專利名稱：多相流體物流中團狀流動的抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抑制多相流體物流中團狀流動的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種防止流經(jīng)一包括立管段和位于立管段下游的氣/液分離器的流動管線系統(tǒng)的多相流體物流中液體團塊生長的方法和系統(tǒng)。
在石油和天然氣工業(yè)中，通常作法是將含有原油或冷凝液、水及氣體的多相流體經(jīng)一單獨的管線系統(tǒng)從油井輸送到加工設(shè)備。例如，對于海上石油生產(chǎn)原油，生產(chǎn)水和伴生氣一般同時通過一單獨的海底管線輸送到位于海岸或海上石油平臺的氣/液分離設(shè)備。在這種多相流體物流中已知有數(shù)種流動狀態(tài)，包括分層流動、空心流動、霧狀流動以及團狀流動。在這些流動類型中，由于團狀流動含有交替的液團和氣團，因此一般要加以避免。在特定的流動條件下液團的生長可容易地發(fā)生，這導致嚴重的阻塞，由此在流動管線系統(tǒng)的出口就出現(xiàn)生產(chǎn)饑餓(無流量)、巨大液團和強烈氣體波動交替發(fā)生的這樣一種流動型式。將這種液團與氣體波動交替發(fā)生類型的流體流動提供給氣/液分離器會強烈地降低分離器的效率，這是由于氣/液分離器必須在容許的壓力波動下操作，而且在流體輸送時氣體出口的液含量應為可容許的低水平而液體出口的氣含量也應為可容許的低水平。
在Oil & Gas Journal，Nov.12，1979中公開了一種通過管線系統(tǒng)同時輸送氣體和液體時防止管線系統(tǒng)中團狀生長的方法。在這一公知的方法中，在立管頂部裝設(shè)有一個閥門，該閥門手動和自動操作以使立管上游的管線壓力最小并使立管中的差壓波動最小。采用變送器來傳送壓力信號控制該閥，傳送器安裝在管線系統(tǒng)的海底部分。這一公知的方法是基于這樣的假設(shè)只有當管線具有沿流動方向觀察為向下傾斜的管段時才會發(fā)生嚴重阻塞并且能夠通過將流體體積流量按流體壓力變動的函數(shù)關(guān)系來調(diào)節(jié)而得以防止。
歐洲專利說明書第410522號公開了一種防止從流動管線流入一氣/液分離器的多相流體物流中團塊生長的方法，在此設(shè)有流體流量控制裝置來調(diào)節(jié)流體流量。
該公知的方法包括測量分離器液體出口的液體流量及其氣體出口的氣體流量，確定定義為液體流量與氣體流量之和的流體流量；對流體流量控制裝置進行操作以降低流體流量的變動。這一公知的方法的一個缺陷是難于測量多相流體物流中的液體和氣體流量之和并且需要復雜的測量設(shè)備。
本發(fā)明的一個目的是提供一種在流動管線系統(tǒng)中防止液團生長的改進方法和系統(tǒng)。
更具體地說，本發(fā)明目的是提供一種防止從流動管線流入一具有裝設(shè)了液體流量控制裝置的液體出口和裝設(shè)了氣體流量控制裝置的氣體出口的氣/液分離器的多相流體物流中液團生長的方法。
本發(fā)明的方法包括以下步驟-測量分離器中的液位；-對選自液體出口的液體流量、氣體出口的氣體流量、液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和以及分離器處或鄰近分離器的流體壓力的至少一個控制變量進行測量；并-對所說的液體流量控制裝置和所說的氣體流量控制裝置進行操作以便減小所說的液位與所選定的液位參考值之間的偏差并減小所說的控制變量與所選定的控制變量參考值之間的偏差。
控制分離器中的液位使其盡可能穩(wěn)定并對控制變量加以控制使其盡可能穩(wěn)定，在流動管線系統(tǒng)中就可實現(xiàn)對于流動狀況的改進的控制，因此能夠按改進的方式來防止液團的生長。進一步還發(fā)現(xiàn)能夠選擇液體流量、氣體流量或者流體壓力作為控制變量，而不選擇流體流量(液體流量與氣體流量之和)作控制變量。
此外，本發(fā)明的目的是提供一種防止從流動管線流入一具有裝設(shè)了液體流量控制裝置的液體出口和裝設(shè)了氣體流量控制裝置的氣體出口的氣/液分離器的多相流體物流中液團生長的系統(tǒng)。本發(fā)明的系統(tǒng)包括-測量分離器中液位的裝置，-對選自液體出口的液體流量、氣體出口的氣體流量、液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和以及分離器處或鄰近分離器的流體壓力的至少一個控制變量進行測量的裝置；以及
