專利名稱：抑制和控制在多相流體流中的段塞流的方法和系統(tǒng)的制作方法
背景技術：
本發(fā)明涉及在多相流體流中的段塞流(slug flow)的抑制和控制。更具體地，本發(fā)明涉及抑制和控制在多相流體流中的液體段塞和氣體涌動(gas surge)的方法和系統(tǒng)，該多相流體流通過管道或流送線系統(tǒng)，該管道或流送線包括一個立管部分，和一個定位在管道出口或者立管部分下游的氣體/液體分離器，或段塞捕集分離器(slugcatcher)。
在石油和天然氣工業(yè)中，常用的是將包括原油或冷凝物以及水和氣體的多相流體從油井中通過單一的管道系統(tǒng)輸送到一個處理設備中。例如，在海上石油生產(chǎn)中，原油、產(chǎn)生的水和伴生氣一般通過一根海底管道同時輸送到設置在海岸上或者在海上平臺上的氣體/液體分離裝置中。在這樣多相流體流中會有數(shù)個流動狀態(tài)，包括層流、芯流(core flow)、霧流和段塞流。在這些流動狀態(tài)中，段塞流一般情況下是需要避免的，因為它包括分段交替出現(xiàn)的液體(術語叫做段塞)和氣體涌動。在某些特定的流動條件下，很容易發(fā)生液體段塞的增長，這將導致嚴重騰涌(slugging)，因此在流送線系統(tǒng)的出口就會交替出現(xiàn)斷流(沒有流動)、巨大的液體段塞和強烈的氣體涌動的流型。巨大的液體段塞也可以由于操作的變化而產(chǎn)生，例如在管道啟動的時候流體產(chǎn)出的增加這種操作的變化。將這樣的液體段塞和氣體涌動的交替流型提供給氣體/液體分離器就會大大降低分離器的效率，因為氣體/液體分離器必須在合適的壓力波動范圍內工作，而且其應當給氣體流出管道中傳送可接受的少量的液體，給液體流出管道傳送可接受的少量的氣體。
用來防止在管道系統(tǒng)中同時傳送液體和氣體的時候在管道中產(chǎn)生段塞的方法已經(jīng)被1979年11月12日出版的《Oil & Gas》雜志所公開。在這種公知的方法中，在立管的頂部設有一個閥門，該閥門手動控制或者自動控制這樣來使得在立管上游的管道壓力最小，并使得在立管中的壓差波動最小。還使用發(fā)射機傳遞壓力信號來控制閥門，發(fā)射機安裝在管道系統(tǒng)的海底部分。這種公知的方法建立在假設劇烈騰涌只發(fā)生在從流動方向看具有向下傾斜部分的管道中，并且假設能通過調節(jié)隨流體壓力變化而變化的體積流體通量來阻止段塞的增長。
JP-A-63-274408公開了一種分離器控制裝置，它通過加分離器入口處的超聲波多相流量計和分離器內的壓力計的輸出值來調節(jié)在氣體液體分離器的氣體出口內的閥門以在分離器中施加恒定的壓力。
EP-B-410522公開了一種方法來阻止從流送線進入氣體/液體分離器的多相流體流中的段塞的增長，其中流速控制裝置用來操縱流體流速。
這種公知的方法包括測量在分離器液體出口中的液體流速和氣體出口中的氣體流速，確定解釋為液體流速和氣體流速之和的流體通量，并操縱流體流速控制裝置來減少流體通量的變化。這種方法和被JP-A-63-274408所公開的方法的缺點是在多相流體流中的液體和氣體流速的總和的測量很困難而且需要復雜的測量設備。
美國專利5,256,171；5,377,714；5,494,067；5,544,672和5,711,338公開了段塞抑制方法，其中在氣體-液體分離容器中的液面盡可能保持不變。這些方法的一個缺點是上述液面并不總是最佳的控制參數(shù)，偶爾例如在開始階段，還需要手動控制或者干預。
權利要求1前序部分的方法從EP-B-767699中是已知的。
這種公知的方法包括下列步驟--測量從分離器中的液面、分離器液體出口的液體流速、分離器氣體出口的氣體流速、液體出口的液體流速和氣體出口的氣體流速之和以及分離器處或附近的流體壓力這些參數(shù)值中選擇的至少一個控制變量；
--動態(tài)調整在液體和氣體出口的液體和氣體流量控制閥來減少在一個或多個所選擇的控制變量和所選擇的控制變量參考值之間的差異。
