蒸汽渗透膜技术（共7篇）
蒸汽渗透膜技术 篇1
蒸汽渗透 (VP) 是20世纪80年代末日本学者Uragami等提出的一种新的气相脱水膜分离过程[1], 它与气体渗透和渗透汽化 (PV) 密切相关。在近几年来VP领域的研究和工业应用的速度明显加快, 市场占有率以每年5%~10%的速度增长[2]。在VP过程中, 膜并不直接与料液接触, 膜的溶胀和收缩将大为减弱[3]。由于VP法采用气相进料, 在膜的进料侧浓差极化现象较弱, 并且在分离过程中不需要提供额外的热量以维持被分离物流的温度, 避免了PV过程设备复杂的缺陷, 这样不仅节省了大量能源, 而且使装置成本降低、操作更为简单。同时, VP过程还可以很便利地与传统的蒸馏过程相耦联。本文将对近几年蒸汽渗透的研究成果和具有潜力的分离过程从以下三个方面做一概述: (1) 有机溶剂气相脱水。 (2) 混合气体或蒸汽中挥发性有机物 (VOCs) 的脱除。 (3) 有机混合物之间的分离。
1 蒸汽渗透用于有机溶剂气相脱水
采用气相进料的蒸汽渗透膜技术在有机溶剂—水混合物的分离方面显示出明显的竞争优势[4], 蒸汽渗透采用优先透过水蒸汽的致密膜, 以膜的下游侧抽真空或干燥气流吹扫的方式操作, 在膜两侧水蒸气分压差的驱动下, 以溶解—扩散原理完成水蒸汽与有机溶剂蒸汽的分离。由于蒸汽渗透过程一般在高于料液沸点的条件下进行, 要求分离膜具有更好的化学稳定性和热稳定性, 因此, 新型膜材料的研制成为蒸汽渗透研究中的重要课题。同时针对不同的分离物系的流程选择及工艺条件的优化也至关重要。
1.1 亲水膜的改进
随着蒸汽渗透过程研究的迅速发展, 对蒸汽渗透膜的研究也十分活跃。蒸汽渗透法所使用的脱水膜沿用了渗透汽化过程中水优先透过的分离膜, 如亲水性的聚乙烯醇膜、赛璐玢膜、褐藻酸膜、壳聚糖膜、聚丙烯腈膜、醋酸纤维素膜和聚酰亚胺类膜等, 为了获得较好的渗透选择性和渗透通量, 往往对这些膜材料进行物理或化学改性。Jansen等[4]用Cs F、Li Br、Li F浸渗聚乙烯醇膜, 处理后的膜在分离因子大于1000的情况下可使渗透通量提高十倍, 而且反复浸渗Cs F能使渗透通量和分离因子都有所改善, 渗透通量从0.105kg/m2h提高到1.07kg/m2h同时分离子仍大于1000。B.Will等[5]改性聚乙烯醇—聚丙烯腈复合膜在氨水体系脱水中获得了较好的分离效果。对于壳聚糖膜的改性主要有:接枝共聚、共混、交联等。如, 壳聚糖醋酸盐膜比壳聚糖膜的分离因子大十倍, 戊二醛交联壳聚糖膜比壳聚糖膜的分离因子大二十倍甚至无穷大[3]。另外, 聚酰亚胺类膜[6]以其热、化学、机械稳定性的优点, 引起研究者越来越多的重视。以上这些亲水膜在蒸汽渗透过程的研究中均得到了广泛的应用。总之, 蒸汽渗透亲水膜材料的发展方向是开发高渗透通量, 高选择性, 耐高温, 抗化学腐蚀的膜材料。
1.2 蒸汽渗透过程的操作方式
蒸汽渗透过程可以采用与渗透汽化过程相同的操作方式, 即在膜的下游侧抽真空或采用干燥气流吹扫。
蒸汽渗透膜组件的结构形式主要采用中空纤维式和卷式两种[7], 中空纤维膜分离装置具有组件单位体积内装填的膜面积较大, 耐压性能好, 设备及流程简单, 操作方便等优点, 其应用领域日趋广泛。
根据原料气体流经中空纤维途径不同可分为内压式 (原料走丝内) 和外压式 (原料走丝外) 两种操作方式, 内压式组件在气体压力较高时要求中空纤维具有良好的耐压性能, 而在较低压力下操作时大长径比产生的丝内压降会对膜分离效果有较大的影响, 但采用外压式组件操作时, 气体在丝外流动存在的不均匀性又是组件设计时所必须考虑的因素。因此, 根据分离过程的具体情况对中空纤维膜组件的操作方式加以合理选择是十分必要的。
卷式组件所用的分离膜是平板膜, 为了提高膜的整体性能, 常选用含有高效功能层的复合膜, 卷式膜组件的特点是装填密度高, 膜的制备比较简便, 但是组件的制作却较为复杂并且对密封的要求很高, 卷式组件多被用于工业分离操作而实验室中较少采用。
清华大学开发的板框式膜组件已完成苯脱水、C6溶剂油脱水中试, 是一个很有工业应用前途的膜分离装置。
在蒸汽渗透过程中可以采用增大膜两侧的水蒸气的分压差以增加膜的透过通量[4], 同时在保持进料蒸汽处于过热状态的条件下, 适当提高操作温度以提高膜的分离效率。吴庸烈等人采用压缩空气脱湿和乙醇气相脱水的集成过程取得了较好的效果[8], 多种膜分离过程的合理组合构成集成膜过程来解决复杂的分离问题是目前膜分离技术重要的发展方向。
2 蒸汽渗透法用于回收挥发性有机溶剂
挥发性有机化合物 (Volatile Organic Compounds, VOCs) 是一类常见的污染物, 该类有机物大多具有毒性, 部分已被列为致癌物, 如氯乙烯、苯、多环芳烃等。而且由此导致的污染也最难处理, 其对环境、动植物的生长及人类健康造成很大的危害。因此, 近10年来许多发达国家都颁布了法令, 限制VOCs的排放。我国也在大气污染物综合排放标准 (GB16297-1996) 中规定了14类VOCs的最高允许排放浓度、最高允许排放速率和无组织排放限度值, 以将空气和水中的VOCs含量控制在一定的范围内。为了减少在工业生产过程中由水、氮气、空气或其它废气排放VOCs进入大气中, 减少有害气体对环境的污染, 以满足日益提高的环保要求, 同时也为回收、利用这些有价值的有机溶剂, 必须发展一种合适的技术来分离、回收这些有机溶剂。
2.1 工业废气中的VOCs的处理方法
工业废气中VOCs的分离方法通常可分为回收法和消除法两类:回收法包括吸附法 (主要指活性炭吸附法) 、冷凝法、吸收法、膜法等, 消除法主要包括生物处理以及焚烧法。
活性炭吸附法去除率高, 工艺成熟, 因而应用最为广泛, 但是由于该工艺要求进口废气中VOCs的浓度很低, 且脱附工艺和吸收剂的再生成本高。此外, 活性炭吸附法对于一些含氯和氟的化合物的分离效率很低, 而且易产生二次污染。因此, 活性炭吸附法多局限于分离出非极性、高挥发度的VOC。
冷凝法是通过将操作温度控制在VOC的沸点以下而将VOC冷凝下来, 从而达到回收VOC的目的。采用该法回收VOC, 要获得高的回收率, 系统需要较高的压力和较低的温度, 故常将冷凝系统与压缩系统结合使用, 设备费用和操作费用较高。适用于高沸点和高浓度VOC的回收。该法一般不单独使用, 常与其它方法 (如吸附、吸收、膜分离法等) 联合使用[9]。
生物处理法属于环境友好的处理方法, 但一般只能处理可被生物完全降解的有机物。焚烧法通常用于VOC质量分数高于5%的场合, 且不能回收利用VOC, 对环境污染严重。
在所有上述方法中, 采用膜分离技术处理废气中的VOCs, 具有分离效率高、过程简单、能量损耗低、VOCs回收率高、膜的使用寿命长等优点正日益受到国内外学术界和工业界的普遍重视, 在膜法回收过程中, 溶剂没经受高温或改变他们的化学结构, 便于VOC的重新利用。特别当VOC的浓度较高时, 可以考虑将蒸汽渗透与其它过程耦合来实现高效分离。近十年来, 随着膜材料和膜技术的进一步发展。国外已有许多成功应用的范例。常用的处理废气中VOCs的膜分离工艺包括:蒸汽渗透、气体膜分离和膜接触器等[10]。
