井口蒸氣測量系統的製作方法

2023-10-09 22:54:44 1

專利名稱：井口蒸氣測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於蒸氣增強石油回收的蒸氣測量系統。本系統引入一種位於臨界流體節流器上遊的量孔，節流器通常設置在注入井的井口處。利用一組方程中從量孔和節流器得來的壓力信息並同時求解方程，可以確定蒸氣流率和蒸氣幹度。
蒸氣注水已經成為從邊際油田或重油儲藏構造中二次回收石油產品用的一種認可的做法，這些邊際油田或重油儲藏構造需要一定程度的激勵，以產生令人滿意的原油流。因此需要一種簡單的方法和設置，以確定將蒸氣送入此種儲藏構造的注入井井口處的飽和蒸氣的幹度。此種測量如果能加以簡化的話，將特別適用於確定由注入蒸氣外加到地下儲藏構造中的熱量。
蒸氣幹度的測量或監控是重要的，因為蒸氣幹度以及由此產生的蒸氣蓄積或形成的加熱效應直接影響最終的生產操作。其次，可以最經濟地注入特定地層或儲藏構造的蒸氣的幹度是隨許多情況而定的。後者包括儲藏構造的厚度和從其中提取商業上可行的碳氫化合物產品量的預測前景。
簡單說來，最好是，注入每個注入井的蒸氣幹度(即水蒸氣質量除以總質量)和質量流率變化或調節到一種參數水平，該水平能最好地符合由該井滲透形成的構造條件。顯然，在可以作出任何變化或調節之前，必須知道蒸氣幹度和質量流率。
大家知道，在這種類型的增強石油回收作業(EOR)中，為了特別有效，必須利用位於井口附近的蒸氣輸送管線中的計量裝置監控注入蒸氣流。值得重視的是，蒸氣以已知的幹度、壓力和質量流率正常地離開蒸氣發生器或蒸氣源。但是，當加壓蒸氣流向著注入井行進時，蒸氣幹度通常會顯著地降低。蒸氣幹度的降低可以基於這些因素，如井和蒸氣源之間的距離、管子絕緣的有效性與包括環境溫度和風速的天氣條件。它還取決於管子部署，包括蒸氣到達注入口或井之前必須通過三通管行進的三通管的數目和取向，因為在這些三通管中可能出現相的分離。
因此，重要的是，為了經濟上的實用性，在蒸氣管線中緊靠每個注入井口的上遊處設置一個流體監測和控制裝置。在許多蒸氣注水作業中，一個節流器機構被安置在蒸氣管路中，以限制蒸氣流，從而能夠調節進入特定井的蒸氣的質量流率。
屬於Redus的美國專利No.4，836，032公開了使用一種與臨界流動節流器串聯的孔板以提供一種用於蒸氣幹度和質量流率的測量方法。或者是孔板或者是節流器單獨都能用於測量蒸汽幹度和質量流率。但是，通過求臨界流動節流器的溼蒸氣的方程和穿過銳緣孔板的溼蒸氣的方程，能夠獲得穿過兩種裝置的蒸氣幹度的數學表達式。
以實驗室試驗數據為基礎，建立了一組確定蒸氣幹度和蒸氣流率用的新方程。
節流器流動方程q=2.456 (C2P)/(X0.4204)量孔流動方程q=15.01221-β4φVfgX1..3540+Vf]]>新的量孔流動方程已經免去了計算量孔係數的需要。新的方程在整個試驗範圍內在5個幹度點中測定蒸氣幹度。新方程得到的蒸氣平均質量流率位於試驗範圍的測得的質量流率的8%以內。由於通常與兩相流體有關的量孔差壓的波動，量孔-節流器測量系統最適合於測量蒸氣幹度大於30%的範圍。與從前利用野外試驗數據得到的方程相比，新方程與測得值能更好地符合一致。
下面將通過實例參考


本發明，其中圖1是通過典型的蒸汽注入井口的垂直截面圖，該井口包括了本發明;
圖2至圖7是本發明的證明數據的圖形。
現在轉到附圖的圖1，圖中示出了當其被安裝於典型的蒸汽注入井口10時的本發明。蒸汽管12具有一個安裝於其中的量孔裝置14。該裝置包括一個帶銳緣量孔18的孔板16，量孔18與管子12的軸大體上同軸準直。測壓孔20、22安置在孔板16的兩側並連接壓差計24。在管子12上在量孔裝置14的下遊處，連接了一個靜壓換能器26。
裝置28連接管子12的端部，並通過節流裝置30連接到井管32上。節流裝置30包括一個外殼螺紋接套34和一個節流嘴36。
量孔-節流器蒸汽測量系統設計成利用從量孔和臨界流動節流器獲得的信息來測定蒸汽幹度和質量流率。圖1示出系統的簡圖。該系統包括一個在臨界流動節流器上遊的銳緣量孔，節流器通常位於注入井的井口處。
