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摘 要

我国正处在工业化高速发展阶段，对油气化产品需求持续旺盛，消费高速增长，因此正确开发和合理利用有限的石油资源显得至关重要。世界各国和石油巨头不惜投入巨资用于油气的勘探和设备的改造，组合了一批石油热采及热能工程专家教授，经过十年的努力，终于开发出一套能大大提高石油采收率，降低开采成本的热采注气装置——PN15石油热采注气机。
   PN15石油热采注气机是利用燃烧学、流动力学、传热学、工程热力学的原理及其工程技术，产生高温高压的混合气体（温度150-350度，压力16-20mpa），直接注入油层，是一种热力开采的新技术，新设备。该设备简单，转场方便，自动化程度高，安全可靠。能够替代或补充目前锅炉单注水蒸汽的传统工艺，是一种节能环保产品。近几年先后在辽河，大庆，延安，胜利，吉林，华北及国外油田使用，取得良好的经济效果和社会效益。

关键词：石油采收率 热采注气装置 节能环保

Abstract

China is in the rapid development of industrialization, the demand for oil and gasification products is sustained, and consumption is growing, so it is very important to develop and reasonably utilize the limited petroleum resources.. Countries in the world and the oil giant to hesitate to invest heavily used in oil and gas exploration and equipment, combined with a number of oil heat extraction and thermal engineering experts and professors, after ten years of efforts, and finally developed a can greatly enhance oil recovery, reduce mining cost of heat production gas injection device, PN15 high-pressure gas injection.

PN15 high-pressure gas injection is using combustion science and fluid mechanics, heat transfer, engineering thermodynamics principle and engineering technology, produce high temperature and high pressure mixed gas (temperature 150-350 degree, pressure 16-20mpa), directly into the reservoir, is a new technology of thermal recovery and new equipment. The equipment is simple, convenient transport, high degree of automation, safe and reliable. Can replace or supplement the traditional process of boiler single steam injection, is a kind of energy-saving environmentally friendly products. In recent years, Daqing, Yanan, Shengli, Jilin, North China and foreign oilfields have been used in the Liaohe River, and have achieved good economic results and social benefits.

Keywords：Oil recovery;Thermal recovery gas injection device;Energy saving and environmental protection

目录

摘要 I

Abstract II

目录 i

第一章 绪论 1

1.1注气机发展背景 1

1.2注气机研究现状 2

第二章 注气机的性质 4

2.1注气机的主要结构 4

2.2注气机的基本原理 5

2.3注气机的特点 6

2.4 术语与定义 6

2.5型号与基本参数 7

第三章 注气机的相关工艺计算 8

3.1内压圆筒校核 8

3.2内压斜锥壳校核 12

第四章 发生器头部平盖有限元强度计算 13

4.1概述 13

4.2.1结构设计 13

4.2.2应力计算参数 13

4.3结构分析 14

4.3.1力学模型 12

4.3.2单元选择 15

4.3.3边界条件 16

4.4有限元应力计算 16

4.5强度评定 19

4.5.1应用规范及强度确定依据 19

4.5.2具体结构强度评定 20

4.6结论 20

第五章 控制系统的设计 21

5.1引言 21

5.2 控制系统总体功能分析 21

5.2.1控制系统主要功能 21

5.2.2控制系统人机交互物理量 22

5.2.3控制系统数据采集量 22

5.2.4关于智能化计算与启停控制 23

5.3控制系统设计步骤 23

5.4控制系统设计方案 24

5.4.1单片机选型 24

5.4.2系统中的开关量 25

5.4.3硬件电路设计 25

第六章 附录 27

结束语 29

致谢 32

第一章 绪论

1.1注气机发展背景

发达国家的注气机已经普遍实现整个注气过程工艺参数的在线监测，并采用计算机闭环控制，这对保证工艺条件的稳定，提高产品精度都很有利。国外注气机械朝着大型，精密，高速，高效，多功能，节能，低噪声和电脑化方向发展。并对注气机的运动和清洗进行了深入的研究。与国外相比，我国的注气机研究技术和设计还比较落后。

