[发明专利]用于段塞流控制的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及管线中的段塞流(slugging)的控制，例如存在于立管(riser)中严重的段塞流，所述立管将采出流体从位于海底的烃类井输送至位于海面的顶部设施。

背景技术

立管通常在烃类工业的离岸管道系统中使用，将采出流体从位于海底的井头输送至位于海面的设施，例如位于海上平台的顶部分离器和处理设施。由井提供并通过立管输送的采出流体通常为多相流体，例如液体和气体的混合物，例如油、水和天然气的混合物。流体中气体的存在能够有助于通过减少立管中液体的流体静压头而经立管提升流体。负面的作用为：立管中气体的存在导致更高的流体静压力，并且增大井中的背压。因此，人们通常希望避免阻止气体流向立管。

当流入立管中的流体堵塞管线并且立管中堵塞处的流体静压头比立管上游的截留气体压力更快地增大时，在离岸立管中会产生称作段塞流的不稳定现象。例如，图1显示了将采出流体输送至立管4的采油管线2。采油管线2位于海底6并且朝向立管4稍微向下倾斜延伸，立管4从海底6向上延伸至位于海面10的设施8。采油管线2和立管4在其连接处具有角度或者尖点12。如图1所示，流体的段塞流14在尖点12处形成并且堵塞立管4，使得采油管线2中的气体不能流入立管4中。尖点12上游的采油管线2中的气体压力增大，直至气体压力超过液体的流体静压头为止，气体随后进入立管4中，使液体段塞流14通过立管4向上流动并且从立管4流出到顶部设施8中。提供给设施8的流体压力能够大范围变化，典型地随着液面升高而减小，并且随着段塞流14随后通过立管4输送至设施8而快速升高。

术语″严重段塞流″是指严重类型的不稳定段塞流，其中，液体段塞流14充满整个立管4。当发生严重段塞流时，上游气体压力必须增大到足够的程度以克服充满立管4的液体的流体静压头。如果立管4向上延伸非常大的竖直距离的话，例如，从海底到海面，则与严重段塞流相关的流体静压头会相当大。严重的段塞流在液体段塞流堵塞出现在作为立管上游的管线的向上倾斜部中时称作″超严重段塞流″，使得立管和位于立管上游的一段管线(有时候为数英里的管线)在气体压力变得足够大以克服液体的流体静压头并且使液体通过立管流动之前充满液体。

与流过立管的流体的平均流量相比，严重段塞流循环中的交替气体和液体的瞬时流量会变得更高，有时会成数量级增加。流量方面的巨大变化会导致一级分离器或由立管4供给的其它设施中液面高度的剧烈变化，并且会干扰设施中的正常分离和流体处理。另外，提供给设施的流体的大压力变化对设备和生产作业有害。

已经提出了用于控制或其他方式处理段塞流的各种系统和方法。例如，在一些传统系统中使用下列方法：(1)增大用于接收来自立管的采出流体的一级分离器的尺寸，使得分离器可以处理段塞流，(2)利用顶侧控制阀增大立管上的背压，(3)通过顶侧自动控制阀实施压力控制策略，(4)利用上述方法的各种组合，(5)例如通过在井中使用井下泵增大立管中的压力，(6)例如通过加入或增大立管或井中的气体来增大立管中的气体流量，或者(7)在立管的底部分离气体和液体并且允许气体通过第一立管提升，同时将液体在分离的第二立管中泵送到表面。

尽管上述方法可用于减小段塞流的影响，但是每种方法通常产生额外的问题和/或成本。例如，增大分离器尺寸会减少一些段塞流；然而，对于越来越深和越来越长的立管来说，分离器所需的尺寸增大会变得不切实际。上面的方法(2)-(5)通常通过增大立管的压力减小了气体的压缩性，这继而增大了气体压力能够达到并克服流体静压头增大的流量。上面的方法(2)-(4)通常导致增大的背压和无法接受的产量损失。上面的方法(5)-(7)需要额外的能量和/或系统，取决于充足能量和/或气体的利用率。

因此，始终需要用于段塞流控制的改进的系统和方法。该系统和方法应当能够利用采出流体中的气体以提供输送流体通过立管所需的至少一部分提升力，该系统和方法应当与长距离延伸的立管兼容。

发明内容

本发明的实施例通常提供基于立管的段塞流控制系统和控制段塞流的方法。该系统包括气液分离器，例如气液圆柱形旋流分离器(GLCC)，其能够接收采出流体，将采出流体分离成液相和气相，并且为气体提供通向立管(在立管中，它能与液体混合并有助于在立管中提升)的无阻碍路径。入口和出口的布置降低了流体形成液体堵塞并阻止气体流向立管的性能。当气体无阻碍地流向立管时，不易发生严重的段塞流，并且立管中的液体有效地提升到表面。