在野外試驗中使用EP-B-767699所述方法表明這種公知的方法可以大大抑制在多相流體流中的段塞流，但是由于液體段塞的成因來源，一些段塞會被抑制到比其他段塞更有限的程度。
本發(fā)明所述的方法和系統(tǒng)就是要提供一種段塞抑制和控制方法，能比所公知的方法更有效的控制段塞流，并且不需要人工干預就能自動工作。
發(fā)明簡述在本發(fā)明所述的方法和系統(tǒng)中如果一個或更多控制變量達到預定值，用于調整液體和/或氣體流量控制閥的控制變量是不時的自動變化的。
最好在段塞抑制系統(tǒng)的正常操作過程中，控制變量是在液體出口的液體流速和在氣體出口的氣體流速之和(QL+QG)，如果在分離器中的液面LLIQ或者在液體出口的液體流速(QL)達到預定值，控制變量被變?yōu)樵谝后w出口處的液體流速(QL)，其中當分離器中的液面(LLIQ)或在液體出口的液體流速(QL)低于預定值時候，控制變量被變回為液體出口的液體流速和在氣體出口的氣體流速之和(QL+QG)。
本發(fā)明所述的方法和系統(tǒng)在沒有人工干預的情況下可以自動抑制和控制在多相流體流中的液體段塞和氣體涌動。典型的是在啟動過程中，液體閥門被關閉而氣體閥門被開啟，使得在分離器入口及其附近的流體壓力保持相當恒定。當分離器中的液面達到預定水平的時候，液體閥門被自動打開，并且被動態(tài)地調整以將液面保持在上述預定值上，而氣體閥門被動態(tài)地調整以便混合流速被保持相當?shù)睾愣?。這個混合的恒定的液面/恒定的混合流速控制模式保持在默認控制模式(default control mode)直到在分離器中的液面和/或在液體出口的液體流達量到預設閾值，于是系統(tǒng)被自動調整以使氣體閥門暫時被基本上關閉而液體閥門被動態(tài)地調整致使在液體出口中的液體流速保持相當?shù)睾愣ā?br> 一旦在分離器中的液面和/或在液體出口的液體流速再次低于預定的閾值，系統(tǒng)就自動切換回到默認的混合的恒定的液面/恒定的混合流速控制模式。
上述氣體/液體分離器可以有處理流體流的足夠的容量，其中上述分離器可以是系統(tǒng)中唯一的分離器?；蛘?，該分離器可以是小型分離器，定位在段塞捕集分離器(slug catching separator)的上游。然后小型分離器構成初步分離器，其中的液體出口和氣體出口通到段塞捕集分離器，段塞捕集分離器構成第二分離器。
優(yōu)選實施例描述下面將參照附圖詳細介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中

圖1是實現(xiàn)本發(fā)明所述方法的流送線系統(tǒng)的示意圖；圖2示意地表示了系統(tǒng)在默認模式下如何工作；圖3示意地表示了系統(tǒng)在液體連續(xù)流動而沒有氣體流動模式下如何工作。
圖1中的流送線系統(tǒng)包括一個石油和/或氣體生產(chǎn)管道1，管道1在海床3上伸展，從石油和/或天然氣生產(chǎn)井的井口(未示出)伸到海上平臺5，一個向上的傾斜管道部分以立管7的形式連接到平臺5上，一個氣體/液體分離器9具有一個液體流出管道13和一個氣體流出管道14。液體流出管道13帶有一個液體流量控制閥15，氣體流出管道14帶有一個氣體流量控制閥16。閥門15、16可以是任何適當類型的閥門，例如1987年8月《Oil man》第82-85頁中的渦流放大器(vortex amplifier)。一個氣體流量計17設置在氣體流出管道14中，一個液體流量計19設置在液體流出管道13中。分離器9還帶有一個液體液面計25和一個壓力計27。一個控制系統(tǒng)30用來接收氣體流量計17、液體流量計19、液面計25和壓力計27的信號，控制系統(tǒng)30依靠其接收的信號來控制閥門15、16。液體流出管道13和氣體流出管道都與定位在分離器9下游的段塞捕集(slug-catching)分離器(未示出)的內部流體連通。段塞捕集分離器的尺寸應該遠遠大于分離器9的尺寸。
