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井口天然气加热稠油开采工艺及装置设计_图文

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井口 天然气 加热 开采 工艺 装置 设计 图文
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54..—— 石 油机械 009年 第37卷第5期 应用技术 井口天然气加热稠油开采工艺及装置设计 张 浩 王旱祥 李 林 (中国石油大学(华东)) 摘要 针对边际含气稠油井开采时采用注蒸汽法、电加热法和化学降粘法成本较高的问题及 开采时天然气不能有效回收,设计了天然气加热稠油开采装置。该装置不需要铺设长距离管道, 直接利用油井采出的天然气燃烧来加热水,然后将热水注入空心抽油杆,打到井下油层,对稠油 冲洗、稀释、加热、润滑,达到降粘防蜡的目的。现场应用表明,该装置能充分利用井下天然气 资源来加热稠油,提高了稠油产量,稠油采收率提高了9.2%,减少了资源浪费和环境污染,取 得了良好的经济效益。 关键词 稠油井 天然气 加热 开采工艺 装置设计 0 引 言 油田开发中后期,稠油开发比重越来越大。对 比较偏远的边际含气稠油井采用注蒸汽热采需要铺 设长距离热水管道,初始投资和运行成本很高;采 用电加热开采会消耗很多电能,使成本增加 ; 采用化学降粘工艺技术需要昂贵的化学制剂 2 J。 这使许多边际稠油含气井因为不能回收成本而被放 弃开采。同时一些含气稠油井在开采时,由于天然 气不能有效回收,大量天然气直接被放空烧掉,浪 费资源,污染环境。为了减少污染,最大限度地利 用天然气资源,并把油井内丰富的稠油资源开采出 来,设计了天然气加热稠油开采装置。该装置不需 要铺设长距离管道,直接利用油井采出的天然气燃 烧来加热水,然后将热水注入空心抽油杆,打到井 下油层,对稠油冲洗、稀释、加热、润滑,达到降 粘防蜡的目的。 1 系统工艺设计 天然气加热稠油开采装置主要由地面部分和井 下部分组成,其工作流程如图1所示。地面部分主 要由稳流装置、油水分离装置、储油罐、引风机、 燃烧器、加热炉、离心泵、泵排出阀门、压力表、 温度计、涡轮流量计、天然气控制系统等组成。井 下部分主要由吸入阀、泵、活塞、抽油杆、油管、 套管、盘根盒、单流阀等组成。 图1 天然气加热稠油开采装置工作流程 1一吸人阀;2一泵;3一活塞;4一单流阀;5一抽油杆; 6一油管;7一套管;8一盘根盒;9一稳流装置;10一油水分 离装置;1 1一储油罐;1 2一离心泵;1 3一泵排出阀 门;5一温度计;16一涡轮流量计;;1 8一天然气控制系统;0一引风机。 天然气加热稠油开采装置的工作流程是:采油 系统为有杆采油,原油被开采出来后通过管道进人 油水分离装置进行分离,分离装置内有稳流装置, 可以缓冲从管道进来的原油。通过分离之后的原油 进入储油罐储存起来,分离后的水则通过水管进入 水池,然后由离心泵按设定的流量输送到加热炉, 基金项目:国家高技术研究发展计划863项目“浅水区井下油气混抽装置技术研究”(2007的部分研究内容。 2009牟第37卷第5期 张浩等:井口天然气加热稠油开采工艺及装置设计 一55一 在离心泵排出口有调节阀门可以控制水的流量。同 时,油管和套管之间环空中的油井伴生天然气在井 内压力的作用下通过天然气管道经过一定的处理, 再经过天然气控制系统的过滤、调压、计量、检 测,然后送至燃烧器燃烧,并对加热炉中的水进行 加热,达到需要的温度后,按设定的流量压人空心 抽油杆。管线上的涡轮流量计可测定热水的流量。 空心抽油杆内装有单流阀可防止井内压力过高而使 水倒流。热水在离心泵的压力作用下打到井内,对 稠油冲洗、稀释、加热、润滑,使稠油粘度降低, 减小了稠油在井筒中的流动阻力,改善了稠油的流 动特性,达到了降粘防蜡的目的。油水混合后被抽 到地面,再进入油水分离装置,如此循环下去。 2关键部件设计 2.1加热炉的设计 冷凝式加热炉具有体积小、尺寸紧凑、效率 高、烟气低温冷凝式热回收等优点,适用于油田井 口采油系统的加热。设计目标:人口温度约15℃; 出口温度约75℃;单井最大注水量15 t/d。 加热炉主体结构如图2所示。采用热力学相关 计算 确定了加热炉的燃烧室长0.76 m,宽0.6 m,高1.1 m;加热炉额定输出功率105 高 运行压力0.3 然气耗量为12 h(标准 状态);加热炉水容量225 L。炉墙为双层结构, 外层(保温层)采用蛭石水泥板,内层(耐热层) 采用轻质粘土耐火砖。 燃气 进口 一主控制板;2一主换热器;5器;6一排风机;7一流量开关;8一隔热保温层;9一安全 接管。 2.2燃烧器的设计 管式多孑造容 易、操作方便的优点,适合要求迫切、周期不长且 对燃烧条件要求不高的场合,如矿山、工地、采油 现场。井口天然气加热稠油开采装置用于采油现 场,而且周期不长,条件比较恶劣,因此选用管式 多孔扩散燃烧器。 