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第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

1 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法 编写人:王建国 目录1水的性质.

2 1.1 临界点 K 和饱和曲线.3 1.2 三个状态区.3 1.3 四组等参数线.3

2 各干度的含义.4

3 输出控制及查看方法.8 3.1 STQUAL 井筒内流动干度(Special 输出指定位置)8 3.2 STMQUAL 井底流动干度(适用灵活井模型)10 3.3 QUALBLK 油藏(网格)流动干度.12 3.4 STEAMQUAL 油藏(网格)静态干度

15 4 应用案例:灵活井井筒内蒸汽干度的输出.16 在用 STARS 做热采模拟时,蒸汽干度是需要经常考察的一个参数. 首先回顾一下蒸汽干度的含义.蒸汽干度(steam quality)一般是指每千克 湿蒸汽中含有干饱和蒸汽的质量分数. 在一定压力下的沸腾点温度产生的蒸汽称 为干饱和蒸汽,此时干度为 1.但热采开发中一般很少产生 100%的干蒸汽,通 常都带有一定量的液滴. 如果水蒸汽中含有 10%质量的液态水分, 则蒸汽干度为 0.9. 蒸汽注入过程中,经过这样一个流动路径:从锅炉(蒸汽发生器)出口,经 过地面管线到达井口, 然后经过井筒到达井底,有时还会从油管到环空再到射孔 点,穿过射孔或通过裸眼进入油藏,最后在复杂的油藏内流动,如图

1 所示.这 一路下来,随着沿程压力、温度及热损失的变化,蒸汽干度也会发生变化. 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

2 图1蒸汽流动路径示意图 那么到底有哪些因素会影响蒸汽干度的变化呢?下面先来认识一下水的性 质.

1 水的性质 首先从水的压力-热焓图说起,如图

2 所示.该图纵坐标是绝对压力,横坐 标是比焓值 H.我们从以下几个方面来认识水的性质. 图2水的压力-热焓图 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

3 1.1 临界点 K 和饱和曲线 临界点 K 为两根粗实线的交点.在该点,水的液态和气态差别消失,水的 密度和它的饱和蒸汽密度相等,这种状态叫做水的临界状态.这时,就分不出水 和蒸汽的界限, 水在不需要汽化潜热的情况下就成为饱和蒸汽.水的临界压力值 为22.13MPa,临界温度值为 374.15℃. K 点左边的粗实线 Ka 为饱和液体线,也叫泡点线,在Ka 线上任意一点的 状态,均是相应压力的饱和液体,干度为 0. K 点的右边粗实线 Kb 为饱和蒸汽线,也叫露点线,在Kb 线上任意一点的 状态均为饱和蒸汽状态,或称干蒸汽,干度为 1. 1.2 三个状态区 Ka 左侧――液相区,该区域内水的温度低于给定压力下的饱和温度.比 如我们生活中的水,在大气压下,其温度低于其饱和温度 100℃. Kb 右侧――过热蒸汽区,该区域内的蒸汽温度高于给定压力下的饱和温 度,过热蒸汽中没有液相.例如在大气压下,如果把水加热到 100℃以上,则 全部变为蒸汽. Ka 和Kb 之间――湿蒸汽区,即气液共存区或气液两相区.该区内水 处于饱和状态,压力和温度为一一对应关系.所以在用 STARS 做常规的热采 (注湿蒸汽)模拟时,只需要输入蒸汽的温度和干度即可,压力可从饱和状态导 出. 1.3 四组等参数线 (1)等压线:图上与横座标轴相平行的水平细虚线均是等压线,同一水平 线的压力均相等. (2)等焓线:图上与横坐标轴垂直的细虚线为等焓线,不论其状态如何, 同一等焓线上的焓值均相同. (3)等温线:图上用粉色点划线表示的为等温线.等温线在不同的区域变 化形状不同, 在液相区等温线几乎与横坐标轴垂直;

在气液两相区却是与横坐标 轴平行的水平线;