-對所說的液體流量控制裝置和所說的氣體流量控制裝置進行操作的裝置，以便減小所說的液位與所選定的液位參考值之間的偏差并減小所說的控制變量與所選定的該控制變量的參考值之間的偏差。
雖然嚴重阻塞可能有多種原因，但一般認為有兩種物理機制導致了嚴重的阻塞。第一種機制是液體積聚在管線系統(tǒng)的低位點由此阻塞了氣體流動；第二種機制是當液團流過管線系統(tǒng)的向上傾斜管段時液團使管線中流體的速度降低，由此引起氣壓升高并導致向上傾斜管段上游的持液量增加。這種向上傾斜管段可以例如是海上石油生產(chǎn)立管。當液團離開向上傾斜的管段時，由于氣體壓力升高流體流動稍有加速。在離開向上傾斜管段的液團上游的下一個液團也加速并由此卷動數(shù)量增加的持液量。因此該下一液團有一定程度的生長，導致隨后的速度波動增強。以此方式，在長度上不斷增加的液團從管線系統(tǒng)中排出。第二種機制可能支持第一種機制，但是也發(fā)現(xiàn)當管線系統(tǒng)中不存在低位點時它也會發(fā)生。
流動管線優(yōu)選形成通往海上石油平臺的海底管線系統(tǒng)的下游端管段，所說的下游端管段可適宜地是通入氣/液分離器的立管。
如果對所說的液體控制裝置進行操作以減小所說的液位與所選定的液位參考值之間的偏差，并對所說的氣體流量控制裝置進行操作以減小所說的控制變量與所選定的該控制變量參考值之間的偏差，就能有效地實現(xiàn)對分離器中液位的控制。
在本方法的開工階段，例如當控制由手動切換到自動(這可以就在由于已進入立管段的液團中的累積液體將上述立管段阻塞之后并在所說的液團進入分離器之前進行)時，所說的控制變量優(yōu)選為分離器處或鄰近分離器的流體壓力。當在上述的開工階段液團已開始進入分離器時，所說的控制變量適宜地選為分離器液體出口的液體流量。
若持續(xù)或在開工階段之后選擇分離器液體出口的液體流量作為所說的控制變量，可以有效地控制嚴重的團狀流動。
另一方面，所說的控制變量可適宜地持續(xù)或在開工階段之后選為液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和。
當所說的控制變量為液體流量或液體流量和氣體流量之和時，控制變量的參考值能夠從上游測量中得到，或者能夠適宜地通過減小分離器處或鄰近分離器的流體壓力與所選定的流體壓力的參考值之間的偏差而得到。
前述的氣/液分離器能夠具有足夠的生產(chǎn)能力來加工流體物流，在此情形下所說的分離器可以是系統(tǒng)中唯一的分離器。另一方面，該分離器可形成一個位于團塊捕集分離器上游的小分離器。這樣，該小分離器形成一初級分離器，其氣體出口和液體出口通到團塊捕集分離器中。團塊捕集分離器形成二級分離器。
現(xiàn)參考附圖通過實施例來更為詳細地描述本發(fā)明，其中

圖1示意性地表示實施本發(fā)明的方法的流動管線系統(tǒng)；圖2示意性地表示圖1的流動管線系統(tǒng)所采用的一個控制系統(tǒng)；圖3表示流動管線系統(tǒng)中液體流量變化與時間的函數(shù)關(guān)系圖，在此應用了本發(fā)明的方法。圖3中橫軸表示時間(以秒為單位)，豎軸表示大分離器中液體的體積(以升為單位)。
圖1的流動管線系統(tǒng)包括在海底3從井口(未示出)延伸到海上石油平臺5的管線1；向上傾斜的管段，其形式為與石油平臺5和具有液體出口導管13以及氣體出口導管14的氣/液分離器9相連的立管7。液體出口導管13設(shè)有一液體流量控制閥15，氣體出口導管設(shè)有一氣體流量控制閥16?？刂崎y15、16可以是任意合適的形式，例如可以是在TheOilman，August 1987，pp.82-85中所說的渦流放大器。在氣體出口導管14裝設(shè)了氣體流量計17，在液體出口導管13裝設(shè)了液體流量計19。分離器9進一步還設(shè)有一液位計25和一壓力計27。裝設(shè)有一控制系統(tǒng)30，它接受來自氣體流量計17、液體流量計19、液位計25及壓力計27的信號并以根據(jù)系統(tǒng)所接受的信號的方式對閥15、16進行控制。液體出口導管13和氣體出口導管14與位于分離器9下游的團塊捕集分離器(未示出)的內(nèi)部有液體相連通。團塊捕集分離器的尺寸顯著大于分離器9的尺寸。
