SAGD高干度集中注汽地面配套工藝技術(shù)

郭金鵬 遼河油田特種油開發(fā)公司

SAGD高干度集中注汽地面配套工藝技術(shù)

郭金鵬 遼河油田特種油開發(fā)公司

SAGD是稠油蒸汽吞吐接替技術(shù)，遼河油田從20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行SAGD采油工藝的研究與實(shí)踐，2003年8個(gè)井組先導(dǎo)性試驗(yàn)取得成功后，順利進(jìn)入到規(guī)模實(shí)施階段。為了不斷提高開發(fā)水平和改善生產(chǎn)效果，SAD配套工藝技術(shù)逐步升級(jí)，尤其SAGD高干度注汽系統(tǒng)配套技術(shù)更是日臻完善，并取得了顯著的應(yīng)用效果。同時(shí)為了進(jìn)一步改善開發(fā)效果，開展了國(guó)內(nèi)首例油田用MVC水處理及汽包爐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為過熱蒸汽應(yīng)用提供技術(shù)支持。

SAGD；注汽地面配套工藝；高干度注汽；過熱蒸汽；油氣比

引言

1996年，遼河油田曙一區(qū)超稠油區(qū)塊采用蒸汽吞吐開采方式投入工業(yè)性開采，2000年起生產(chǎn)規(guī)模突破100×104t/a，現(xiàn)年產(chǎn)量127×104t。在沒有新井產(chǎn)能接替的情況下，常規(guī)的蒸汽吞吐開發(fā)產(chǎn)量遞減快、采收率低等突出問題無法保證油田的持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)[1]。作為注蒸汽熱采的一種高效采油方式，蒸汽輔助重力泄油（SAGD）是蒸汽吞吐后期提高采收率的接替性技術(shù)，適合于開采原油黏度非常高的超稠油油藏或天然瀝青，其采油機(jī)理是從注汽井不斷注汽擴(kuò)展蒸汽腔來加熱邊緣油層，原油和冷凝水依靠重力沿著蒸汽腔內(nèi)壁從生產(chǎn)井采出[2]。根據(jù)國(guó)外SAGD開發(fā)方式篩選標(biāo)準(zhǔn)，曙一區(qū)杜84塊油藏適合SAGD開發(fā)的超稠油儲(chǔ)量有4 703×104t，與蒸汽吞吐開采方式相比可提高采收率25.2%，增加可采儲(chǔ)量1 187×104t。據(jù)此，遼河油田在曙一區(qū)杜84塊北部建立試驗(yàn)區(qū)，開展直井與水平井組合SAGD先導(dǎo)試驗(yàn)（共計(jì)8個(gè)井組）。經(jīng)過兩年探索與實(shí)踐，順利完成了先導(dǎo)性試驗(yàn)，而后在已經(jīng)形成的配套技術(shù)系列基礎(chǔ)上開展了規(guī)模實(shí)施，目前一期工程48個(gè)井組也順利轉(zhuǎn)驅(qū)完成，達(dá)到預(yù)期開發(fā)指標(biāo)。隨著開發(fā)深入不斷升級(jí)和完善，緊密圍繞生產(chǎn)特征所建立的SAGD高干度注汽、大排量舉升工藝和地面高溫集輸系統(tǒng)，在工藝適應(yīng)性、提高油汽比、提高開采效能和安全環(huán)保等方面都取得了諸多技術(shù)突破，尤其地面注汽工藝的集約性和高效性發(fā)展，對(duì)SAGD生產(chǎn)效果的改善和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展是不可或缺的。