在过热蒸汽区为向右下方急剧弯曲的倾斜线. 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

4 (4)等干度线:从临界点 K 出发,把气液两相区内相同的干度点连接而成 的线为等干度线,图中是 Ka 和Kb 之间的黑色虚线.它只存在于气液两相区内. 上述四个状态参数(p、h、t、x)中,只要知道其中任意两个状态参数值, 就可确定水的热力状态.在压力-热焓图上确定其状态点,可查取该点的其余四 个状态参数. 热采中采用的蒸汽一般都是湿蒸汽, 即蒸汽干度小于

1 的含有液态水的饱和 蒸汽,偶尔也使用过热蒸汽.湿蒸汽的焓表示为: H = HW + X LV 式中 H―湿蒸汽的焓,kJ/kg;

HW―饱和水的焓,kJ/kg;

LV―汽化潜热,kJ/kg;

X―湿蒸汽的干度. 由于汽化潜热是液体转化为蒸汽时温度不变而吸收的热量, 在压力―热焓图 中,汽化潜热是在一定压力下露点线与泡点线之间横坐标的差值,如图

2 所示. 由此可知,蒸汽的干度主要受热焓和压力、温度的影响.STARS 中对于湿蒸汽 只需要输入注汽温度和干度即可确定热焓,而对于过热蒸汽,除了定义干度为

1 之外,还需要输入压力和温度才能确定热焓. 水的气液两相体系在不同的状态下,其干度的计算方法是不同的.在如上所 述的稳定状态下,干度是压力和温度的函数,也就是说在一个密闭的容器内,在 某一压力和温度下达到气液平衡时, 干度只受压力和温度影响. 而在流动状态下, 干度则取决于气相或液相的相对流度.本文暂且将前者称为静态干度,后者称为 流动干度.在油藏数值模拟中,只有油藏网格中考虑静态干度,而蒸汽在井筒内 或油藏中流动过程中的干度均属于流动干度.

2 各干度的含义 在油藏数值模拟过程中, 用户需要清楚的知道注入的蒸汽在井口、井筒内不 同位置(泵、各个射孔点或参考深度)以及油藏不同位置的干度值,以便更好的 控制注蒸汽开发效果. 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

5 图34个干度关键字代表的位置示意图 STARS 模拟器可以计算并输出蒸汽从井口到井底以及到油藏各个位置的干 度,并为此设计了

4 个关键字,用于输出不同条件下的蒸汽干度(steam quality) 值,见图

3 和表 1.这些参数根据其数据计算方法和应用环境不同,含义也不完 全相同.用户使用过程中容易将其混淆,本文就此做一梳理. 表1STARS 中输出的干度关键字汇总 参数名称 项目 内容 井筒内 流动干度 关键字 STQUAL 干度类型 流动干度 位置 井筒内(井口、泵、井底、指定射孔点) 使用格式 *OUTSRF *SPECIAL PHWELL well STQUAL … (直井段的井口、泵或井底) *OUTSRF *SPECIAL WELL_LAYER well uba STQUAL (指定射孔点) 备注 有*HEAD-METHOD *GRAV-FRIC-HLOS 或*PHWELLBORE 时才能输出, 输出时需要指定位置. 井筒内流动干 度 关键字 STMQUAL 干度类型 流动干度 位置 注汽井井底 第76 期:STARS 中多个蒸汽干度的区别及查看方法

6 使用格式 *OUTSRF *SPECIAL STMQUAL well (井底或参考位置处的射孔点) *OUTSRF *FLEXLAYER *STMQUAL (所有射孔点) 备注 输出时不需要指定具体位置 指定网格的流 动干度 关键字 QUALBLK 干度类型 流动干度 位置 指定网格或所有网格 使用格式 *OUTSRF *SPECIAL special_his QUALBLK 或*OUTSRF *GRID QUALBLK STEAMQUAL special_his = BLOCKVAR | MAXVAR | MINVAR | AVGVAR........