一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法
【專利說明】一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于石油工程多相流技術領域，特別涉及一種抑制海洋油氣采輸過程中集 輸-立管結構嚴重段塞流流型的控制方法。 【【背景技術】】
[0002] 為了節約油氣田的海底或平臺工程投資及運行費用、充分利用伴生天然氣資源并 減少環境污染，在海洋石油、天然氣工業中通常采用油氣混輸管路。然而，由于海底管線沿 復雜起伏地形鋪設以及將海底集輸管道中原油輸送至海上平臺所需立管結構的存在，多相 混輸技術在帶來明顯的經濟效益的同時，也帶來了亟待解決的技術難題，其中最突出就是 嚴重段塞流的問題。
[0003] 在油氣集輸-立管管路系統中，當氣液流速較低時，海底集輸管道內的石油會積 聚在立管的底部，阻止天然氣進入立管并將其壓縮在上游集輸管道內。隨著來流的增加，立 管內的液位不斷升高，被壓縮天然氣的壓力不斷增大，當其壓力足夠大時，便進入立管，并 推動管內的液塞快速噴出，此即為嚴重段塞流現象。
[0004] 嚴重段塞流發生時其液塞長度可達一個或幾個立管高度，由海洋油田水深決定， 立管可達幾百米甚至幾千米。嚴重段塞流的產生對海上平臺的安全生產和穩定運行帶來了 極大的威脅，主要表現在以下幾個方面：1)立管管線內的長距離液塞使得井口背壓增大， 對管壁的耐壓性能要求提高，同時高背壓降低了油氣的產量，嚴重時可能導致死井；2)立 管內氣液交替流出，造成立管壓差的劇烈波動會引發管線的振動，同時與海水對管道的沖 擊力耦合，造成管道接頭和支柱的機械疲勞，對作業平臺的結構強度、安全性和穩定性構成 危害；3)立管內氣液的交替流出加劇了管壁的沖蝕。這是由于高速紊流造成管壁出現較高 的剪應力，在流體沖刷和剪切的共同作用下，管壁表面膜（緩蝕劑膜和腐蝕沉積物）被損壞 剝落，加劇了腐蝕及沖蝕效應，使腐蝕顯著增大；4)管道出口處氣、液交替流出，造成下游 分離器溢流或斷流現象，段塞流捕集器不能穩定運行，同時，壓力波動也會引起油氣產量的 波動，使得平臺上的增壓設備（多相泵和壓縮機等）在泵送過程中易產生氣蝕現象，輸送泵 效率和可靠性降低；5)立管中氣體在噴發過程中會產生焦耳一湯姆遜降溫效應，使混輸流 體溫度降低，導致管壁結蠟和水合物的形成，阻塞管道。
[0005] 為了使海洋油氣生產安全穩定進行，必須采取一定的措施，消除或抑制嚴重段塞 流現象。嚴重段塞流的實質是立管中氣液兩相流的交替流出，由于氣液兩相的密度差造 成立管壓力壓差的大幅波動，因此抑制嚴重段塞流的根本方法是使立管內氣液穩定連續流 出，消除立管壓差波動。通過眾多學者的研宄，控制與消除嚴重段塞流的方法已經有很多報 道，主要包括加裝段塞捕集器、分離分相輸送、改變管道結構、分離器背壓控制法、注氣與自 氣舉法、頂部閥門自動控制法等。其中，通過分離器背壓抑制嚴重段塞流的方法早在二十世 紀八十年代就引起Schmidt (1985)、Taitel (1986)等學者的注意，這種方法通過提高分離 器壓力使得嚴重段塞流的發生區域在流型圖上減小，可以有效的抑制嚴重段塞流的產生且 不需要加裝設備及修改管路，最為經濟實用，但是大幅增加分離器背壓會造成油氣產量的 降低，嚴重時可能導致死井事故。 【
【發明內容】
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[0006] 本發明的目的在于提供一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，利用油 氣混輸管線結構中氣液分離器壓力的串級PID控制來抑制集輸-立管嚴重段塞流的發生， 同時在上述過程中采用并行運行的PID控制方法保持氣液分離器液位的穩定。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0008] 一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，應用于海洋油氣生產中所采用 的集輸-立管管路系統中，所述集輸-立管管路系統包括立管和設置于立管頂部的氣液分 離器；立管頂部的氣液分離器頂部設有排氣閥，底部設有排液閥；
[0009] 所述動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法包括：以氣液分離器排液閥開度 為操縱變量，通過獨立的單回路PID運算，保持氣液分離器液位穩定的同時；以氣液分離器 排氣閥開度為操縱變量，通過串級PID運算，主回路穩定立管壓差，副回路穩定氣液分離器 壓力，主回路的輸出作為副回路的設定值；液位及壓力控制回路并行運行。
[0010] 優選的，以氣液分離器排液閥開度為操縱變量，通過獨立的單回路PID運算，保持 氣液分離器液位穩定的步驟包括：1)給定液位的設定值Hsp;2)通過磁浮子液位計測量氣液 分離器實際液位H_;3)將液位設定值與測量值的差值ei進行PID運算，得到排液閥開度 Vliquid(t);
[0011] e!=Hsp~Hsep
【主權項】