2.2 脱除VOC的蒸汽渗透分离膜
蒸汽渗透工艺作为一种气相分离工艺, 其分离原理与渗透汽化工艺类似, 依靠材料对进料组分的选择性来达到分离的目的。由于没有高湿过程和相变发生, 因此VP比PV过程更有效、更节能, 同时, VOCs不会发生化学结构的变化, 便于回收在利用。而蒸汽渗透法作为适宜的回收VOC的技术, 其关键是开发具有高选择性、高渗透通量的分离膜。
硅橡胶膜作为一种优先透过有机物的膜材料, 得到了广泛的研究和开发。目前, 大多数研究VP法回收废气中的VOCs主要集中在VOCs优先透过的硅橡胶膜或类似的憎水膜材料上。Bao—Guo Wang等[11]研究了填充型丙烯酸盐聚合物膜蒸汽渗透法回收苯、甲苯、乙苯的渗透行为, 并且与GCLF—EOS模型的计算结果取得了较好的一致性。D.Bhaumik等[12]采用等离子体接枝聚氧烷活性层—聚丙烯中空纤维膜脱除废气中的甲醇、甲苯、丙酮以及氯仿。M.Leemann等[13]采用聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 中空纤维半渗透膜分离空气中的VOCs, 发现二甲苯、甲苯及丙烯酸等的通量是空气的100倍以上, 而涂有硅橡胶皮层的膜对VOCs的选择性却有所下降。X.Feng等[14]通过相转化法制得不对称的芳香族的聚醚亚酰胺 (PEI) 膜, 用于VOCs/N2混合体系的分离, 发现该膜对甲苯/N2和甲醇/N2体系具有很好的分离效果, 渗透选择性 (JV/JN) 分别达到1024.3和1147.1, 远远大于硅橡胶膜的渗透选择性 (分别为46.4和30.4) 。J.S.Cha[15]等人研究了等离子体聚合的硅橡胶中空纤维膜从氮气中脱除甲苯、甲酸、二氯甲烷和丙酮, 同时也比较了两种不同操作方式的分离效果, 证实在管内进料壳程抽真空比进料气体走壳程分离效果好, 这可能是由于孔缩合了VOC并且减少了渗透侧压降。研究结果表明:进料中50, 000ppmv甲醇在60cm3/min的流率下被脱至370ppmv同时VOC的脱除率为99.3%。
此外, Pinnau[16]等在研究中还发现, 超薄的无孔硅橡胶膜 (厚度约0.1~2μm) 对有机蒸汽具有很高的渗透能力, 而通常的有孔物质 (例如聚砜) 却引起很大的压降, 这种阻力降低了VOC的选择性, 因此, 在研究中采用较厚的硅橡胶涂层以便使透过硅橡胶层的渗透阻力成为控制阻力, 从而提高了分离系数, 不利因素是导致了VOC渗透流率的下降。
在脱除VOC的研究中, J.S.Cha[15]等利用从氮气/空气中脱除VOC比较了中空纤维膜的两种操作方式证实内压式比外压式的分离效率高的多。研究中还发现硅橡胶膜在等离子体聚合过程封堵住了多孔支撑层 (通常为聚砜[16], 或聚醚酰亚胺[17]) 的微孔, 因此, 当采用内压式操作时, 较高浓度的进料可能引起VOC在微孔处缩合, 这将减少氮气/空气流量而大为增加VOC—氮气/空气体系的选择性。
2.3 脱除VOCs的应用实例及发展趋势
近年来, 德国的GKSS公司、美国的MTR公司和日本的日东电工都成功地实现了采用膜技术回收废气中的VOCs的工业化生产, J Mc Callion开发出了膜分离与冷凝集成系统用于聚氯乙烯、聚乙烯及聚丙烯工艺的废气回收处理, 回收率可达90%~99%, 已经应用在Oklahoma市的Vista Chemical等厂家[10]。
目前, 蒸汽渗透法分离VOC技术主要受到以下方面的限制:缺乏专用性很强的膜材料;渗透通量低;对于蒸汽渗透过程的研究不够全面和深入;其它分离技术竞争性逐渐增强。
改善蒸汽渗透膜材料性能可以尝试以下三条途径:通过声光电磁 (如等离子体技术) 等物理手段和接枝共聚等化学方法对成膜高分子材料定向改性;向高分子材料中加入无机填充剂 (如沸石分子筛、碳分子筛等) [18];研制新型高分子膜材料。
膜制造水平的提高可以最终实现根据特定的分离要求设计恰当结构的膜, 实现过程的高效率。
3 蒸汽渗透用于有机混合物的分离
随着对渗透汽化膜分离技术的深入研究以及高渗透通量、高选择性的渗透汽化膜的研究开发, 尤其是有机-有机混合物的渗透汽化膜分离技术在石油化工领域中具有可替代许多高能耗精馏过程的膜技术, 或作为蒸馏装置的补充改革传统工艺而获得巨大的节能效果[19]。蒸汽渗透膜分离技术在有机混合物的分离方面也获得了巨大的发展。
蒸汽渗透已成功用于醇—水物系的气相分离, 并认为比渗透汽化法有更多的优点[4], 正是基于蒸汽渗透法的独特的优点, 很多研究者应用蒸汽渗透法分离有机混合物方面做了大量的研究工作:
刘桂香[20]等研制了聚丙烯腈膜和聚丙烯腈-硅橡胶复合膜, 结果表明具有明显的耐有机溶剂性能、良好的有机蒸汽分离性能和优良的化学稳定性和机械性能, 有机蒸汽脱除率可在83%~90%。吴庸烈[21]等采用磺化聚芳醚砜共混改性聚酰亚胺中空纤维膜, 对甲醇—甲基叔丁基醚气相混合体系的分离性能进行了研究。B.will[5]等报道了用聚乙烯醇复合膜分离正丙醇—甲醇体系。
一些研究者在应用蒸汽渗透法分离烯烃/烷烃方面做了大量的尝试:烯烃/烷烃分离在石油化工领域是一个重要的分离过程, 能耗很高。由于其沸点相差很小, 采用传统低温精馏在技术上很困难, 投资和操作费用都很高。因此, 寻找一种更经济的、安全的分离技术是一个重要的开发课题。膜法分离或浓缩气体混合物被期望在未来的石油化工领域扮演重要的作用。由于膜法降低资金投入、大大减少能量消耗, 并且气相膜分离过程无相变发生, 因此是一项有节能潜力的技术, 膜本身是相对简单而无害的材料, 具有环保优势。如果能找到一种适合的聚合物材料, 膜法分离丙烯—丙烷具有很好的前景。为此, Henley and Santos研究了聚乙烯膜, 但由于分离因数低无法进行商业应用。Ito and Hwang研究了纤维素聚合物和聚砜对于丙烯—丙烷混合物的分离, 发现乙基纤维素从饱和烃中分离烯烃有很好的效果。Ilinitch[22]等证实:亚苯基氧化物膜分离乙烯—乙烷和丙烯—丙烷体系具有高的选择性和渗透能力。LEE和Hwang[23]报道了有聚酰亚胺中空纤维膜分离丙烯—丙烷体系的高选择性。S.Sridhar和A.A.Khan[24]研究了乙基纤维素膜分离丙烯——丙烷体系的渗透性获得了回收丙烯的较好的前景。对于烯烃/烷烃分离聚合物膜材料的研究相对贫乏, 还需开展广泛的研究。
4 蒸汽渗透技术的研究与应用