天然气管式多孔扩散燃烧器的设计公式为: /2p 耻 S:丽106V ~ (2) f=a'4 (3) n=4) f=5) 厶=(孚一1)z (6) D≥d (7) 式中—天然气流出火孔速度(保证 。小于 脱火极限速度),m/s; ——火孔流量系数, :0.62; p——初始压力,p——天然气的密度,kg/m ; 火孔总面积, ——标态下天然气单管耗气量,h; d——火孔直径,n——火孔总数(需要圆整); f——火孔间距,——火孔间距与直径的比例系数,.i}=6; ——火孔段有效长度,D——天然气管外径,给定设计参数:天然气密度0.841 56 kg/m , 流量系数为0.62,初始温度为20℃,初始压力为 196 管耗气量为2 m。/h,火孔直径取2 火孔深度取4 根据设计公式 得出单管燃烧器的结构参数 为:火孑孔间距10 式燃烧器 有效长度110 际长度为125 l"烧器直 径≥9.8 取外径为20 厚为4 单管燃烧器结构示意图如图3所示。 ◎ 图3 单管燃烧器结构示意图 将6个单管组合起来,共同接到天然气集气管 上,按星形布置。这样燃烧器耗气量为12 m /h, 考虑到效率问题,理论输出功率要达到105 星形连接燃烧器组结构示意图如图4所示。 各单管燃烧器与集气管之间通过密封螺纹连 一56一 石 油机械 2009年第37卷第5期 接,密封性要好。各单管对称分布,便于调节热负 荷,同时每个火焰都能充分接触空气,有利于完全 燃烧。 图4 星形连接燃烧器组结构示意图 3 天然气控制系统设计 天 天然气控制系统流程如图5所示。 图5天然气控制系统流程图 一负荷控制阀;3一燃烧器;4一火焰探 测头;5一点火电极;6一电磁单向阀;8一检漏装置; 9 天然气压力继电器;1、132一储气 罐;1 4一过滤器;1 5一单向阀;16一天然气/空气调节装置。 正常工作状态下,井下开采出来的天然气通过 过滤器过滤后,再经过调压器调节压力后进入储气 罐储存。当天然气产量下降不能满足正常输出功率 时,储气罐内储存的天然气会来补充。在正常工作 状态下,天然气加热炉将温度传感器信号输入燃气 控制系统,开启电源,风机启动运行,天然气/空 气调节装置驱动助燃风门至高燃烧负荷位置,开始 预吹扫;检漏装置自动进入检漏程序,天然气压力 继电器对2个串联的电磁阀之间部位进行压力检 测,如果电磁阀经检测有泄漏,则立即停止吹扫; 若电磁阀经检测无泄漏,则继续吹扫,到预定时间 后,调节机构驱动助燃风门及天然气调节蝶阀返回 至低燃烧负荷位置;经过低燃烧负荷位置验证后, 点火变压器开始工作,使点火电极产生电火花后, 天然气电磁阀开启。天然气进入燃烧器后由电火花 引燃形成火焰,经火焰探测头探测后,燃烧控制系 统进入正常燃烧状态。点火阀点火成功后关闭,因 此燃烧器会正常着火。天然气/空气调节装置是装 于天然气和空气管上的2个流量阀组成的联动装 置,正常运行过程中,燃烧控制系统的天然气/空 气调节装置随加热炉温度调节信号的变化对风门和 燃气流量调节蝶阀实施同步调节,使燃烧负荷与加 热炉的热需求相匹配。当燃烧控制系统接收到加热 炉停机信号后,主燃气阀立即关闭,火焰熄灭,按 预定时问进行后吹扫,风机关闭,系统停止运行。 4 现场应用 该装置于2007年11月至2008年1月在胜利油 田某油区1井试用,3个月内单井平均日产 稠油达8.3 t,应用该装置之前单井平均日产稠油 7.6 t,稠油采收率提高了9.2%。试用结果表明, 该装置能充分利用井下天然气资源来加热井下稠油, 收到了预期的降粘效果,提高了稠油产量,减少了 环境污染,取得了良好的经济效益和社会效益。 5 结 论 (1)设计了井口天然气燃烧加热稠油开采系 统的工艺流程和装置,并对关键部件进行了设计。 该装置适用于边际高含气稠油井的开采,可有效解 决边际稠油的开采问题,收到了预期的降粘效果。 (2)该装置在油田试用后,稠油采收率提高 了9.2%,减少了资源浪费和环境污染,取得了良 好的经济效益,具有广阔的推广和应用前景。 参考文献 [1] 王晖,史宝光,许浩伟,等.空心杆电加热用于 稠油开采[J].油气田地面工程,2003,22(10): 62. [2] 孙慧,张付生.稠油化学降粘研究进展[J].精 细与专用化学品,2005,13(23):16—20. [3] 袁宝歧,蔡惕民,袁名炎.加热炉原理与设计 [M].北京:航空工业出版社,1989. [4] 李方运.天然气燃烧及应用技术[M].北京:石 油工业出版社,2002:12. 第一作者简介:张浩,生于1983年,2007年毕业于 中国石油大学(华东)机械设计制造及自动化专业,现为 该校机械工程专业在读硕士研究生,主要从事石油钻采机 械的设计和研究工作。地址:(257061)山东省东营市。电 话:(0546)8396797。E—63.收稿日期:2008—11—07 (本文编辑王刚庆)
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