圖2更為詳細地示意性地表示圖1的控制系統(tǒng)30。在此相應的標號表示相應的部件。圖2中所示的箭頭指示電控制信號從一個部件到另一個部件的傳送方向?？刂葡到y(tǒng)30包括一個液位控制器32，它根據(jù)經(jīng)由控制線路34從液位計25以及經(jīng)由控制線路38從液位設(shè)定點36接收到的輸入信號來操作閥15。壓力控制器40可以經(jīng)由換向器42和控制線路44與閥16相連，以便根據(jù)經(jīng)由控制線路46從壓力計27以及經(jīng)由控制線路49從壓力設(shè)定點48接收到的輸入信號來操作閥16。液體流量控制器50可以經(jīng)由換向器42和控制線路44與閥16相連，以便根據(jù)經(jīng)由控制線路52從液體流量計19以及經(jīng)由控制線路55從液體流量設(shè)定點54接收到的輸入信號操作閥16?；旌衔锟刂破?6可經(jīng)由換向器42和控制線路44與閥16相連，它根據(jù)經(jīng)由控制線路58從氣體流量計17、經(jīng)由控制線路60從液體流量計19以及經(jīng)由控制線路64從壓力控制器62接收到的輸入信號操作閥16。將控制線路58、60中的信號加和以提供經(jīng)由控制線路59傳送到混合物控制器的流體流量信號。壓力控制器62接收經(jīng)由控制線路65來自于壓力計27以及經(jīng)由控制線路67來自于壓力設(shè)定點66的輸入信號。
圖1所示的流動管線系統(tǒng)在正常操作過程中，氣體和液體的混合物從井口經(jīng)過水下管線1和立管7流入氣/液分離器9。氣體經(jīng)氣體出口導管14從分離器9排出，液體經(jīng)液體出口導管13排出。采用氣體體積流量計17連續(xù)測量氣體出口導管14中的氣體體積流量并采用液體體積流量計19連續(xù)測量液體出口導管13中的液體體積流量。采用液位計25連續(xù)測量分離器9中的液位并采用壓力計27連續(xù)測量分離器9中的壓力。
當開始采用控制器30控制流體流動時，例如當由于團塊的出現(xiàn)而在立管7發(fā)生阻塞之后立即將控制從手動切換到自動時，換向器42切換到使壓力控制器40與閥16相連的位置上。壓力控制器40以這樣的方式操縱閥16，即減小來自于壓力計27的壓力信號與來自于設(shè)定點48的信號之間的偏差?？刂崎y15的操作受液位控制器32控制以減小來自于液位計25的信號與來自于設(shè)定點36的信號之間的偏差。當液團開始流入分離器時，換向器42切換到使液體流量控制器50與閥16相連的位置上。液體流量控制器50以這樣的方式操縱閥16，即減小來自于流量計19的液體流量信號與來自于設(shè)定點54的信號之間的偏差。其后換向器42切換到使混合物控制器56與閥16相連的位置上，混合物控制器56以這樣的方式操縱閥16，即減小流體流量信號(定義為來自于液體流量計19的液體流量信號與來自于氣體流量計17的氣體流量信號之和)與接收自壓力控制器62的信號之間的偏差。壓力控制器62經(jīng)由控制線路64向混合物控制器56提供一個輸入信號，該輸入信號旨在減小來自于壓力計27的壓力信號與來自設(shè)定點66的信號之間的偏差。
已在包括50米長的水平管段、50米長的下傾管段(相對于水平面的傾斜角為2°)以及16.2米長的豎直立管的管線系統(tǒng)中進行了實驗。該流動管線系統(tǒng)的長度為能發(fā)生嚴重阻塞的長度。管段內(nèi)徑為0.05米。在立管頂端(即管線系統(tǒng)的下游端)設(shè)有一分離器?？諝?水的流體混合物(其中水含有20wt％的單乙二醇)經(jīng)泵送流過該管線系統(tǒng)，由此在管線上游端的表觀氣體速度和表觀液體速度分別為0.215m/s和0.184m/s。壓力控制器40和62的設(shè)定壓力為3bar，液位控制器32的設(shè)定值為氣/液分離器9內(nèi)部容積的50％。