利用蒸汽渗透膜技术分离有机溶剂/水混合蒸汽的研究日益受到关注, 日本已建成中试规模的工厂, 采用蒸汽渗透技术, 每小时可将380kg浓度为90% (wt) 的乙醇水溶液浓缩至99%以上, 与共沸精馏相比, 蒸汽消耗量减少三分之一[13], 德国建成的商业规模的蒸汽渗透工厂, 采用GFT膜, 设计日处理量为3万升, 乙醇浓度由94%的乙醇浓缩至99.9% (v) [25]。目前, 国内在天然气、压缩空气等工业气体脱除水蒸气方面也已取得的较大的进展, 如:大连化学物理研究所, 首次建立了天然气膜法脱湿的工业试验装置, 证明膜分离技术能够有效地脱除天然气中的水蒸气, 输气压力下净化气露点达到-8℃~-13℃, 甲烷回收率≥98%, 满足了工业应用要求[26]。特别是近十年来, 蒸汽渗透技术工业化步伐很快, 自从1989年9月第一套工业规模的蒸汽渗透装置[25], 到1994年, 共有38套工业装置在运行[27], 1998年已经达到了约100套[28], 目前据估计有约160套的工业装置在世界各地运行。与PV技术相比VP技术近几年来的研究和工业应用的速度明显加快, 随着对节能要求的增长和环境保护立法的严格, 必将越来越显示出这一“清洁工艺”的优势和竞争力。
蒸汽透平机的检修与渗透检测 篇2
关键词：蒸汽透平,渗透检测,检修
一、蒸汽透平机的发展史及其应用
1. 透平机
透平机 (turbine) 是将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的机器。虽然其结构型式多种多样, 但基本工作原理相似:透平最主要的部件是旋转元件 (转子或称叶轮) , 被安装在透平轴上, 具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中经过喷管时转换成动能, 流过转子时流体冲击叶片, 推动转子转动, 从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械, 输出机械功。
2. 蒸汽透平
蒸汽透平 (或称汽轮机) 是用蒸汽做功的旋转式原动机, 它将蒸汽的热能转变成透平转子旋转的机械能, 这一转变过程需要经过两次能量转换, 即蒸汽通过透平喷嘴 (静叶片) 时, 将蒸汽的热能转换成蒸汽高速流动的动能, 然后高速气流通过工作叶片时, 将蒸汽的动能转换成透平转子旋转的机械能。
二、渗透检测在现代机组检修中的应用
渗透检测 (PT) 是一种以毛细作用原理为基础的检查非多孔材料表面开口缺陷的无损检测方法。运用物理, 化学, 材料科学及工程学理论为基础, 对各种工程材料, 零部件和产品进行有效地检验, 借以评价他们的完整性, 连续性及安全可靠性。渗透检测可以检查金属和非金属工件表面的开口缺陷, 如裂纹, 疏松, 气孔, 夹渣, 冷隔, 折叠和氧化斑疤等。这些表面开口缺陷, 特别是细微的表面开口缺陷, 一般直接目视是难以发现的。此外, 渗透检测还有不受被检工件化学成分限制, 不受被检工件结构限制以及不受缺陷形状、尺寸和方向的限制。只需一次渗透检测, 即可同时检查开口于表面的所有缺陷。
1. 渗透检测在石油石化检修检验中的应用
渗透检测由于其应用的正确性和有效性, 现在在国内外各种企业, 尤其大型石油石化企业中的维护, 生产中扮演重要角色。特别是在各种静设备的机构, 内壁等检验检测;动设备的出厂检验与维护维修中应用广泛。
在动设备检修中, 由于其工件的工作强度性, 检修的时效性, 以及对被检工件的保护性要求较高, 故多采用渗透检测检查缺陷。
三、蒸汽透平机的检修与无损检测
由于蒸汽透平机的耐高温, 高压, 且连续运转能力强稳定性高, 负载强度大, 一般在石油石化企业里作为重要设备的驱动机使用。下面就将某厂某透平机HT101的检修及检验案例进行简单的分析。
1. 蒸汽透平运行中的问题
HT1011在运行之中一直存在汽封漏汽, 透平上下缸中缝面泄露蒸汽, 以及运行中存在转速波动的不稳定情况。
2. HT1011基本数据
3. 蒸汽透平的检修
(1) 透平
透平揭盖, 转子吊出清理, 叶片进行着色探伤 (以下做详细介绍) , 做动平衡, 更换汽封。对新汽封进行研磨定位。
(2) 轴承
(1) 检查轴颈轴承、推力轴承, 无超标磨损、裂纹。 (2) 检查测量主轴承、推力轴承间隙。
(3) 检查测量主轴承瓦块、推力瓦块、径向瓦块厚度。 (4) 对轴承座、瓦块进行着色探伤。
(5) 清理轴承箱, 无渗漏现象。
(3) 调速系统
(1) 清洗并检查调速系统所有部件 (包括危保装置) 的磨损情况。
(2) 检查主汽阀、调速阀和抽汽阀的杂质积聚情况并作清洗。
(3) 检查检查主汽阀、调节阀、抽汽阀的阀芯、阀杆、阀座的配合情况, 检查阀芯和阀座表面有无内外界杂质造成的划痕、磨损、腐蚀或裂纹。
(4) 调速系统进行静特性试验及调整。
(4) 车头箱
检查传动机构的磨损情况, 测量间隙。调速器送出调校。
(5) 透平壳体
拆除透平上下壳体, 拆除壳体上轴承箱, 对上下壳体单独进行中缝面研磨匹配试验, 消除缝隙。
(6) 系统各种泄漏点消漏。
(7) 检修完毕后壳体复位重新保温, 与机体相连的管线、法兰等完善保温。
(8) 检修报告记录如图2, 表1.
4. 蒸汽透平的无损检验检测
蒸汽透平由于其转子一直处于高温高转速状态下运行, 其要求强度较大, 而且在运行中存在转速波动情况, 所以需要对易产生缺陷部位作无损检测, 由于其缺陷部位多在表面及近表面, 所以采用着色渗透检测。
(1) 检测部位的选择
透平转子的结构是由转转子与翅片结合而成, 所以着色部位选在轴与翅片结合部。以及易损的轴承轴径等部位
(2) 渗透检测
渗透前对转子进行清洗, 达到渗透检测先行条件。渗透检测操作时应保持线性方案,
使用着色渗透剂, 分段进行, 喷涂要均匀, 并在整个渗透时间内保持渗透剂全部覆盖被检表面, 并保持湿润状态。
采用清洗剂清洗, 严禁用清洗剂直接喷涂到被检工件表面上, 即防止过清洗, 一般先用干净不脱毛的布依次擦拭, 直至大部分多余渗透剂被清除后, 再用蘸有少量清洗剂的干净不脱毛的布进行擦拭, 直至将被检表面上多余的渗透剂全部擦净。
喷施显像剂时, 喷嘴离被检面距离为300mm, 喷洒方向与被检面夹角为30°。显像剂涂层应薄且均匀。
观察显示痕迹应在显像剂施加后5~60分钟内进行;着色渗透检测时, 观察应在被检表面可见光照度大于10001x条件下进行, 当发现显示痕迹时, 必须确定痕迹是真缺陷还是假缺陷, 必要时应用5~10倍放大镜进行观察或进行复验。检验结果如图3。
检测结束后, 为防止残留的显像剂腐蚀被检工件表面或影响其使用, 应清除残余显像剂, 清除方法可用布或纸擦除等方式。
(3) 经无损渗透检测, 未见转子明显缺陷, 因此排除了转子缺陷而造成的机组转速波动。经研究决定采取调校调速器, 转子做动平衡消除不平衡量的处理。
3.蒸汽透平的试车验收
a各零部件尺寸及间隙要求等数据与检修记录完善。
b各零部件按所附检修记录表上的数据进行测量检修和调整, 并认真填写记录。
c做好试车前的准备工作, 并做好开车方案。
d按照单机试车升速曲线规定启动, 达到额定转速后, 进行超速跳闸试验。
e机组经过联机试运及带负荷试车72小时。结论
通过对蒸汽透平机的研究制定方案, 对某厂蒸汽透平的运行存在问题进行分析, 在检修中使用汽封更换定位, 大盖研磨等方法消除漏汽, 无损渗透检测转子轴瓦, 排除其缺陷可能, 改做动平衡测试并回装, 使机组顺利开车并消除故障。
参考文献
[1]黄树红汽轮机原理[M].中国电力出版社.2006年.
