[发明专利]一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法

说明书

【技术领域】

本发明属于石油工程多相流技术领域，特别涉及一种抑制海洋油气采输过程中集输-立管结构严重段塞流流型的控制方法。

【背景技术】

为了节约油气田的海底或平台工程投资及运行费用、充分利用伴生天然气资源并减少环境污染，在海洋石油、天然气工业中通常采用油气混输管路。然而，由于海底管线沿复杂起伏地形铺设以及将海底集输管道中原油输送至海上平台所需立管结构的存在，多相混输技术在带来明显的经济效益的同时，也带来了亟待解决的技术难题，其中最突出就是严重段塞流的问题。

在油气集输-立管管路系统中，当气液流速较低时，海底集输管道内的石油会积聚在立管的底部，阻止天然气进入立管并将其压缩在上游集输管道内。随着来流的增加，立管内的液位不断升高，被压缩天然气的压力不断增大，当其压力足够大时，便进入立管，并推动管内的液塞快速喷出，此即为严重段塞流现象。

严重段塞流发生时其液塞长度可达一个或几个立管高度，由海洋油田水深决定，立管可达几百米甚至几千米。严重段塞流的产生对海上平台的安全生产和稳定运行带来了极大的威胁，主要表现在以下几个方面：1)立管管线内的长距离液塞使得井口背压增大，对管壁的耐压性能要求提高，同时高背压降低了油气的产量，严重时可能导致死井；2)立管内气液交替流出，造成立管压差的剧烈波动会引发管线的振动，同时与海水对管道的冲击力耦合，造成管道接头和支柱的机械疲劳，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性构成危害；3)立管内气液的交替流出加剧了管壁的冲蚀。这是由于高速紊流造成管壁出现较高的剪应力，在流体冲刷和剪切的共同作用下，管壁表面膜(缓蚀剂膜和腐蚀沉积物)被损坏剥落，加剧了腐蚀及冲蚀效应，使腐蚀显著增大；4)管道出口处气、液交替流出，造成下游分离器溢流或断流现象，段塞流捕集器不能稳定运行，同时，压力波动也会引起油气产量的波动，使得平台上的增压设备(多相泵和压缩机等)在泵送过程中易产生气蚀现象，输送泵效率和可靠性降低；5)立管中气体在喷发过程中会产生焦耳一汤姆逊降温效应，使混输流体温度降低，导致管壁结蜡和水合物的形成，阻塞管道。

为了使海洋油气生产安全稳定进行，必须采取一定的措施，消除或抑制严重段塞流现象。严重段塞流的实质是立管中气液两相流的交替流出，由于气液两相的密度差造成立管压力压差的大幅波动，因此抑制严重段塞流的根本方法是使立管内气液稳定连续流出，消除立管压差波动。通过众多学者的研究，控制与消除严重段塞流的方法已经有很多报道，主要包括加装段塞捕集器、分离分相输送、改变管道结构、分离器背压控制法、注气与自气举法、顶部阀门自动控制法等。其中，通过分离器背压抑制严重段塞流的方法早在二十世纪八十年代就引起Schmidt(1985)、Taitel(1986)等学者的注意，这种方法通过提高分离器压力使得严重段塞流的发生区域在流型图上减小，可以有效的抑制严重段塞流的产生且不需要加装设备及修改管路，最为经济实用，但是大幅增加分离器背压会造成油气产量的降低，严重时可能导致死井事故。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，利用油气混输管线结构中气液分离器压力的串级PID控制来抑制集输-立管严重段塞流的发生，同时在上述过程中采用并行运行的PID控制方法保持气液分离器液位的稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法，应用于海洋油气生产中所采用的集输-立管管路系统中，所述集输-立管管路系统包括立管和设置于立管顶部的气液分离器；立管顶部的气液分离器顶部设有排气阀，底部设有排液阀；

所述动态控制分离器压力抑制严重段塞流的方法包括：以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的同时；以气液分离器排气阀开度为操纵变量，通过串级PID运算，主回路稳定立管压差，副回路稳定气液分离器压力，主回路的输出作为副回路的设定值；液位及压力控制回路并行运行。

优选的，以气液分离器排液阀开度为操纵变量，通过独立的单回路PID运算，保持气液分离器液位稳定的步骤包括：1)给定液位的设定值H_sp；2)通过磁浮子液位计测量气液分离器实际液位H_sep；3)将液位设定值与测量值的差值e₁进行PID运算，得到排液阀开度V_liquid(t)；

e₁＝H_sp-H_sep