除管子尺寸、量孔直徑、節流嘴直徑和流體性質外，通過量孔的壓差和量孔與節流器之間的靜壓，都提供測定蒸汽幹度和蒸汽質量流率所需的信息。
流動的兩相流體的蒸汽幹度和質量流率是通過同時求解流動方程來得到的，該方程描述通過銳緣量孔和臨界流動節流器的流動。
臨界流動節流器方程採取由奈培(Napier)提出的形式，即節流器方程M＝a (C2P)/(Xb) 1)式中a和b是奈培方程中的常數。在現在的系統中，這些常數是由實驗數據確定的。
量孔流動方程採用通常的單相量孔流動方程，即M=358.93CoFaFWY2d21-β4φVexp]]>2)量孔方程式中Co、Fa、Fw和Y2分別是流量系統、熱膨脹係數、排水孔校準係數和蒸汽膨脹係數。這些係數是可以計算出來的。
方程(2)中Vexp的數學形式是解該方程的關鍵。在本實施例中，Vexp被假定為飽和蒸汽的比容Vg、液體的比容Vf和蒸汽幹度X的函數。它具有下列形式Vexp＝A(Vg-Vf)XB+Vf3)式中A和B的值是由實驗數據確定的。
利用方程(3)代替方程(2)中的Vexp並使它與方程(1)相等，它給出XB- (K)/(A) (φ)/(P2) (X2d)/(Vfga2) + (Vf)/(VfgA) =0 4)式中K= ((358.93CoFaFwY2)2)/(1-β4) ( (d)/(c) )45)
為了求解方程(4)中X的值，利用了一種數值逼近法如牛頓-拉夫森(Newton-Raphson)法。令F(x)=XB- (K)/(A) (φ)/(P2) (X2b-1)/(VfgA) 6)和F(x)=BXB-1-2b (K)/(A) (φ)/(P2) (X2b-1)/(Vfga2) 7)而後確定Xn+1=Xn- (F(Xn))/(F(Xn)) 8)直到X接近一個漸近值。通常，逼近過程不超過5步。但是，應當注意方程(4)可能不止一個根。一個好辦法是從蒸汽幹度的最高值即從X＝1開始逼近過程，並在幾個根中只選擇最高值。一旦確定了蒸汽幹度的值，可以按照方程(1)計算質量流率。
上面的敘述表明，除了測得的量(量孔壓差和靜壓)外，方程中求解蒸汽幹度用的關鍵參數為CoFaFwY2，a，b，A和B。這些參數是由實驗數據確定的。
節流器流動數據作為倒數質量率C2P/M而受到關聯，並在圖2中相對於蒸汽幹度作圖。這些數據的相互關係為M=35.855 (C2P)/(X0.4204) 9)
換言之，a＝35.855，而b＝0.420方程(4)的這些A和B值是從通過2英寸和3英寸試驗截面的孔板的流動試驗結果中得到的。它們給出A＝1.000和B＝1.354因此，Vexp＝VfgX1.354+Vf10)試驗中利用的孔板包括一個排水孔。整個試驗範圍的CoFaFwY2值落在0.6142和0.6165之間。在野外測量系統中孔板上沒有排水孔，CoFaFwY2值可以取作常數0.6105，只要蒸汽壓力和節流嘴尺寸位於本研究範圍內即可。
蒸汽幹度是按照方程(6)至(8)計算的。在方程(6)和(7)中用上述值代替A、B、a和b，得到F(X)=X1.354((358.93CoFaFwY2)2)/(1-β4) ( (d)/(c) )4(φ)/(P2) (X0.8408)/(Vfg(35.855)2) + (Vf)/(Vfg) 11)F′(X)=1.354X0.354((358.93CoFaFwY2)2)/(1529.725(1-β4)) (φ)/(P2) ( (d)/(c) )41/(VfgX0.1592) 12)用式子(11)和(12)分別代替F(X)和F′(X)，並求解Xn，直到Xn+1-Xn的值小於0.0001。試驗用的計算幹度相對於測得的幹度的圖線示於圖3。整個試驗用的計算的蒸汽幹度的均方根誤差是5個幹度點。計算的幹度的分布對於蒸汽幹度小於30%的情況要寬一些。圖3表示按照蒸汽幹度的範圍集合的本研究所有試驗用的平均的測量值和計算值。換句話說，圖3表示在不同條件下但對同樣標稱幹度進行試驗和計算的平均幹度或質量流率。計算的蒸汽幹度的平均誤差在測得幹度的3.7和6.7幹度點之間。這些平均誤差示於圖4。整個試驗範圍的總誤差大約為5個幹度點。