蒸汽驱智能调控技术 篇3
1 技术思路
1.1 设计思路
提高抽油机井生产系统效率和管理水平的关键, 就是确保供采关系协调, 即机采参数与地层供液能力相匹配, 以达到最优的泵效及系统效率。通过监测油井供液能力相关参数, 动态调整抽油机的机采参数是智能采油的核心思想。
通过对比, 选择井底流压作为控制依据, 而流压主要由套压及沉没度对应的压强构成, 起到主要影响的就是沉没度, 该参数由油井动液面确定;油井泵效取决于抽油机的冲程、冲次等参数, 但其关键参数为冲次。则动液面和冲次这两个关键参数之间存在着一定的逻辑关系, 这就是智能调控的主要方向。
1.2 关键技术
智能调控技术的关键控制参数为沉没度与油井冲次, 这两个关键参数对应着两个关键技术, 即动液面自动测试技术和油井冲次模糊控制技术。
1.2.1 动液面自动测试技术
智能采油的关键参数是动液面, 动液面反应油井地层供液能力, 其准确程度直接决定了智能采油能否成功应用。常规测试液面技术为回声法, 按声速确定方式分为音标法和节箍法, 按声源分为声弹、高压氮气、无声弹测试技术等。稠油开发中, 动液面波动大, 且油套环空内的介质组成复杂, 温度、含水、组成随周期变化, 因此很难测准。在环套空间内存在的气液混合带会反射声波造成虚假液面, 即俗称的泡沫层[1]。
智能采油系统以音标法为基础, 采用亚声波作为回波信号, 亚声波频率小于20Hz, 在油套环形空间内传播距离远, 能量消失的慢, 测出率和自动识别率高。相比传统的测试动液面设备, 该设备不需要自带氮气瓶, 采用两种方式发声:高套压下回收套管气发声, 在低套压下使用打气泵将套管气打入井中产生亚声波声源, 从而杜绝高压氮气瓶在无人值守的情况下出现的安全隐患, 实现连续自动测试动液面。
1.2.2 模糊控制技术
模糊控制是近年新兴的一种先进控制方式, 所谓模糊控制, 就是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的知识来模拟人的模糊思维方法, 用计算机实现与操作者相同的控制。
蒸汽驱智能调控技术通过模糊控制算法计算频率, 首先由回声仪器测出当前动液面的值, 并将当前动液面与目标动液面的差异和差异变化转换成为适于模糊运算的模糊量, 然后将这些量在模糊控制器中加以运算, 最后采用重心法再将运算结果中的模糊量转换为精确量, 将得到的结果结合调节步长等参数计算获得最后的调节频率, 从而控制抽油机冲次。
蒸汽驱智能调控技术所运用的模糊控制技术, 不仅具有控制抗干扰能力强, 响应速度快, 对系统参数的变化有较强的鲁棒性的特点。而且具有闭环控制的特点, 即输出端通过“旁链”方式回馈到输入端, 并参与对输出端再控制的特性。
智能调控技术在调控过程中, 不仅能够实现数据的传输、记录、实时调控等功能, 而且该系统具有温度保护智能调控功能, 能够在超温的情况下自动降低冲次, 使生产井温度始终保持在安全温度之内, 防止井喷的发生。在对抽油机进行控制保护的过程中, 如果达到报警条件, 系统能够实现自动报警, 自动调节, 保证生产, 维持抽油机正常运行。
2 现场应用及效果分析
为验证数字化采油智能控制系统在蒸汽驱开发中的作用, 在原来试验的基础上, 2015年8月在蒸汽驱内优选3口井作为试验井进行试验。为便于分析, 所选择的3口试验井均选择在先导试验区的杜32-50-K34井组。3口试验井分别为杜32-48-34、杜32-49-35、杜32-51-K33。试验要求三口井在满足供采能力匹配的同时, 不能超过设计温度, 避免闪蒸防止汽窜。
杜32-48-34井油层中深989.55m, 泵深945.9m, 8月4日开始对该井采取智能调控, 连续试验8d, 该井设计降低冲次提高泵效, 实施智能调控后油井冲次由4.8次/min下降到3.9次/min, 油井日产液、含水、井口温度保持平稳, 泵效由实施前的71.7%提高到85.1%, 吨液耗电由5.0k W·h/t下降到4.4k W·h, 效果较好。
3 效益分析
蒸汽驱智能调控技术的目标是为了提高抽油机井生产系统效率和管理水平, 该系统经试验按照设计液面, 能够实现自动调整冲次, 达到稳定井底流压, 提高泵效, 减少电能消耗的目的。
参考文献
蒸汽锅炉余热综合改造技术 篇4
关键词：回收,锅炉,余热,节约,能源
一般工业用天然气锅炉房都由给水系统、燃烧系统、排污系统组成[1]。其中给水系统主要有水处理设备、软水箱、除氧器、给水泵组成;燃烧系统一般由燃烧机、燃烧室及尾部烟道、烟囱组成;排污系统主要由定期排污和连续排污两部分组成[2]。在以上各个组成中, 或多或少都有热量的损失存在, 如果能将以上各个环节的热量损失降低到最低限度或者有效回收利用好各种损失的热量, 锅炉系统的热效率必将得到有效的提高[3]。
1 锅炉各部分的热量损失情况分析
1.1 燃烧系统
燃烧系统的热损失主要来源于锅炉排烟热损失。根据不同的烟气温度和烟气量, 一般这部分热损失约占锅炉输入热量的4%～15%。其主要原因有:一是过剩空气系数不合适, 如过剩空气系数太小则导致不完全燃烧, 如过剩空气系数过大则增加烟气流量;二是锅炉受热面积灰和积垢。锅炉受热面积灰或积垢将在换热面上产生很大的热阻, 特别是水垢的导热性差, 严重阻碍传热, 燃料燃烧产生的热量不能迅速传递到炉水中, 大量的热量被炉烟带走, 造成排烟温度升高, 燃料大量浪费, 增加运行成本。锅炉工作压力越高, 水垢的导热率越低, 水垢越厚, 燃料浪费越大。三是锅炉尾气的排烟温度过高。锅炉尾气的排烟温度与锅炉压力、燃烧状况等因素有关。
1.2 给水系统
给水系统的热损失主要发生在热力除氧器。为了防止锅炉运行中因水中氧气给锅炉造成氧腐蚀, 确保锅炉安全运行, 国家低压锅炉水质标准 (GB1576-2001) 规定, 锅炉给水必须进行除氧, 而我国目前较多的都是采用的热力除氧方式, 而热力除氧方式要使水质达到国家必须使水温升到102℃～104℃。这样在除氧器的排气口就的乏汽排放就形成了能源浪费。
1.3 排污系统
锅炉排污系统分为定期排污和连续排污两项, 其中连续排污造成的热损失约占全部排污热损失的90%以上。
2 改造措施
2.1 除氧器排放的乏汽进行回收利用
采用管道将排放口的乏汽接入到除氧器前端的软水箱中, 加装一个蒸汽喷射器。利用乏汽来加热软水箱中的水, 从而提高其除氧器给水的水温, 减少除氧器的蒸汽消耗。在改造后软水箱的水温由20℃提高到近40℃, 这一项改造可节约天然气7.2万立方米。因此, 可节约能源费用近13万元。图1是改造后的示意图。通过这样的改造, 可以将这部分具有低位热能的蒸汽有效回收利用, 同时又能排去从水中逸出的气体, 不仅可以减少对环境的热污染还能为企业带来可观的经济效益。
2.2 以回收利用排烟中的余热