1 總體技術(shù)路線

SAGD注汽要求進(jìn)入地層的干度越高越好[3]，先導(dǎo)試驗(yàn)階段采用直流鍋爐配套球形汽水分離器來獲取高干度。由于地面管線和井筒的熱損失，僅能保證蒸汽進(jìn)入油層的干度在60%～70%之間。油藏埋藏越深，這種工藝的技術(shù)局限性越突出，生產(chǎn)效果越差。采用過熱蒸汽來提高和控制進(jìn)入油層的蒸汽干度，是未來決定SAGD注汽效果的核心技術(shù)。國(guó)外已經(jīng)開始了SAGD過熱蒸汽的試驗(yàn)與實(shí)施[4]：采用蒸汽機(jī)械壓縮水處理技術(shù)（簡(jiǎn)稱MVC）處理SAGD生產(chǎn)污水，使其達(dá)到油田礦場(chǎng)用汽包鍋爐的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。這種工藝方式的先進(jìn)性在于既可提高蒸汽的熱能利用效率，又實(shí)現(xiàn)了水資源循環(huán)利用。這種工藝技術(shù)目前國(guó)內(nèi)油田尚無先例，其相關(guān)技術(shù)、設(shè)備及參數(shù)均需要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)才能確定，這至少需要2～3年的時(shí)間才能完成，所以為了SAGD規(guī)模實(shí)施的順利進(jìn)行，結(jié)合油藏工程規(guī)劃和現(xiàn)有工藝水平確定了遼河油田SAGD總體的注汽系統(tǒng)技術(shù)路線。

遼河油田曙一區(qū)SAGD總體注汽系統(tǒng)技術(shù)路線：第一批31個(gè)SAGD井組采用現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)較為成熟的注汽技術(shù)，即直流鍋爐集中注汽＋汽水分離器+干線輸送+蒸汽計(jì)量點(diǎn)+分支注汽管線去注汽井，并在此期間開展二期工程技術(shù)路線研究，開展過熱蒸汽發(fā)生和相關(guān)水處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。這樣的技術(shù)路線既能保證現(xiàn)有地面注汽工藝?yán)^續(xù)合理沿用、規(guī)模轉(zhuǎn)驅(qū)順利實(shí)施，同時(shí)也為下一步繼續(xù)擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模做最好技術(shù)鋪墊。

2 地面配套工藝

目前曙一區(qū)SAGD注汽系統(tǒng)主體配套工藝為：鍋爐用水和SAGD高溫產(chǎn)出液換熱升溫后去SAGD集中注汽站（多臺(tái)23 t/h或50 t/h注汽鍋爐集中建站），產(chǎn)生的75%干度蒸汽再經(jīng)過汽水分離器將干度提高至接近100%后進(jìn)入綜合注汽干網(wǎng)，所有注汽站產(chǎn)生的蒸汽都匯集到綜合管網(wǎng)中，再通過支干線去蒸汽計(jì)量間分配至注汽井，各注汽井根據(jù)需求取汽，相對(duì)于以往的一臺(tái)鍋爐對(duì)應(yīng)一口井的集中注汽方式不僅節(jié)約投資和地面建設(shè)面積，而且系統(tǒng)分配蒸汽更加靈活和合理。

繞陽河?xùn)|注汽管線呈支狀布置，館陶、興I、興VI總共所需的注汽量為240.55×104t/a，集中注汽管網(wǎng)覆蓋杜84塊所有SAGD注汽井，集中注汽方式的不同管線見表1。

表1 集中注汽方式的不同管線

根據(jù)方案要求和實(shí)際地面條件綜合研究結(jié)果，布置了2座大型集中注汽站和86 km的不同管徑的注汽干線和支線。

2.1 汽水分離及蒸汽分配計(jì)量技術(shù)

在借鑒熱電廠所用旋風(fēng)式汽水分離器的基礎(chǔ)上，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，開發(fā)研制了新型的球形汽水分離器系統(tǒng)，包括汽水分離器、等干度分配器、分離水控制系統(tǒng)和余熱回收裝置，并使其分離干度達(dá)到99%以上，滿足了高干度注汽的工藝技術(shù)條件。汽水分離器采用旋風(fēng)分離方法，綜合了離心分離、重力分離及膜式分離作用來進(jìn)行汽水分離。

為檢驗(yàn)球形汽水分離器汽水分離效果，采用了鈉度計(jì)法（PNa電極法）、光譜分析法、污水排量計(jì)算法三種方法對(duì)分離器出口蒸汽的干度進(jìn)行測(cè)定，從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，分離后蒸汽干度達(dá)到了95%以上，能夠滿足SAGD操作要求，測(cè)定數(shù)據(jù)見表2。

表2 分離器出口蒸汽干度數(shù)據(jù)