作為比較，按照從野外試驗數據得到的方程計算的蒸汽幹度也在圖5中相對於測得的蒸汽幹度作圖。計算的幹度和測得幹度之間的差別顯著地大於按照新方程計算的差別。如圖4所示，計算幹度和測得幹度值之間的差別為4.0至15.7幹度點。整個試驗範圍的總平均誤差大約為8個幹度點。
圖6表示按照方程(9)計算的蒸汽流率相對於測得的蒸汽幹度作的圖線。計算的流率與測得的流率十分良好地符合。在本試驗中對於大於40%的幹度，計算的和測得的質量流率之間的差別位於測得的質量流率的3.4至4.5%之間。
圖7表示按照野外數據得到的方程所計算的質量流率。由於質量流率對蒸汽幹度不敏感，因此野外數據得到的方程的質量流率可以與新方程的質量流率相比較。但是，對於大於40%的蒸汽幹度，計算的和測得的質量流率之間的差別位於2.78和7.07%之間。對變量採用油田單位，節流器流動方程(方程9)成為q=2.4564 (C2P)/(X0.4204) 13)
對變量採用油田單位，用0.6105代替方程(2)中的CoFaFwY2值並用方程(10)的Vexp替換Vexp的表達式，量孔流動方程變為q=15.012d21-β4φVfgX1.354+Vf14)]]>求解蒸汽幹度的逼近方程成為Xn+1=Xn- (F(Xn))/(F′(Xn)) 15)式中F(Xn)=Xn1.35437.350/(1-β4) ( (d)/(c) )4(φ)/(P2) (Xn0.8408)/(Vfg) + (Vf)/(Vfg) 16)和F′(Xn)=1.3540Xn0.354-31.4039/((1-β4)) (φ)/(P2) ( (d)/(c) )41/(VfgX0.1591) 17)逼近應當從X(1)＝1.0開始。
術語表a,b=節流方程中涉及的參數A，B＝Vexp中涉及的參數C＝節流嘴尺寸，英寸Co＝量孔流量係數d＝量孔直徑，英寸φ＝量孔壓差，英寸水柱
F(X)＝X的函數F(Xn)＝其中X＝Xn的F函數F′(X)＝F函數的導數F′(Xn)＝F函數的導數，其中X＝XnFa＝量孔的熱膨脹係數Fω＝量孔的排水孔係數Hm＝飽和液體的比容相關係數Jm＝飽和蒸氣的比容相關係數K＝常數m＝比容相關的冪M＝質量流率，lbm/hrP＝蒸氣壓力,psiaq＝蒸氣流率，bpd-cωeVexp＝量孔流動的實驗比容，ft3/lbmVc=臨界狀態下的蒸氣比容，ft3/lbmVf＝飽和液體比容，ft3/lbmVfg＝汽化比容，ft3/lbmVg＝飽和蒸氣的比容，ft3/lbmX=蒸氣幹度，餾分Xn＝X值的第n次逼近，餾分Xn+1＝X值的第n+1逼次，餾分
Y2＝蒸氣膨脹係數β＝貝塔比率＝量孔直徑／管子直徑測量單位換算表說明書中的方程包括一些常數和係數，其數值取決於測量單位。因此單位不能變換，但是等值的公制數值如本表所示桶(barrel)1桶＝0.16立方米bpb-cωe每天的蒸氣桶數，冷水等量psig每平方英寸磅力(量規)＝6900帕英寸(in)1英寸＝2.54釐米paia每平方英寸1磅力(絕對)＝6900帕lbm/ft2-sec 每秒每平方英尺1磅(質量)＝每秒每平方米4.88千克ft3/lbm 每磅(質量)1立方英尺＝每千克0.0625立方米lbm/hr每小時1磅(質量)＝每小時0.45千克飽和液體比容Vf和飽和蒸氣比容Vg的經驗相互關係。
1)在從182psia到1335psia的壓力範圍內飽和液體比容的經驗相互關係(Vf)/(Vc) =m=04Hm]]>( (P)/(Pc) )m
式中Vf＝飽和液體的比容，ft3/lbmVc＝臨界狀態的比容，ft3/lbm，＝0.049747ft3/lbmP＝蒸氣壓力，psiaPc＝蒸氣的臨界壓力＝3198.807psiaHo＝3.4444232E-01H1＝4.6716602E-01H2＝1.1950608E+00H3＝-2.1301049E+002)在從405psia到3050psia的壓力範圍內飽和蒸氣比容的經驗相互關係VgVc=(PcP)i=09Ji(PPc)i]]>式中Vg＝飽和蒸汽的比容，ft3/lbmVc＝臨界狀態的比容，ft3/lbm，＝0.049747ft3/lbmP＝蒸氣壓力，psiaPc＝蒸氣的臨界壓力＝3198.807psiaJo＝2.8570183E+00J1＝1.1796202E+00J2＝-6.0239948E+00