目前降低锅炉排烟热损失的主要措施是加装换热器, 以回收利用排烟中的余热, 降低排烟温度。加装管式换热器可将排烟温度降低, 如我厂采用管式换热器, 管内的水是由除氧器进锅炉的水, 进水水温在100℃左右, 排烟温度由换热器前的210℃降低到后端的185℃左右, 如果将换热器由管式换热器改为超导热换热管, 同时将进水改为水处理设备的出水, 节能器进水的水温降低到了20℃左右, 这样就可以将锅炉尾烟的温度降低到100℃以下, 如图2所示。通过这样的改造, 将排烟温度降低到足够低的水平, 冷凝回收利用水蒸汽的汽化潜热, 燃料的利用率大大提高, 对企业节约能源、提高经济效益具有重要意义。
3 改造效果
表1为2007年各月份单位蒸汽耗天然气统计表, 通过以上数据统计, 我们可以看出2007年锅炉系统吨汽耗气为94.39 m3/t, 与国内先进企业的锅炉指标还有一定差距。蒸汽锅炉余热综合改造技术改造后, 统计了 2008年7月至12月的工作情况, 随着余热锅炉系统投入运行, 余热锅炉运行工况一直保持良好且稳定。
通过表1和表2的数据可以分析得到, 在改进设备后的6个月的时间对锅炉给水的水质进行了观察和检测, 最后发现每吨蒸汽耗天然气的量基本稳定在了88.37 m3/t左右, 比改造前降低了6.02 m3/t, 蒸汽锅炉系统的热效率得到明显的提高, 因此, 通过本次蒸汽锅炉余热综合改造, 达到了预期的改造目的, 实现资源综合利用, 节能降耗。
4 小 结
从锅炉房内的给水系统、燃烧系统及排污系统对造成锅炉系统热损失的情况进行了详细分析, 并针对不同的热损失情况制定了具体的措施。锅炉系统的节能还包括很多方面和内容, 如提高蒸汽品质、合理安装管道、蒸汽冷凝水的回收利用等, 这都值得深入的研究。
节能降耗, 意义重大, 除了有显著的经济效益外, 社会效益也很显著。而于企业的角度来看, 减少能耗也必将提高经济效益, 增强竞争力。
参考文献
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小型燃煤蒸汽锅炉节能技术分析 篇5
我国工业锅炉拥有量为五六十万台,其中70%是蒸汽锅炉, 其余是热水锅炉。2006年全国煤炭产量为23.3亿吨,锅炉用煤达到19亿吨,其中火力发电锅炉用煤13亿吨,工业锅炉用煤6亿吨,锅炉用煤占煤炭总产量的81%。电站锅炉热效率普遍较高,目前我国超临界机组锅炉热效率一般为90%以上,已达到世界同类型机组先进水平;工业锅炉热效率普遍较低,据抽样调查,我国燃煤工业锅炉的平均实际热效率仅为68.7%,而工业国家平均水平为80%以上,仅此一项,每年浪费原煤近1亿吨。
在用的工业锅炉以燃煤居多,由于种种原因, 如结构设计不合理, 制造质量不良, 辅机配套不协调, 可用的煤种与设计的煤种不符, 运行操作不当等, 都会造成锅炉出力不足、热效率低下和输出参数不合格等问题, 结果是能源消耗量过大, 甚至不能满足生产要求。以上问题比较普遍,所以节能潜力很大。故针对小型燃煤蒸汽工业锅炉的节能检测,节能分析及节能技术改造势在必行。
1 节能背景
近期国家在节能方面出台或修订了很多法规,如新修订《节能法 》第十六条明确指出对高耗能的特种设备,按照国务院的规定实行节能审查和监管。《国务院关于修改〈特种设备安全监察条例〉的决定》(简称《新条例》)已经2009年1月14日国务院第46次常务会议通过,自2009年5月1日起施行。 《新条例》第十二条:锅炉、压力容器中的气瓶(以下简称气瓶)、氧舱和客运索道、大型游乐设施以及高耗能特种设备的设计文件,应当经国务院特种设备安全监督管理部门核准的检验检测机构鉴定,方可用于制造。 《新条例》第十三条:按照安全技术规范的要求,应当进行型式试验的特种设备产品、部件或者试制特种设备新产品、新部件、新材料,必须进行型式试验和能效测试。 国家质监总局116号令《高耗能特种设备节能监督管理办法》 于2009年9月1日起施行。
2 锅炉选型与燃烧方式[5,6]
2.1 从节能角度分析锅炉的选型及旧锅炉的淘汰和替换
从节能角度出发,锅炉选型时应注意以下问题:
(1)通过合理的计算确定锅炉容量,还可绘制负荷曲线图进行分析。
(2)确定锅炉型号及台数,尽量使锅炉在高效经济条件下运行。
旧锅炉更新改造是用新锅炉替换旧锅炉,包括用新型节能型锅炉替换旧型锅炉;用大型锅炉替换小型锅炉;用高参数锅炉替换低参数锅炉;用适当台数大容量循环流化床锅炉替换多台小容量层燃锅炉等。
2.2 集中供热节能和热电联产节能
从节约能源消耗、提高能源转换利用效率的角度看,工业锅炉用户区应实行集中供热的方式,从而提高锅炉的容量和参数,提高锅炉运行的自动化程度,节约能源消耗。在用户比较集中的区域,把分散的、旧式小型工业锅炉替换下来,改用效率高、机械化程度较好的中等容量锅炉,可以有效地减少城市环境污染、能源消耗,使能源利用效率大大提高。
2.3 燃烧煤种与燃烧方式的匹配和炉拱改造节能分析
锅炉不是通用产品,它的效率和燃用什么样的燃料和采用什么燃烧方式有关,若锅炉炉型与燃用煤种不符, 就会出现燃烧不完全、燃料结焦严重等问题, 造成锅炉出力严重不足、热效率低、能源浪费大。例如手烧炉,由于存在热力(通风)的周期性,它不宜燃用高挥发分烟煤,否则,它的燃烧效率是很低的。对链条炉,其燃料着火性能较差,应充分利用炉拱和高温烟气的热辐射来助燃点火,应该做好分段送风。在链条炉中使用二次风有利于强化燃烧、降低化学不完全燃烧损失和消烟除尘,是节能行之有效的措施。
炉拱改造也可以产生节能效果。链条炉排锅炉的炉拱是按设计煤种配置的, 有不少锅炉不能燃用设计煤种, 导致燃烧状况不佳, 直接影响锅炉的热效率, 甚至影响锅炉出力。按照实际使用的煤种, 适当改变炉拱的形状与位置, 可以改善燃烧状况, 提高燃烧效率, 减少燃煤消耗。现在已有适用多种煤种的炉拱配置技术,这项改造可获得10%左右的节能效果。
3 锅炉硬件设备[7]
3.1 锅炉保温堵漏
由于锅炉炉墙、汽水热力管道系统的温度总是比周围的温度高,所以炉墙和汽水管道系统的部分热量要通过辐射和对流方式散发到周围空气中,造成锅炉的散热损失,造成锅炉热效率下降。因此, 应采用先进的保温材料,加强保温,减少热损失,提高锅炉热效率。
小型燃煤蒸汽锅炉炉膛和尾部漏风现象很普遍。漏风即使烟气量增加,还使炉膛温度降低,对燃烧影响很大。因此,一旦发现漏风,要尽快设法堵漏。另外锅炉房内热力管道及法兰、阀门填料处蒸汽和热水的“跑、冒、滴、漏”现象普遍存在,这使锅炉有效利用热量减少,补充水量增加,降低锅炉的热效率。因此,要及时维修,减少热损失。
3.2 水处理节能
使用离子交换器,降低水的硬度,减少或者阻止结垢,可提高锅炉热效率。一般锅炉给水中含有大量的溶解气体和盐类,如果给水未经处理或处理不当,会造成锅炉受热面腐蚀和结垢现象。锅炉受热面结水垢时,受热面热阻增大,传热性能变差,燃料燃烧所放出的热量不能迅速地传递到炉水中。在这种情况,为了保持锅炉的额定参数,就必须更多地投加燃料,提高炉膛和烟气温度,因此,造成能源的浪费。水垢的导热系数很小,约为钢板导热系数的1/30~1/50。经测定,锅炉受热面结1 mm水垢,燃料消耗要增加8%~10%。
3.3 选用合适的给水泵及鼓、引风机