2.2 蒸汽干度與流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

先導(dǎo)試驗(yàn)階段的蒸汽分配計(jì)量相對(duì)容易，因?yàn)橛?jì)量是在汽水分離器出口，干度接近100%。SAGD規(guī)模實(shí)施考慮到投資和用地，采用集中建站、綜合管網(wǎng)供汽方式更為合理，在這種情況下，蒸汽需經(jīng)過干線長(zhǎng)距離輸送到注汽井井場(chǎng)分配計(jì)量后去往各注汽井，這時(shí)各管線內(nèi)蒸汽干度和流量將出現(xiàn)較大差異，從而導(dǎo)致原有的測(cè)量方法不能滿足生產(chǎn)需要的精度要求。為此必須解決在集中供汽條件下的單井流量、干度的準(zhǔn)確計(jì)量問題，否則將不能實(shí)現(xiàn)集中供汽。

目前，國(guó)際上比較成熟可靠的濕蒸汽流量測(cè)量裝置主要有γ射線密度計(jì)-渦輪流量計(jì)-文丘利管組合裝置（組合裝置一）、γ射線密度計(jì)-網(wǎng)狀靶組合裝置（組合裝置二）和聯(lián)合式濕蒸汽流量-干度測(cè)量裝置（組合裝置三）。對(duì)這3種裝置進(jìn)行綜合比較的結(jié)果見表3。通過表3對(duì)比可知，組合裝置三即聯(lián)合式濕蒸汽流量-干度測(cè)量裝置具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低、操作管理方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)主設(shè)備不存在任何運(yùn)動(dòng)部件、可靠性高、維護(hù)量小，技術(shù)成熟可靠，并且有現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的實(shí)例。

表3 濕蒸汽流量測(cè)量裝置比較

2.2.1 測(cè)量原理的理論分析

將標(biāo)準(zhǔn)孔板與經(jīng)典文丘里管串聯(lián)于濕蒸汽管道中，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，流經(jīng)兩流量計(jì)的質(zhì)量流量相同。管道經(jīng)良好保溫處理，忽略沿程熱量損失及壓力損失，濕蒸汽無相變，則流經(jīng)兩流量計(jì)的濕蒸汽干度也相同，這樣兩質(zhì)量流量方程中只有質(zhì)量流量Qm與干度x兩個(gè)未知數(shù)，聯(lián)立方程求解，即可得出x值。將得出的干度值x代入質(zhì)量流量方程求出瞬時(shí)質(zhì)量流量，再對(duì)時(shí)間積分得出累積流量。

2.2.2 計(jì)量設(shè)備設(shè)計(jì)

通過理論分析研究，設(shè)計(jì)出了濕蒸汽流量及干度測(cè)量?jī)x，見圖1。該測(cè)量系統(tǒng)由經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)孔板、經(jīng)典文丘里管作為一次測(cè)量元件，高精度壓力傳感器、智能型差壓變送器轉(zhuǎn)換并傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換成1～5 V電壓信號(hào)，進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集卡。最后在工控機(jī)中根據(jù)壓力信號(hào)調(diào)用汽、水性質(zhì)模塊，計(jì)算出飽和水、飽和蒸汽的密度，以及比焓、汽化潛熱，從而算出濕蒸汽的干度、質(zhì)量流量、載熱量，同時(shí)對(duì)質(zhì)量流量、載熱量進(jìn)行累積運(yùn)算。

圖1 濕蒸汽流量及干度測(cè)量元件

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與應(yīng)用，蒸汽干度與流量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠?qū)AGD高干度蒸汽進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，干度計(jì)量誤差±3.6%，質(zhì)量流量最大誤差4.88%，不同干度下最大流量偏差絕對(duì)平均值2.8%，有效地保證了SAGD注汽效果。

2.3 分離水熱能利用及處理技術(shù)

在目前SAGD高干度注汽工藝條件下，汽水分離器要排出總發(fā)生汽量25%的高含鹽水，這就帶來兩個(gè)問題：①這部分分離水具有很高的壓力和溫度，直接排放造成浪費(fèi)；②分離水是高含鹽水，處理不當(dāng)會(huì)造成污染。將高溫分離水用于鍋爐給水預(yù)升溫是最有效的熱能利用手段，熱量回收后的低溫水進(jìn)入分離水回收干線輸至污水處理廠也易于處理。