在系統(tǒng)啟動的時候，液體閥門15被關閉，直到分離器9中的液面LLIQ達到選定的水平，同時氣體閥門16被動態(tài)調整，這樣使壓力計27測量到的壓力被保持在一個所選定的數(shù)值。
一旦分離器9中的液面LLIQ達到所選定的水平，系統(tǒng)就自動切換到默認的總體積流量控制模式(the default total volumetric flowcontrol mode)，如圖2所示。
在如圖2所示的總體積流量控制模式下，控制液體閥15來使液面LLIQ保持在設定點。此外，控制氣體閥16來使總體積流量QLIQ+QGAS保持在設定點。實際流速QLIQ和QGAS可以由在液體和氣體出口14和13中的氣體和液體流量計17、19來測量。流量計17和19輸出值的和是要被控制的變量?？傮w積流量控制器30B的設定點是由壓力控制器30A結合算法式所決定的，算法式取決于管道系統(tǒng)1、7。
對于段塞來說，圖1表示的總體積流量控制圖解方案并不能隨意發(fā)揮作用，因為液面控制器30C不會受到總體積流量的限定。它將完全打開液體閥15，使得液面保持在設定點上。因此，圖3表示的運行的液體流量控制模式在下列情況下打開(i)分離器9中液面LLIQ達到閾值或者(ii)在液體出口13中的液體流速QL達到閾值。液體流速QL的閾值可能取決于外部因素，例如液面或第一級分離器中的液體排放能力。這個閾值也可以被用作流量控制器30C的設定點。總體積流量的設定點在液體流量控制期間保持不變。
液體流量控制防止了段塞加速。當在小型分離器9中的液面降低并且液體流速小于閾值的時候，圖2中的總體積控制模式被再次打開。在總體積控制模式下，可以產(chǎn)生沒有任何氣體涌動的壓縮氣相(在段塞之后)。
權利要求
1.抑制和控制在多相流體流中的液體段塞和氣體涌動的方法，該多相流體從流送線(1)中流入氣體/液體分離器(9)中，該分離器(9)具有一個帶液體流量控制閥(15)的液體出口(13)和一個帶氣體流量控制閥(16)的氣體出口(14)，該方法包括--測量從分離器(9)中的液面LLIQ、在液體出口(13)中的液體流速QL、在氣體出口(14)中的氣體流速QG、在液體出口(13)中的液體流速和在氣體出口(14)中的氣體流速之和(QL+QG)以及分離器(9)處或附近的流體壓力(P)這些參數(shù)值中選擇的至少一個控制變量；--調整所述液體和氣體流量控制閥(15、16)來降低在選擇的控制變量(QL+QG、QL、QG、P、LLIQ)和所選擇的控制變量參考值之間的差異；以及--如果一個或多個控制變量達到預定值，就不時自動改變上述控制變量(QL+QG、QL、QG、P、LLIQ)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于在正常運行過程中，控制變量是在液體出口(13)的液體流速和在氣體出口(14)的氣體流速之和(QL+QG)，如果在分離器9中的液面LLIQ或者在液體出口13的液體流速QL達到預定值，控制變量變?yōu)樵谝后w出口13處的液體流速(QL)，其中當分離器(9)中的所述液面(LLIQ)或在液體出口(13)中的液體流速(QL)低于所述預定值時候，控制變量被變回到在液體出口(13)的液體流速和在氣體出口(14)的氣體流速之和(QL+QG)。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于在正常的運行中，在液體出口(14)的液體流速和在氣體出口(13)的氣體流速之和(QL+QG)是通過下列方法被控制的通過混合流量控制器(30B)動態(tài)地調整氣體流速控制閥(16)的位置，混合流量控制器(30B)被設定以保持總體積流量設定點；以及通過液面控制器(30C)動態(tài)地調整液體流速控制閥(15)的位置。