适用高压注气机配合进行石油吞吐，段塞驱工艺应用，是一种可持续发展的油田开采方式。其有效期和影响远远超过一般的增产措施。同时作为一种开采方式的转换，通过改善目前的降压开采方式，逐步实现保持地层压力开采，是切实可行的，效果也是十分明显的。另外在能源十分紧缺的世界环境下，合理和有效地开采石油资源显得十分重要。使用注气机后，使单口油井的采油量大大提高。设备结构简单，移动方便快捷（移场只需半天时间），不需要大量的地面管道，节约了很多人力物力和财力。而且根据油田石油油藏的开采现状，其现有条件已完全能满足设备使用要求。同时此高压注气机先后在辽河、大庆、胜利、吉林、延安、华北等油田已推广使用，效果良好。综上所述，在国内外油田的石油开采中，该设备有着十分广阔的推广前景。

1.2注气机研究现状

石油开发方面几乎所有的技术都源于国外，都是在国外首先提出、研发和商业应用的，1959年在委内瑞拉由壳牌公司在明格兰德油田开始蒸汽吞吐开采稠油，20世纪60年代之后，开始了工业化开采。

目前在美国，稠油蒸汽驱热采技术属国际领先；在加拿大，稠油开发主要靠SAGD（蒸汽辅助重力泄油）技术；在委内瑞拉，稠油开发技术主要放在了改善蒸汽吞吐开采效果上。近年来，国外稠油开采技术的进展主要有：蒸汽辅助重力泄油技术、稠油出砂冷采技术、稠油气体溶剂超临界萃取冷采技术、重力辅助火烧油层技术、电磁波热采技术等。如美国加利福尼亚外I Kern River油田和印度尼西亚Duf油田的大型蒸汽驱项目。采收率高达55%～70%，油汽比均超过0.25，开采效果好、经济效益高。美国、加拿大在稠油开发和开采方面，包括蒸汽驱热能管、油藏监测等都处于国际领先水平。

我国自20世纪90年代以来就在四大稠油区相继开展蒸汽驱先导性试验，目前我国的稠油油藏蒸汽吞吐技术已基本配套，形成了深达1600m的蒸汽吞吐系列，成为我国稠油开采的主导技术，而且在今后若干年中仍将继续发挥主导作用。稠油蒸汽吞吐在高轮次开采情况下产量递减加快。“九五”递减总量比“八五”增加了212万t。而新井产量占基础井的比例由72%降为38%，在这种情况下，一方面通过加大措施工作量，使措施增产比例由40%加大到46%，多增油163万t；另一方面应用改进的蒸汽吞吐技术，如分层注汽、投球选注等，改善蒸汽波及体积，使纵向动用程度由“八五”初期的40%左右提高到60%，在极端困难的条件下实现了稠油产量稳中有增。

与此同时，还发展了普通稠油油藏注水后转注蒸汽开发的新技术，扩大了热采领域。

在稠油吞吐转驱方面，新疆浅层稠油蒸汽驱矿场试验已获成功，蒸汽驱井组从1995年的252扩大到557个。2000年气驱产量为91.254万t，油汽比（OSR）将达到0.22。在辽河油区发展了超稠油蒸汽吞吐配套技术，超稠油生产能力已达到100万t以上。截止2002年底，我国应用热力开采技术已累计动用地质储量12.6亿t，当年产量1267t。使我国成为世界第四大稠油生产国。

由于蒸汽吞吐见效快，容易控制，工作灵活，因而得到了快速发展。但一般经过几个周期的连续吞吐，含水饱和度的增加使油水比上升，吞吐效果将逐渐变差。

目前蒸汽吞吐技术存在的问题及解决的办法有：

（1）热采完井及防砂技术

热采完井方面主要存在的问题是套管变形。针对出砂这一问题，通常采用的方法是利用绕丝管砾石充填防砂，但这种方法对细粉砂效果差，多次吞吐后易失败。

（2）注汽井筒隔热技术

针对注汽过程中热量损失问题，研究应用了隔热技术，如使用超级隔热油管、绝热同心连续油管、隔热接箍、环空密封、喷涂防辐射层。

（3）注汽监控系统

在注汽过程中，需要监测和控制蒸汽参数，以提高注汽的应用效果。为此，可应用地面水蒸汽流量、干度测量技术，地面水蒸汽分配与调节技术，井下压力、温度、流量、干度等注汽参数检测技术等^[2]。