给水泵是锅炉房的主要耗能设备,选用合适的给水泵可以提高锅炉净效率。现有的小型蒸汽锅炉多为卧式快装锅炉,多数锅炉出力很难达到额定出力,而且用户在选用给水泵时已经考虑了安全系数,导致大马拉小车的状况,因此应按实际运行压力选型。锅炉给水泵选用原则:
(1)小型蒸汽锅炉给水泵应以“效率”为选择原则。用CR型多级离心泵替代原有的GC、DG型,可以节能50%以上。
(2)小型蒸汽锅炉给水泵选用时可不考虑安全系数,按照锅炉吨位直接选择相应的水泵。
(3)小型蒸汽锅炉给水泵扬程应按实际运行压力选取,其扬程为:最高使用压力+ ( 0.2~0.3)MPa 。
(4)锅炉给水泵变频节电效果不明显,在考虑给水泵节电时应优先考虑高效水泵。除非水泵扬程富裕过大,可考虑变频调速节电。
锅炉的鼓、引风机也是锅炉房的主要耗能设备,约占锅炉房耗电量的60%~80%。因此,研究鼓、引风机的节能方法是提高锅炉净效率的关键。近10年来,国内电泵制造业已陆续生产出一些高效节能型锅炉鼓、引风机。耗能大的鼓、引风机应通过各种途径予以改造,以提高其效率。
3.4 锅炉供热系统采用蓄热器
蒸汽蓄热器是一种蒸汽热能储存装置, 具有均衡供汽、调节尖峰负荷的作用。用于负荷波动的供气系统, 可使得锅炉负荷稳定; 用于余热利用系统, 能有效地回收热能。常用的蒸汽蓄热器是一种变压式蓄热器, 可借助工作压力变化进行蓄热和放热。使用变压式蒸汽蓄热器的必要条件是: 工艺设备的用汽负荷是波动的,日负荷曲线变化频繁和剧烈; 部分用户的用汽压力必须小于汽源(锅炉) 的工作压力, 低压蒸汽消耗量必须大于或等于最大用汽负荷与锅炉房额定蒸发量之差。蒸汽蓄热器是一种行之有效的节能设备, 合理使用蒸汽蓄热器后, 一般能节约燃料3%~20%。1台6蒸吨带蓄热器锅炉,年可节煤200 t,年减排CO2345 t, 寿命期内可减排CO2约5 000 t。
4 锅炉运行管理
4.1 锅炉按额定负荷运行
锅炉超负荷运行时,燃煤量增大,锅炉煤层加厚,炉排速度加快,才能满足负荷增大的需要。煤层加厚和炉排速度加快使机械不完全燃烧损失加大,燃煤量增加使炉内温度升高、排烟温度增加、排烟损失加大。锅炉负荷降低运行时,燃煤量减少,炉内温度降低,使燃烧工况变差、化学不完全燃烧损失加大。因此,应使锅炉按额定负荷运行以获得最经济工况。
4.2 强化受热面,减少结垢,清除积灰
在正常情况下,锅炉受热面不结水垢,不积灰,其传热情况较好。结水垢或积灰后,传热量显著下降,如需保持同样的传热量,则必须增加燃料量,就要浪费能源,且此时热阻增加,壁温将升高。因此,为了节约能源和保证锅炉安全运行,必须保证受热面不结垢不积灰,这就要求锅炉给水应按标准处理,大型锅炉必须安装吹灰器,锅炉运行时必须吹灰。锅炉结垢不但浪费燃料(水垢1.5 mm时,燃料量增加6%;5 mm时燃料量增加15%;8 mm时则增加34%) ,使金属过热,还会引起水循环破坏,腐蚀,化学清洗浪费人力物力,缩短锅炉寿命等一系列恶果,应尽量做到无垢或薄垢运行,才能实现节省能源。
同样积灰对锅炉热效率的影响是很明显的。灰垢导热系数为水垢导热系数的1/15,为钢板的1/450~1/750,因此及时而有效地清除锅炉受热面的积灰,可有效提高锅炉热效率。
4.3 排除堵灰
小型燃煤蒸汽锅炉中最容易发生堵灰的地方是锅炉管束的下部和空气预热器。锅炉管束因为在运行中沉积大量的飞灰,如果不及时将积灰排放掉, 积灰就会将一部分管子堵塞,烟道流通截面就减小, 使烟气局部阻力增大, 受热面积减少。堵灰使锅炉烟气侧的阻力和引风机的电耗增大, 减少了锅炉管束的受热面积, 使排烟温度升高, 锅炉热效率降低,严重时会限制锅炉的出力。
4.4 降低排污热损失
降低锅炉排污热损失的途径有两条:一是锅炉给水处理,对给水进行脱碱去盐处理,使锅炉排污量减少。二是对排污水进行回收和利用,如设置定期排污膨胀器或连续排污膨胀器,二次蒸汽用来加热除氧器给水,高温排污水通过换热器预热给水。
4.5 排烟温度控制
排烟热损失是锅炉的主要热损失之一,可以达到10%~20%。排烟热损失主要取决于排烟温度和过量空气系数的大小。在锅炉运行中为了减少排烟热损失,应在满足燃烧反应需要的前提下尽量保持较低的空气系数,应尽可能避免燃料室及各部分烟道的漏风,以降低排烟热损失。排烟温度也不是越低越好,因为太低的排烟温度势必要增加锅炉尾部受热面,这是不经济的;同时还会增加通风阻力,增加引风机的电耗;此外过低的排烟温度若低于烟气露点以下,将会引起受热面的腐蚀,危及锅炉的安全运行。合理的排烟温度应根据排烟热损失和尾部受热面的金属耗量与烟气露点等进行技术经济核算来确定。
造成锅炉排烟温度升高除没有装设尾部受热面以外,还受烟气短路、受热面积灰与结垢、运行负荷等因素的影响。定期检查锅炉炉膛及水冷壁以及空气预热器和省煤器的运行状况,及时对锅炉吹灰、清除烟垢,以及采取其它一些有效的措施,保持受热面清洁,最大限度地提高传热效率,充分吸收利用炉膛中燃煤的热量,从而降低了排烟温度,提高锅炉的使用寿命和运行效率。
4.6 过量空气系数控制
过量空气系数是一项重要指标,国家工业锅炉节能监测标准严格规定了锅炉运行中过量空气系数的合格指标,并作为锅炉经济运行的关键指标之一进行监控。从杭州地区近400台中小型工业锅炉的热平衡测试资料统计表明,有近三分之一的锅炉过量空气系数大都在2~4范围内。当过量空气系数过大时,会造成燃煤与空气混合不均匀,有的区域出现空气不足,另外区域又严重过剩,致使炉膛温度降低,排烟量增大,带出热量增加,也就是排烟热损失增加。最好的做法是在尽可能保证燃料得到充足的氧气而保证完全燃烧的前提下,过量空气系数越低则燃烧越经济。
过量空气系数的控制主要是平常锅炉运行和保养时对漏风和串风进行防范,例如防止炉排下部的风室隔断不严,各风室互相串风,防止锅炉烟气系统的漏风、锅炉本体的漏风及炉墙漏风,重视锅炉燃烧调整操作技术,使风量配置适当等。
5 结束语
挖掘节能潜力有两个方面:一是直接节能。如提高能源利用率、降低产品单耗、加强能源科学管理,从而直接减少能源消耗量。二是间接节能。如降低原材料消耗、提高产品质量、延长设备使用寿命及调整经济结构,间接引起能源消耗量减少。从以上分析可以看出,除了设计制造节能的新型锅炉外,操作和管理也是重要的节能步骤。因此只要真正重视能源的节约和合理利用,采取各种有效措施,就可不断地提高工业锅炉的能源利用率,使有限的能源发挥更大的作用。
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水淹水平井蒸汽吞吐开采技术 篇6
许多油藏利用水平井来有效开发一些倾斜平行储层 (图1) 。水平井出现水淹时, 通常将水平段封堵并在直井段重新射孔生产, 该做法不仅使水平井失去其自身优势, 而且在储层无连通情况下, 仅能开采直井段穿透层位, 如图1b所示, 封堵油水界面以下层位后, 仅左面的两个储层可继续开采。水平段上部剩余油 (阁楼油) 量往往不能满足该区钻新井的经济性要求, 因此, 如何经济有效地开采阁楼油成为一项极具挑战性的工作。当直井含水达某一程度时, 通常利用蒸汽吞吐技术来开采阁楼油。本文研究该技术在水平井中应用的可行性及影响因素。