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于如果液體流速(QL)被選擇作為控制變量的話，氣體流量控制閥(16)基本被關閉，液體流量控制閥(15)被液體流量控制器(30D)動態(tài)調整，該流體流量控制器被設定用來保持液體流量設定點。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于如果液體流速(QL)被選擇作為控制變量的話，通過關掉或節(jié)流氣體流量控制閥(16)使氣體流量控制閥(16)被基本上關閉，除非氣體壓力達到一個不安全的值，這時氣體流量控制閥(16)被啟動工作作為壓力釋放閥。
6.抑制和控制在多相流體流中的液體段塞和氣體涌動的系統(tǒng)，該多相流體從流送線(1)中流入氣體/液體分離器或段塞捕集分離器(9)中，該分離器(9)具有一個帶液體流量控制閥(15)的液體出口(13)和一個帶氣體流量控制閥(16)的氣體出口(14)，該系統(tǒng)包括一個控制系統(tǒng)(30)用來根據(jù)控制變量的測量值動態(tài)調整上述氣體和液體控制閥(15、16)的位置，所述控制變量是從分離器(9)中的液面(LLIQ)、液體出口(13)的液體流速(QL)、氣體出口(14)的氣體流速(QG)、液體出口(13)的液體流速和氣體出口(14)的氣體流速之和(QL+QG)中選擇的至少一個，其中如果所選定的控制變量達到預定值，控制系統(tǒng)(30)不時改變上述控制變量(QL+QG、QL、QG、P、LLIQ)，根據(jù)該控制變量所述的氣體和液體控制閥被調整。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于控制系統(tǒng)(30)是這樣設定的，在正常的運行過程中，液體流量控制閥(15)被調整來使得在分離器(9)中的液面(LLIQ)變化最小，氣體流量控制閥(16)被調整來使得在上述出口(13、14)中的液體流速和氣體流速之和(QL+QG)變化最小，如果在分離器(9)中的液面(LLIQ)達到閾值或者在液體出口(13)中的液體流速(QL)達到閾值，控制系統(tǒng)(30)基本關閉氣體流量控制閥(16)，液體流量控制閥(15)被調整來使得在液體出口(13)中的液體流速(QL)變化最小。
8.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于流送線(1)構成了烴流體生產(chǎn)系統(tǒng)的一部分，通過該生產(chǎn)系統(tǒng)，原油、冷凝物、水和/或天然氣的混合物從一個或多個烴流體生產(chǎn)井被生產(chǎn)出來。
9.如權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于該分離器(9)是初步分離器，其中液體和氣體出口(13、14)是第二分離器或段塞捕集分離器的流體入口，第二分離器或段塞捕集分離器的體積大于初步分離器(9)的體積。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于分離器設置在海上平臺(5)上、在海岸海底(3)、或石油和/或天然氣生產(chǎn)井的井下。
全文摘要
抑制和控制在多相流體流送線中的液體段塞和氣體涌動的方法和系統(tǒng),使用氣體分離器(9),以及在上述分離器(9)的氣體出口(14)上的氣體閥門(16),在液體出口(13)上的氣體閥門(15),閥門(15、16)根據(jù)一個或多個所選擇的控制變量的變化可以被自動調整,控制變量包括Q
文檔編號B01D19/00GK1387617SQ00815159
公開日2002年12月25日 申請日期2000年11月7日 優(yōu)先權日1999年11月8日
發(fā)明者格里迪納斯·漢德里克曼, 魯?shù)罓柛ニ埂·W·M·亨克斯, 馬里納斯·G·W·M·澤倫, 阿洛伊修斯·J·N·弗雷納古爾 申請人:國際殼牌研究有限公司