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況來看：鍋爐給水溫度從26℃升高到130℃左右，汽水分離器分離水溫度從280℃下降到40～60℃，熱能得到了有效利用，鍋爐對(duì)流段入口溫度在130～140℃之間，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

2.4 注汽管線保溫材料優(yōu)選

依據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 52064—97）》，優(yōu)選SAGD注汽管線高效、環(huán)保的保溫材料，可以降低能量損失，提高蒸汽干度，提高SAGD開發(fā)效果。選取了三種保溫材料在曙采熱注一區(qū)25#爐出口管線上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝和測(cè)試。對(duì)比保溫效果，在無陽光照射條件下對(duì)試驗(yàn)段進(jìn)行測(cè)試，在每段管線上任意選取3處進(jìn)行測(cè)試（每個(gè)測(cè)試點(diǎn)間隔5 m以上），對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行8個(gè)方向的外表面溫度測(cè)試，4個(gè)方向的外表面熱流密度測(cè)試，經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比，按照保溫效果進(jìn)行了排序，陶瓷纖維針刺氈、復(fù)合硅酸鹽的保溫平均散熱量低于標(biāo)準(zhǔn)年均條件下的散熱量（209 W/m2）。

2.4.1 保溫材料的熱損失計(jì)算及對(duì)比

注汽管線熱損失計(jì)算公式

式中Q1為管線的熱損失（W）；rins為絕熱層外徑（m）；Ts為蒸汽溫度（℃）；Ta為大氣溫度（℃）；l為管線分段長(zhǎng)度（m）；Utl為總傳熱系數(shù)（W/（m2·℃））。

式中rto為管子外徑（m）；λins為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；hf為保溫層外表面與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)（W/（m2·K））。

式中Vw為風(fēng)速（m/s）。

上述計(jì)算公式中有關(guān)常數(shù)的選?。耗昶骄鶞囟热?.3℃；年平均風(fēng)速取3.8 m/s；硅酸鋁纖維毯導(dǎo)熱系數(shù)取0.049 W/（m·K）；硅酸鹽復(fù)合保溫導(dǎo)熱系數(shù)取0.084 W/（m·K）（檢測(cè)報(bào)告提供數(shù)據(jù)）。

按照上述計(jì)算公式可得出，復(fù)合硅酸鹽管殼導(dǎo)熱系數(shù)λ=λ0+0.000 15(Tm-70)=0.072（W/（m·K））。

由表4可以看出，使用硅酸鋁纖維毯比硅酸鹽復(fù)合保溫減少熱損失合計(jì)為760.56 kW。

表4 硅酸鋁纖維毯與硅酸鹽復(fù)合保溫材料對(duì)比分析

2.4.2 保溫材料的經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比

使用硅酸鋁纖維毯比硅酸鹽復(fù)合保溫材料減少的熱量損失將節(jié)省燃料費(fèi)287.8萬元/年，使用硅酸鋁纖維毯比復(fù)合硅酸鹽管殼減少的熱量損失將節(jié)省燃料費(fèi)204.49萬元/年，即每年使用硅酸鋁纖維毯比使用硅酸鹽復(fù)合保溫節(jié)省費(fèi)用287.8萬元，比使用復(fù)合硅酸鹽管殼節(jié)省費(fèi)用204.49萬元。

經(jīng)計(jì)算，使用硅酸鋁纖維毯比硅酸鹽復(fù)合材料保溫材料增加一次性投資259.45萬元，比復(fù)合硅酸鹽管殼增加一次性投資305.41萬元，即投資回收期1.5年。

2.5 集中供汽及長(zhǎng)距離輸送

隨著SAGD規(guī)模實(shí)施不斷推進(jìn)，SAGD井組數(shù)不斷增加，對(duì)注汽量的要求也大幅度增加，先導(dǎo)試驗(yàn)的分散注汽已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，為了突破地面條件和投資的制約，集中注汽方式成為了首選[5]。集中注汽具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：管帶緊湊、流程簡(jiǎn)化、占地少、投資低，有利安全環(huán)保和施工，布站方式優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比見表5。