第二章 注气机的性质

2.1注气机的主要结构

设备主要由气体发生器、高压空气、油水供给系统，全自动电脑监控系统及机箱组成。整机纳入两个钢制机箱内。其中一个安放空压机，另一个安装气体发生器、水泵、油泵、微机控制室及油箱、水箱、计量器、水处理装置等其他附件。整体以机箱为单元，可整体吊装，随时转场，安放在井口向井下直接注气。机箱设置保暖与通风结构，具有良好的野外作业条件。

图2.1 高压注气机系统框图

混合气体发生器：

主要由燃烧室和混合室组成。在燃烧室中以柴油为燃烧剂，空气为氧化剂，在高压条件下点火燃烧，形成高温高压气体，在喷入混合室与喷入的高压水掺混。通过热交换产生水蒸汽、氮气、二氧化碳的混合气。在高温高压下高速注入油层，以增加油层的压力和热能。注入油层的高温高压混合气中含有相当比例的不凝气体氮气和二氧化碳。可以有效降低原油的粘度，增加原油的流动性，提高采油率。

2.2注气机的基本原理

蒸汽吞吐采油技术工艺:

蒸汽吞吐的工艺过程是先向油井注入一定量的蒸气，关井一段时间，待蒸汽的热能向油层扩散后，再开井生产，即在同一口井进行注入蒸汽、关井浸泡（闷井及开井生产3个阶段，蒸汽吞吐工艺描述如图2-2。注入蒸汽的量以及闷井的时间是根据井深、油层性质、原油粘度、井筒热损失等条件预先设计好的。

图2.2 蒸汽吞吐工艺

通常注入蒸汽的数量按水当量计算，注入蒸汽的干度要高，井底蒸汽干度要求达到50以上；注入压力及速度以不超过油藏破裂压力为上限。

适于蒸汽吞吐开采技术的油藏筛选标准见表2-2。

表2-2 适于蒸汽吞吐油藏筛选标准

2.3注气机的特点

1. 高温高压的氮气具有很大的弹性，注入油层后，可以形成较大的区域，有效地驱动地层中的原油及冷凝油，从而增加原油的流动性。同时高温高压的氮气能和地下水或其他物质作用，会产生一定数量的泡沫，有效地堵塞高渗透通道，使热能得到充分的利用。二氧化碳遇到水形成弱酸，可以清洗油层沙粒和岩石，增加原油的流动性。

2. 注入的气体体积大，回收容易，便于重复开采。一台注气机产生的混合气注入油层形成的体积，约为一台23吨 蒸汽锅炉注入蒸汽的1.5倍。由于大量高压气体的存在，具有明显的弹性作用，可增加对地层流动体的驱动能力，并且具有很大的渗透力，可以大大扩展采油面积。注入的混合气干度高，在井内存储一定时间后，可以进行排空，而锅炉注蒸汽，几个轮回后油层中存在大量的水，造成采液量上升而采油量下降的现象。而且锅炉注蒸汽几次后效果会大大降低。但是采用热采注气机后就相反，经过多轮注气后效果越来越明显。经过各大油田的实际运用采收率与原油产量都提高20%左右。

2.4 术语与定义

1. G

是指在稳定运行状态由本装置气体发生器注气口排出的水蒸气、氮气、二氧化碳等混合气体的质量总和，以进入气体发生器的空气、水、油的质量总和为代表值。

注1：注气流量用吨/小时（t/h）表示。

2． 注气压力

P

是指由本装置气体发生器注气口排出的气体所能达到的压力，以气体发生器排气管处的气体压力为示值。

注2：注气压力用兆帕(MPa)表示。

3． 注气温度

T

是指由本装置气体发生器注气口排出的混合气体所能达到的温度，以气体发生器排气管处的气体温度为示值。

注3：注气温度用摄氏度(℃)表示。

2.5型号与基本参数

装置的型号表示如下：

S Z G－a －b

最大注气压力，以阿拉伯数字表示，单位为兆帕（MPa）

额定注气流量，以阿拉伯数字表示，单位为吨/小时

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