蒸汽吞吐过程中, 油井既是注入井又是生产井。蒸汽吞吐是一种循环注气方法, 每周期包括3个阶段:①注气 (吞) ;②关井 (气体扩散上移并形成气顶) ;③开井恢复生产 (吐) 。关井期间, 气体上移而迫使原油流向井筒, 这是由重力引起的对流过程, 该过程中重质相油下流, 轻质相气上移。两相的位置交换导致油层底部湿相饱和度增加 (吸入) , 顶部湿相饱和度减小 (驱替) (Li等, 2005, 2006) 。该体系中, 相对渗透率和毛管压力均表现为滞后, 这些对流特性加大了蒸汽吞吐开采阁楼油油藏模拟的难度, 尤其在模拟过程中要使用相对渗透率和毛管压力曲线来调节驱替与吸入两种流动机制共存的情况。
许多研究人员通过油藏模拟及矿场试验对蒸汽吞吐技术进行研究, 但很少有人考虑对流过程中相对渗透率和毛管压力滞后。Wehner和Prieditis (1996) 通过增大相对渗透率来近似相对渗透率滞后, 还人为地增大油-气毛管压力至较高水平来近似关井期间的对流扩散。Denoyelle和Lemonnier (1987) 在研究中考虑了相对渗透率滞后但忽略了毛管压力滞后。Li等 (2005) 、Karpyn等 (2006) 和Li等 (2006) 利用“饱和历史相关模拟”方法并充分考虑相对渗透率和毛管压力滞后来模拟对流过程, 所用实验资料源于Briggs和Katz (1966) 、Barbu等 (1999) 及Karpyn (2001) 。
现场研究中往往忽略毛管压力, 一方面, 多数情况下饱和度分布区域较窄并处于毛管压力曲线平缓部位, 使毛管压力梯度很小并几乎对流体流动无影响。但在对流过程中, 体系饱和度分布区域较宽, 毛管压力梯度未必很小, 而且由于毛管压力滞后, 油藏某些区域遵循毛管压力扫描曲线, 该曲线与常规油藏研究中用到的驱替和吸入曲线相比具有较大的压力梯度;另一方面, 过渡带厚度通常比油藏含油厚度小得多。但当开采阁楼油时由于油藏含油厚度较小, 因此毛管压力不能忽略。Li等 (2005, 2006) 采用50～800 mm不同压力进行的实验模拟表明, 毛管压力及其滞后对对流过程有重要影响。
2 理论油藏
为简化问题, 用单层倾斜油藏 (图2) 代替多油层油藏 (图1) 研究。油藏只钻1口水平井, 该井用于注气和采油, 整个油藏由20×10×10个网格块组成, 生产井位于网格块 (6, 5) , 直井段穿透上部5个层, 水平段贯穿6～15层 (图2) 。图2a表明原始油水界面位于水平段下方, 经过一段时间生产, 油水界面升至水平段上方, 油井生产表现为高含水。图2b是油井注气关井后、恢复生产 (吐) 前的构型, 储层及流体性质如表1所示。
油藏的水层模型由油藏下部一些网格块构成, 并与分析水层模型 (Eclipse中Carter-Tracy选项) 连接。有关水层特性见表2。
假定油藏原油为死油, 且注气前只有流动油和水, 油水、油气相对渗透率曲线如图3、图4所示。本文中, 水在油水体系中为湿相, 油在油气体系中为湿相。图中, 黑线和红线分别为驱替和吸入过程的相对渗透率曲线, 认为湿相吸入过程的相对渗透率大于驱替过程的数值, 但对于非湿相相对渗透率还没有一致的看法:一些研究者认为, 非湿相驱替过程的相对渗透率大于吸入过程的数值, 而一些研究者则持相反观点。本文中认为非湿相驱替过程的相对渗透率大于吸入过程的数值。吸入和驱替过程的毛管压力曲线如图5所示, 本文中的扫描曲线均利用Eclipse模拟软件中的Killough模型 (Killough 1976) 生成。
单井生产是指油井既是生产井又是注入井。油藏开采包括4个阶段:①油井生产至含水达某一水平, 本例中油井以800 STB/d的产液速度连续生产3年;②将油井改造成注入井并将定量气注入油藏;③关井使气体扩散上移;④油井恢复生产。本例中油井将以800 STB/d的产液速度连续生产2年。在经济可行条件下, 步骤2～4可重复操作。
3 参数研究
对于蒸汽吞吐的每个周期, 注气量和关井时间是关键参数。如果注气量不足, 油水界面就不会被推移至水平段以下, 则不会进一步经济有效地开采原油;如果注气量过多, 原油可被顶替至原始油水界面以下, 由于该区最初不含油, 导致被顶替至该区的原油部分将以残油形式残留在油藏中得不到开采。关井时间控制油气离析过程及新油水界面产生时间。因此, 对于某一特定油藏, 形成一些吞吐操作准则是很重要的, 本文进行参数研究以达到这一目的。
参数研究中引入IOP作为不同情况下的标准, IOP表示每体积注入气引起的增产油量 (STB/Mscf) , 定义为:
式中 Np0__不注气累积产油量 (STB) , 为基础方案;
Np__注气生产累积产油量 (STB) ;
ΔNp__注气引起累积产油量增量 (STB) ;
Ginj__总注气体积 (Mscf) 。
通常, IOP越大, 吞吐效果越好。
为了进行参数研究, 通过改变蒸汽吞吐操作参数 (如注入速度、注入时间和关井时间) 对不同情况下IOP数值进行比较。
4 结果与讨论
Li等 (2005, 2006) 模拟研究表明, 滞后会引起不同程度且不可忽视的影响。首先研究蒸汽吞吐过程中滞后对油藏规模预测的影响。油井工作表如下:以800 STB/d的产液速度生产3年, 之后油井改造成注入井并以400 Mscf/d的速度连续注气10天, 关井60天后以相同的产液速度生产2年, 油井经历2个吞吐周期。不同情况下累积产油量如图6所示, 其中约1 100天和1 500天两水平段为蒸汽吞吐关井阶段, 红线为相对渗透率和毛管压力均采用驱替曲线时累积产油量预测值, 蓝线为相对渗透率和毛管压力均采用吸入曲线时累积产油量预测值, 两种情况在模拟中都忽略了滞后, 黑线为考虑相对渗透率和毛管压力滞后的预测结果, 很明显, 前两者的累积产油量预测值均偏高。
以考虑滞后的预测结果为基准 (表3) , 计算采用驱替曲线的预测值偏高百分数:
式中, Nhyst表示考虑相对渗透率和毛管压力滞后的累积产油量, Ndrain表示相对渗透率和毛管压力均采用驱替曲线时的累积产油量, ΔN为两者累积产油量之差。该研究表明, 采用吸入曲线得到的预测结果更接近于考虑滞后得到的预测结果, 这说明由注水 (吸入) 实验得到的相对渗透率曲线可给出更加贴切的预测。但毛管压力曲线往往由驱替过程得到, 这就可能引起错误预测。
图7为蒸汽吞吐一周期后生产过程中水平井下部一网格块内毛管压力扫描曲线。注气时, 气体将原油向下推移, 在水平段下部, 原油侵入水区并使该区含水饱和度降低, 该过程为驱替过程, 毛管压力曲线表现为驱替曲线 (AOB) 。关井末期, 该网格块内含水饱和度约30%, 随后开井生产, 此时毛管压力曲线表现为吸入扫描曲线 (OC) , 此扫描曲线起始于含水饱和度30%处 (驱替过程中含水饱和度至30%后不再变化) , 并最终逐渐逼近吸入曲线。每个网格块都有这样一条取决于关井末期含水饱和度的扫描曲线。对于油气体系, 每个含气网格块同样有一条毛管压力扫描曲线。