表5 布站方式優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比

注汽管線材質(zhì)選用高壓鍋爐用無縫鋼管，管線壁厚的計(jì)算采用《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中承受內(nèi)壓直管的厚度計(jì)算公式，干度降及汽水分離裝置計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 干線及支線的每公里壓降及干度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管線實(shí)際長(zhǎng)度，注汽管線總壓降最大3.83 MPa，注汽鍋爐出口壓力14 MPa可保證井口壓力大于10 MPa。故確定了鍋爐額定壓力14.1 MPa，管線耐壓等級(jí)14 MPa。

3 技術(shù)攻關(guān)及發(fā)展方向

對(duì)于SAGD工業(yè)化推廣，采用過熱蒸汽提高生產(chǎn)效果、進(jìn)一步提高油氣比是注汽系統(tǒng)核心攻關(guān)方向，為了實(shí)現(xiàn)過熱蒸汽必須相應(yīng)配套關(guān)鍵技術(shù)，包括汽包鍋爐、MVC水處理系統(tǒng)等。

3.1 汽包爐

對(duì)于SAGD開采來說，加熱油層是利用蒸汽的汽化潛熱，注入地層的飽和水的熱焓是沒有意義的，只會(huì)增加熱損失和采油成本。理想情況是進(jìn)入油層的是干度為100%蒸汽。鍋爐出口蒸汽應(yīng)是過熱蒸汽[6]，才可能實(shí)現(xiàn)油層100%的干度。注汽干度直接影響SAGD的油汽比指標(biāo)，井下蒸汽干度越高，油汽比越高。商品率隨油汽比而提高，所以提高井底的蒸汽干度，可進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，才有可能放寬實(shí)施SAGD的技術(shù)界限，在更寬的范圍內(nèi)來推廣這項(xiàng)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)SAGD規(guī)模實(shí)施。廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)燃煤汽包爐是一項(xiàng)生產(chǎn)過熱蒸汽的成熟技術(shù)，并且從60年代就實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，可以用煤、油、氣來作燃料，有利于實(shí)施燃料結(jié)構(gòu)調(diào)整，同時(shí)汽包爐排量大、熱效率高，適合SAGD開發(fā)的生產(chǎn)特點(diǎn)。

大型燃煤汽包爐的水質(zhì)要求高，電站用水可以循環(huán)使用，僅補(bǔ)充3%～5%的清水，降低了水處理難度。油田注汽用水注入地下后和原油及油層水混合采出，用傳統(tǒng)水處理工藝將采出水再次處理為鍋爐的合格用水，成本非常高，所以長(zhǎng)期以來油田無法推廣使用汽包爐注汽。

國(guó)外機(jī)械壓縮蒸發(fā)法水處理（MVC）技術(shù)解決了水處理的技術(shù)瓶頸，可實(shí)現(xiàn)油田污水經(jīng)濟(jì)處理后滿足汽包鍋爐的水質(zhì)要求。

3.2 機(jī)械壓縮蒸發(fā)法水處理技術(shù)

SAGD采出液一般具有高堿度、高硅含量、高氯化鈉含量等特點(diǎn)，水處理難度大、處理費(fèi)用高,通常將含油廢水處理后回用于注汽鍋爐作為給水，廢水處理占采油生產(chǎn)總成本的很大比例，因而需要選擇合理的廢水處理技術(shù)。同時(shí)產(chǎn)生過熱蒸汽的汽包爐要求水質(zhì)很高，使得汽包爐長(zhǎng)期以來不能在油田注汽中推廣。國(guó)外機(jī)械壓縮蒸發(fā)法水處理（MVC）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)油田污水的低成本處理，水質(zhì)符合汽包爐的進(jìn)水水質(zhì)要求，為油田注汽采用汽包爐創(chuàng)造了條件。目前已經(jīng)在曙一區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)中試，處理規(guī)模達(dá)到21 m3/h，產(chǎn)品水電導(dǎo)率＜60 μS/cm，硬度＜0.1 mg/L，達(dá)到工業(yè)汽包鍋爐用水指標(biāo)。

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（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.020

郭金鵬：工程師，2005年畢業(yè)中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程專業(yè)，現(xiàn)任遼河油田特種油開發(fā)公司工藝研究所采油室室主任。

2015-05-05

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