1. 一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在于，應用于海洋油氣生 產中所采用的集輸-立管管路系統中，所述集輸-立管管路系統包括立管和設置于立管頂 部的氣液分離器；立管頂部的氣液分離器頂部設有排氣閥，底部設有排液閥； 所述動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法包括；W氣液分離器排液閥開度為 操縱變量，通過獨立的單回路PID運算，保持氣液分離器液位穩定的同時；W氣液分離器排 氣閥開度為操縱變量，通過串級PID運算，主回路穩定立管壓差，副回路穩定氣液分離器壓 力，主回路的輸出作為副回路的設定值；液位及壓力控制回路并行運行。
2. 根據權利要求1所述的一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在 于，W氣液分離器排液閥開度為操縱變量，通過獨立的單回路PID運算，保持氣液分離器液 位穩定的步驟包括；1)給定液位的設定值馬p;2)通過磁浮子液位計測量氣液分離器實際液 位Hwp;3)將液位設定值與測量值的差值e1進行PID運算，得到排液閥開度Vliquid(t); 6i=Hsp-Hwp
其中，Kt、Ti、Td分別為液位PID控制參數中的比例增益系數、積分時間常數和微分時間 常數。
3. 根據權利要求1所述的一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在 于，W氣液分離器排氣閥開度為操縱變量，通過串級PID運算，主回路穩定立管壓差，副回 路穩定氣液分離器壓力具體包括；1)給定立管壓差的設定值DP,p;2)通過壓差傳感器測量 立管壓差的實際值DPig;3)將立管壓差的設定值DP與測量值DPig的差值e2進行串級控制 的主回路控制器運算，得到氣液分離器壓力的動態設定值P,p(t) ;4)通過壓力傳感器測量 氣液分離器壓力的實際值Pwp;5)將氣液分離器壓力設定值P,p(t)與測量值Pwp的差值03， 進行串級控制的副回路控制器運算，得到分離器排氣閥的實時開度Vga,(t);
其中，K't、T'i、T'd分別為串級PID主回路控制參數中的比例增益系數、積分時間 常數和微分時間常數；K"t、T"i、T"d分別為串級PID副回路控制參數中的比例增益系 數、積分時間常數和微分時間常數。
4. 根據權利要求1所述的一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在 于，氣液分離器排液閥和氣液分離器排氣閥的最小動作幅度為1%。
5. 根據權利要求1所述的一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在 于，分離器液位的單回路PID運算中PID參數的整定過程包括；首先斷開串級PID控制器， 單獨打開單回路PID液位控制，按常規的PID參數整定規則確定其參數，待液位維持穩定 后，進行串級PID參數的整定。
6.根據權利要求1所述的一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，其特征在 于，立管壓差的串級PID運算中PID參數的整定采用逐步逼近法，依次整定副回路、主回路， 然后循環進行，逐步接近主、副回路的最佳整定方案，其步驟如下；1)首先整定副回路，此 時斷開主回路，僅保留分離器壓力的單回路PID控制，按照常規的PID參數整定規則，獲取 副PID控制器PC2的整定參數，得到第一次的整定值，記作[GpJi;2)整定主回路，把上述 整定好的副回路作為主回路的一部分，仍按照單回路整定規則，求取主PID控制器PC1的整 定參數，記作[GpJi;3)再次整定副回路，此時副回路與主回路均閉合，在主PID控制器PC1 的整定參數為[GpJ1的條件下，按照單回路整定方法，重新求取副PID控制器PC2的整定 參數，記為[Gpj2;4)按照步驟2)重新整定主回路，得到主PID控制器PC1的整定參數，記 為記作[Gpj2;5)測試串級控制效果，若不滿足要求則循環進行3)、4)步調試，直到結果滿 >旨、〇
【專利摘要】本發明公開了一種動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法，應用于海洋油氣生產中所采用的集輸-立管管路系統中，集輸-立管管路系統包括立管和設置于立管頂部的氣液分離器；立管頂部的氣液分離器頂部設有排氣閥，底部設有排液閥；動態控制分離器壓力抑制嚴重段塞流的方法包括：以氣液分離器排液閥開度為操縱變量，通過獨立的單回路PID運算，保持氣液分離器液位穩定的同時；以氣液分離器排氣閥開度為操縱變量，通過串級PID運算，主回路穩定立管壓差，副回路穩定氣液分離器壓力，主回路的輸出作為副回路的設定值；液位及壓力控制回路并行運行。本發明抑制嚴重段塞流發生的同時，使系統保持穩定且能夠大幅降低分離器的壓力，增加油氣產量。
【IPC分類】F17D1-00, F17D3-01, F17D5-00
【公開號】CN104791604
【申請號】CN201510125591
【發明人】郭烈錦, 周宏亮, 謝晨, 李文升
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月20日