图8表示油水体系中同一网格块内相对渗透率曲线, 粉红线为扫描曲线, 红线和黑线分别为吸入和驱替曲线, 水和油相对渗透率扫描曲线均开始于含水饱和度30%处并最终逐渐逼近吸入曲线。对于油气体系, 每个含气网格块同样有一对相对渗透率扫描曲线。每个网格块都会根据饱和历史生成某一相的相对渗透率和毛管压力扫描曲线并作为模拟输入。本文在模拟过程中, 利用Eclipse中Killough选项自动生成扫描曲线。
为了说明蒸汽吞吐效果, 对蒸汽吞吐与基础方案 (不采取蒸汽吞吐而继续生产) 进行对比。两周期结束时, 蒸汽吞吐的产油量较基础方案多4%。由于采用单层模型, 产油量增幅不大, 对于多层斜油藏, 蒸汽吞吐将带来更大的产油量增幅。
参数研究中, 研究了控制参数 (如注入速度、注入时间及关井时间) 对水平井蒸汽吞吐开采阁楼油效果的影响。
通过IOP数值对比可知, 所有情况下, 两周期的生产效果好于一周期的;注入速度一定条件下, 较长注入时间未必获得较大IOP数值;比较不同注入速度的所有方案可知, 最短注入时间 (10天) 可获得最大IOP数值, 这也说明IOP数值与总注气量并无直接关系, 且较大注入速度可获得较大IOP数值;研究表明, 注入量一定条件下, 以较高速度和较短时间注气可获得较好的开发效果;关井时间似乎与IOP数值没有任何关系。本文研究所确定的最佳注入速度、注入时间和关井时间分别为400 Mscf/d、10天和60天。
5 结论
◇ 相对渗透率和毛管压力滞后对水平井蒸汽吞吐开采阁楼油有重要影响;
◇ 忽略相对渗透率和毛管压力滞后可导致产量预测值偏高达16.2%;
◇ 对于水淹水平井, 蒸汽吞吐技术采油是可行的;
◇ 注入量一定的条件下, 以较高速度和较短时间注气可获得较好的开发效果;
◇ 与注入速度和注入时间相比, 关井时间和总注入量对蒸汽吞吐效果影响较小;
◇ 多周期生产可提高蒸汽吞吐采收率。
资料来源于美国《SPE 104491》
摘要：本文针对水淹水平井提出一种蒸汽吞吐开采技术, 该技术利用整个水平井而非仅直井段进行原油开采。蒸汽吞吐工艺是一种循环注气方法, 常用于“阁楼油”开采, 包括3个阶段:注气、关井及生产。通过参数研究确定了决定蒸汽吞吐效果的重要控制参数。分析中, 利用“饱和历史相关模拟”方法 (该方法考虑了相对渗透率和毛管压力滞后) 研究滞后对蒸汽吞吐模拟的影响。结果表明, 忽略滞后影响将导致产量预测值偏高达16%。
特种蒸汽驱注汽井口技术研究 篇7
1 蒸汽驱注汽井口研制
1.1 蒸汽驱注汽井口结构简述
高温不压井蒸汽驱井口是稠油高凝油开采的重要技术之一。是蒸汽驱开采中地面控制注汽速度及压力的重要组成部分。该井口闸阀开关灵活;长效密封性能及稳定性、耐冲蚀性随着井口结构的设计有了很大提高。在确保蒸汽驱注汽过程中, 可不压井更换采油树从而避免伤害地下油藏。针对该井口装置还研制了一种新型井口堵塞装置。旨在井口大四通钢圈部位发生泄漏时或主阀失效时, 带压更换井口大四通以上部分, 以有效减少压井更换井口。这种堵塞器具有可拆换、支承、密封等功能, 使用安全可靠, 操作方便, 与压井换阀门作业相比较, 经济和社会效益显著。
1.2 主要零部件工作原理
该井口装置闸阀均采用楔式结构闸板热采闸阀, 材质是钢性材质。这种新结构的闸阀对比原有平行式单闸板结构更加适用于高温环境, 能够降低温度变化时发生闸阀阀板卡主的可能性便于补偿材料热胀冷缩。蒸汽驱注汽井口变径法兰与油管挂采用分体设计, 且油管挂内设计有堵塞结构, 可实现注汽过程中高温不压井作业装置安装以及蒸汽驱注汽井口主阀的更换和小四通的带压更换。井口大四通及油管挂采用柔性石墨、金属热涨密封等特殊材料, 在井口大四通及油管挂之间实现多级密封, 从而确保了蒸汽驱长期注汽过程中油套间的长效密封。
1.3 蒸汽驱注汽井口特点
热采闸阀的阀体采用楔式钢性单闸板结构设计, 具有耐高温、耐高压、操作扭矩小、耐腐蚀、流体阻力小、结构新颖、密封可靠等特点。在高温状态, 便于补偿材料热胀冷缩, 使阀门性能可靠、寿命长。密封性能在高温高压下更加优越, 阀杆螺母传动部分两个单向推力球轴承减小启闭阻力, 在支架上用轴承压帽压紧, 保证阀门顺利开启和关闭。
不压井作业中堵塞器总成的下部为带丝堵的脱接器, 上面是传动杆。转动手轮, 经轴承和杆上段的梯形螺纹可将堵塞器丝堵上下受控移动并保证安全。如图1所示。该堵塞器的可动部分保证它能顺利通过测试阀门和主阀门, 到达主阀门以下的异径法兰内。固定部分保证堵塞器的可动部分能有效密封、能进退受控移动和保障安全。杆经轴承和手轮通过螺纹结合在一起, 以便操作灵活、稳定。为了使设备的手轮部分适于井场工作人员操作, 传动部分的长度也做了充分考虑。
如果主阀门已经损坏, 可通过测试阀门控制, 将堵塞器及配件组装好后, 转动手轮从而使杆和堵塞器下移到异径法兰位置。将主阀门下的油管悬挂器堵住, 打开连接阀盖的放空阀观察采油树内是否无压力后即可直接更换采油树。更换新采油树后, 将销子卡在销孔处, 使脱接器和传动杆固定为一体后反转手轮即可卸下提出堵头。最后关阀门、卸油压、卸掉工具组件, 从而完成更换主阀的目的。
2 双管注汽井口结构简述
近年来蒸汽辅助重力泄油技术得到了大范围推广, 该技术特别适用于开采原油粘度非常高的特稠油田油藏及天然沥青。蒸汽从上面的注入井注入油层, 注入的蒸汽向上及侧面移动。形成了一个饱和蒸汽室, 蒸汽在蒸汽室周围冷凝, 并通过热传导将周围油藏加热。被加热降粘的原油及冷凝水在重力驱动下流到生产井, 随着原油的采出蒸汽室逐渐扩大, 为了更好的解决稠油油藏水平井段吸汽不均问题, 实现蒸汽辅助重力泄油技术中水平段的脚跟和脚尖的均匀注汽, 开发出双管注汽工艺。
水平井注汽开采地面控制设备中双管注汽井口是实现水平段的脚跟和脚尖的均匀注汽的关键技术设备。水平井双管注汽井口结构设计新颖, 闸门开关灵活, 在高温、高压注汽过程中具有可靠的长效密封与耐冲击性能。
2.1 双管注汽井口结构
该同心管双管注汽井口主要由双管四通、井口大四通、隔热管油管挂及热采闸阀四大部分组成, 内外管双流道在井口处不需采用任何密封件就使两流道注汽通道隔离开。该项发明的关键技术为双管四通的结构的设计及隔热管悬挂器同下部大四通的密封结构的连接。
2.2 双管注汽井口特点
现有的双管注汽工艺所用的注汽井口是在蒸汽驱井口下部加装一个大四通, 通过坐于上下两个大四通内的两个油管挂分别悬挂内外两层管, 上面的大四通悬挂无接箍油管, 下面的大四通悬挂隔热油管, 该井口装置体积大, 井口高, 作业施工操作困难。
3 结语
特种井口系列, 从施工源头保证了稠油油田热采开发的顺利进行, 有效提高了油井采收率。高温蒸汽驱井口装置共在现场应用效果理想, 不压井带压作业不但节约了大量的作业费用, 而且有效地避免了压井液对油层的冷伤害。
随着稠油开采技术逐步经济有效的开发, 热采蒸汽驱井口具有良好的应用前景及发展势头。
参考文献
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