J3＝5.5896454E+00J4＝2.8224224E-01J5＝-1.1378390E+00J6＝-4.1258599E+00J7＝-5.3664933E+00J8＝1.7579898E+01J9＝-9.5465496E+00本發明可以接受許多修改和變化而並不偏離本發明主要特徵的精神。因此已經說明的實施例應當在一切方面都看作是舉例性質的，並不限制本發明的範圍。
權利要求
1.一種用於測量流過管子的加壓蒸氣的幹度和質量流率的系統，該系統包括一個位於上述蒸氣流管子中的量孔；測量經過上述量孔的壓差的裝置；一個在上述管子中位於上述量孔下遊的節流器；測量上述管子中上述量孔和上述節流器之間的靜壓的裝置；對上述壓差和上述靜壓產生響應以確定流過上述管子的蒸氣幹度和質量流率的裝置。
2.一種如權利要求1所述的系統，其特徵是，質量流率和蒸氣幹度是通過求解下述方程而確定的節流器方程M＝a (C2P)/(Xb)量孔方程M=358.93CoFaFWY2d21-β4φVexp]]>式中a，b＝常數，其數值由節流器流動數據確定c-節流嘴尺寸，英寸Co＝量孔流量係數d＝量孔直徑，英寸ψ＝量孔壓差，英寸水柱Fa＝量孔的熱膨脹係數Fw＝量孔的排水孔係數M＝質量流率，lbm/hrVexp＝量孔流動的實驗比容，ft3/lbmX＝蒸氣幹度，餾分Y2＝蒸氣膨脹係數β＝貝塔比率＝量孔直徑/管子直徑
3.一種如權利要求2所述的系統，其特徵是，Vexp的數值是按照下式計算的Vexp＝AVfgXB+Vg式中常數A和B是由量孔流動確定的，而Vf和Vfg的數值是按照蒸氣壓力確定的。
4.一種用於測量管子中在400至1000psig範圍的壓力下流動的蒸氣的幹度和質量流率的方法，包括同時求解方程q=2.456 (C2P)/(X0.4204)和q=15.012d21-β4φVfgX1..354+Vg]]>式中q＝蒸氣流率，bpd-cwe(每天的蒸汽桶數-冷水等量)c＝節流嘴尺寸p＝蒸氣壓力，psiaX＝蒸氣幹度，餾分d＝量孔直徑，英寸β＝量孔直徑對管子直徑之比ψ＝量孔壓差，英寸水柱Vfg＝汽化比容，ft3/lbmVg＝飽和液體比容，ft3/lbm
5.如權利要求4所述的方法，其特徵是，Vf和Vfg數值是按照下式確定的VfVc=m=04Hm(PPc)m]]>VgVc=(PcP)i=09Ji(PPc)i]]>Vfg＝Vg-VfVg＝飽和蒸氣比容，ft3/lbmVf＝飽和液體比容，ft3/lbmVc＝臨界狀態比容，ft3/lbm，＝0.049747ft3/lbmVfg＝汽化比容，ft3/lbmP＝蒸氣壓力，psiaPc＝蒸氣臨界壓力，＝3198.807psiaJ0＝2.8570183E+00J1＝1.1796202E+00J2＝-6.0239948E+00J3＝5.5896454E+00J4＝2.8224224E-01J5＝-1.1378390E+00J6＝-4.1258599E+00J7＝5.3664933E+00J8＝-1.7579898E+0J9＝-9.5465496E+0H0＝3.4444232E-01H1＝4.6716602E-01H2＝1.1950608E+00H3＝-2.1301049E+0且P是在量孔和節流器之間測量的。
全文摘要
一種測量通過管子(12)流到井口(32)的加壓蒸氣的幹度和質量流率用的系統和方法，該系統有一個量孔(18)、一個測量通過量孔的壓差的計量儀表(24)、一個位於量孔下遊的節流器(36)，以及一個測量量孔和節流器之間靜壓的換能器(26)。求解了一組用符號表示的改進的方程，以確定流過管子的蒸氣的幹度(X)和質量流率(M)。
文檔編號G01N7/14GK1072501SQ9211260
公開日1993年5月26日 申請日期1992年10月30日 優先權日1991年10月31日
發明者陳澤富, 馬克·T·魯貝爾, 詹姆斯·L·G·施洛德特, 小詹姆斯·W·斯科特 申請人:德士古發展公司