這些實驗結(jié)果示于圖3。圖3中所示為采用恒定的團塊捕集器消耗比(drawn down rate)時團塊捕集器中的液體含量與時間的函數(shù)關(guān)系?？刂谱兞窟x為液體流量(a線)與流體流量(b線)，后者為液體流量與氣體流量之和。對于控制變量為液體流量的情況(a線)，采用混合物控制器56，由此將控制線路58斷開以使控制線路59中的流體流量信號與控制線路60中的液體流量信號一致。流體物流的嚴重阻塞狀態(tài)一直持續(xù)到t＝450s處，此時接通控制系統(tǒng)30。團狀流動方式的結(jié)果是團塊捕集器中的液體含量在t＝450s之前都表現(xiàn)出強烈的波動，這種波動在控制系統(tǒng)30接通之后很快平息。由圖3可清楚地發(fā)現(xiàn)，對于控制變量是液體流量(a線)而言，分離器中剩余的液體含量與控制變量為流體流量時的狀況(b線)相比較仍有輕微波動。然而，與團狀流動時的強烈波動相比，這種殘余波動是微不足道的。
權(quán)利要求
1.一種防止從流動管線流入氣/液分離器的多相流體物流中液團生長的方法，所說的氣/液分離器具有一裝設(shè)了液體流量控制裝置的液體出口和一裝設(shè)了氣體流量控制裝置的氣體出口，本方法包括-測量分離器中的液位；-對選自液體出口的液體流量、氣體出口的氣體流量、液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和以及分離器處或鄰近分離器的流體壓力的至少一個控制變量進行測量；-對所說的液體流量控制裝置和所說的氣體流量控制裝置進行操作以減小所說的液位與選定的液位參考值之間的偏差并減小所說的控制變量與所選定的該控制變量的參考值之間的偏差。
2.如權(quán)項1的方法，其中對所說的液體控制裝置進行操作以減小所說的液位與所選定的液位參考值之間的偏差，并對所說的氣體流量控制裝置進行操作以減小所說的控制變量與該控制變量的參考值之間的偏差。
3.如權(quán)項1或2的方法，其中在本方法的開工階段，當液團已經(jīng)進入立管段時而所說的液團進入分離器之前，選擇分離器處或鄰近分離器的流體壓力作為上述的控制變量。
4.如權(quán)項3的方法，其中在所說的開工階段，在液團已經(jīng)開始流入分離器之后，選擇該分離器液體出口的液體流量作為上述的控制變量。
5.如權(quán)項1或2的方法，其中所說的控制變量選為分離器的液體出口的液體流量。
6.如權(quán)項1或2的方法，其中所說的控制變量選為液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和。
7.如權(quán)項5或6的方法，其中所說控制變量的參考值是通過減小分離器處或鄰近分離器的液體壓力與所選定的液體壓力參考值之間的偏差而形成的。
8.一種防止從流動管線流入氣/液分離器的多相流體物流中液團生長的方法，所說的氣/液分離器具有一裝設(shè)了液體流量控制裝置的液體出口和一裝設(shè)了氣體流量控制裝置的氣體出口，本系統(tǒng)包括-測量分離器中液位的裝置；-對選自液體出口的液體流量、氣體出口的氣體流量、液體出口的液體流量與氣體出口的氣體流量之和以及分離器處或鄰近分離器的流體壓力的至少一個控制變量進行測量的裝置；以及-對所說的液體流量控制裝置和所說的氣體流量控制裝置進行操作的裝置，以減小所說的液位與所選定的液位參考值之間的偏差并減小所說的控制變量與所選定的該控制變量的參考值之間的偏差。
9.如權(quán)項8的系統(tǒng)，其中所說的分離器形成一初級分離器，該初級分離器的氣體出口與液體出口伸入到形成團塊捕集分離器的二級分離器中。
10.如權(quán)項8或9的系統(tǒng)，其中所說的流動管線包括一伸入到氣/液分離器中的向上傾斜的管段。
全文摘要
提供了一種防止從流動管線流入一具有裝設(shè)了液體流量控制裝置(15)的液體出口(13)和裝設(shè)了氣體流量控制裝置(16)的氣體出口(14)的氣/液分離器(9)的多相流體物流中液團生長的方法和系統(tǒng)。本方法包括測量分離器(9)中的液位并對選自液體出口的液體流量、氣體出口的氣體流量、液體出口的液體流量和氣體出口的氣體流量之和以及分離器的壓力或鄰近分離器的壓力的至少一個控制變量加以測量。對液體流量控制裝置(15)和氣體流量控制裝置(16)進行操作以減小所測得的液位與所選定的液位參考值之間的偏差并減小所測得的控制變量值與所選定的該控制變量參考值之間的偏差。
文檔編號E21B43/34GK1151704SQ95193807
公開日1997年6月11日 申請日期1995年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月28日
發(fā)明者J·F·霍蘭伯格, S·德伍夫 申請人:國際殼牌研究有限公司