664933E+00

J₈＝1.7579898E+01

J₉＝-9.5465496E+00

本发明可以接受许多修改和变化而并不偏离本发明主要特征的精神。因此已经说明的实施例应当在一切方面都看作是举例性质的，并不限制本发明的范围。

Claims (5)

1、一种用于测量流过管子的加压蒸气的干度和质量流率的系统，该系统包括：

一个位于上述蒸气流管子中的量孔；

测量经过上述量孔的压差的装置；

一个在上述管子中位于上述量孔下游的节流器；

测量上述管子中上述量孔和上述节流器之间的静压的装置；

对上述压差和上述静压产生响应以确定流过上述管子的蒸气干度和质量流率的装置。

2、一种如权利要求1所述的系统，其特征是，质量流率和蒸气干度是通过求解下述方程而确定的：

节流器方程：

M＝a (C²P)/(X^b)

量孔方程：

${\mathrm{M=358.93C}}_{o}F{}_{a}F{}_{W}Y{}_2\frac{d^2}{\sqrt{{\mathrm{1-\beta }}^4}}\sqrt{\frac{\phi }{V_{\exp }}}$

式中

a，b＝常数，其数值由节流器流动数据确定

c-节流嘴尺寸，英寸

Co＝量孔流量系数

d＝量孔直径，英寸

ψ＝量孔压差，英寸水柱

Fa＝量孔的热膨胀系数

Fw＝量孔的排水孔系数

M＝质量流率，lbm/hr

Vexp＝量孔流动的实验比容，ft³/lbm

X＝蒸气干度，馏分

Y₂＝蒸气膨胀系数

β＝贝塔比率＝量孔直径/管子直径

3、一种如权利要求2所述的系统，其特征是，Vexp的数值是按照下式计算的：

V_exp＝AV_fgX^B+V_g

式中常数A和B是由量孔流动确定的，而Vf和Vfg的数值是按照蒸气压力确定的。

4、一种用于测量管子中在400至1000psig范围的压力下流动的蒸气的干度和质量流率的方法，包括同时求解方程：

q=2.456 (C²P)/(X^0.4204)

和

$\mathrm{q=}\frac{{\mathrm{15.012d}}^2}{\sqrt{{\mathrm{1-\beta }}^4}}\sqrt{\frac{\phi }{V_{\mathrm{fg}}{X}^{\mathrm{1..354}}{\mathrm{+V}}_g}}$

式中

q＝蒸气流率，bpd-cwe（每天的蒸汽桶数-冷水等量）

c＝节流嘴尺寸

p＝蒸气压力，psia

X＝蒸气干度，馏分

d＝量孔直径，英寸

β＝量孔直径对管子直径之比

ψ＝量孔压差，英寸水柱

Vfg＝汽化比容，ft³/lbm

Vg＝饱和液体比容，ft³/lbm

5、如权利要求4所述的方法，其特征是，Vf和Vfg数值是按照下式确定的：

$\frac{V_f}{V_c}=\underset{\mathrm{m=0}}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{H}_m(\frac{P}{P_c}{)}^m$

$\frac{V_g}{V_c}\mathrm{=(}\frac{P_c}{P})\underset{\mathrm{i=0}}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{J}_i(\frac{P}{P_c}{)}^i$

Vfg＝Vg-Vf

Vg＝饱和蒸气比容，ft³/lbm

Vf＝饱和液体比容，ft³/lbm

Vc＝临界状态比容，ft³/lbm，＝0.049747ft³/lbm

Vfg＝汽化比容，ft³/lbm

P＝蒸气压力，psia

Pc＝蒸气临界压力，＝3198.807psia

J₀＝2.8570183E+00

J₁＝1.1796202E+00

J₂＝-6.0239948E+00

J₃＝5.5896454E+00

J₄＝2.8224224E-01

J₅＝-1.1378390E+00

J₆＝-4.1258599E+00

J₇＝5.3664933E+00

J₈＝-1.7579898E+0

J₉＝-9.5465496E+0

H₀＝3.4444232E-01

H₁＝4.6716602E-01

H₂＝1.1950608E+00

H₃＝-2.1301049E+0

且P是在量孔和节流器之间测量的。

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