[发明专利]一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法

说明书

技术领域

本发明涉及海上油气田开发系统段塞流抑制技术领域，具体说是一种多相流流动调整装置及利用其抑制段塞流的方法。所述段塞流尤指强烈段塞流和水力段塞流。

背景技术

海上油气田开发系统通常包括水下生产系统、集输管线-立管系统、水上固定/浮式结构设施和上部处理系统等4个子系统。

在油气田开发的初期和末期，当油气产量较低时，强烈段塞流经常产生于集输管线-立管系统中。强烈段塞流是指：液塞长度至少为立管长度1倍的段塞流，它具有准周期性，每一周期包括4个阶段：液塞形成、液塞产出、气体渗入和液气喷发/液体回落。在液塞形成阶段，随着立管内液塞长度的增加，立管底部的静压升高，施加于井口的回压相应增加，从而造成油井的减产；在液塞形成阶段立管出口气液流量几乎为零，而进入液塞产出阶段后，长液塞突然进入下游处理系统，剧烈的流量变化会导致下游分离器的溢流和压缩机供气不足，甚至导致停产等事故；在液气喷发阶段，立管上游的压缩气体将液塞尾部高速地喷出立管，导致系统内剧烈的压力波动，使管线支撑系统、接头和阀门等处遭受剧烈的振动冲击，对生产系统的结构强度和安全性构成危害。

在油气田开发的中期油气产量较高时，水力段塞流经常产生于集输管线中。相对于强烈段塞流，水力段塞流的液塞较短，但是水力段塞流的液塞运动速度和液塞频率较高，同样会给生产系统带来很大危害。

目前抑制强烈段塞流的主要方法可分为两大类：主动式方法和被动式方法，两类方法的区别在于是否需要外部资源的注入。主动式方法需要昂贵的外部资源，通常系统结构较复杂，因此主动式方法的缺点在于其成本高、系统复杂，为了实现强烈段塞流的抑制而耗费大量的资源；被动式方法无需外部资源，通常采用系统自身改造的形式，成本较低，系统设计简单，但现有的技术方案也存在种种不足（详见下文）。

主动式方法主要包括：（1）立管顶部节流法；（2）接泵法；（3）外部供气气举法；（4）基于自动控制的方法。

立管顶部节流法需要操作人员手动操作立管顶部的节流阀，当出现立管系统内严重段塞流时，减小阀门开度。但是操作员的手动操作容易产生过节流，从而使立管底部压力急剧升高，系统压力过高会造成油气产量大大降低；手动操作使操作条件变化较快，由于油气多相流动的非线性性质，快速变化的操作条件扰动易引起多相流动的不稳定性。

接泵法指在管线中接入多相泵对油气多相流进行抽吸、增压和泵送，或者接入单相泵对液相进行抽吸、增压和泵送，增加流动速度，避免液相累积而生成长液塞。但是，油气产物成分的复杂多样性给多相泵的适用范围提出了很高的要求，而且多相泵等设备的安装维修过程复杂。应用单相泵在立管顶部抽吸液塞，难以保证单相泵吸入纯液塞。中国专利CN1297778C公布了一种分离器及利用其消除严重段塞流的分相输送方法，同样存在水下安装维修不变，难以保证单相泵吸入纯液塞的问题。

外部供气气举法需要压缩机将生产系统外部的气体进行压缩，然后通过单独的管线将压缩气体导入立管或立管上游管线。注入上游管线的压缩气体可以增加立管底部上游流体的流动速度，注入立管的压缩气体能够减小沿立管的压力降，从而减小液塞在立管底部形成的可能性。英国专利GB2374161B公布了一种在立管底部注气的强烈段塞流抑制方法，但是由于需要压缩机、输气管线和大量可供压缩的气体，外部供气气举法经济性较差；另外,所注入的大量压缩气体易产生焦耳-汤姆逊冷却效应，导致蜡和水合物的形成。

基于自动控制的方法需要设计控制器来调整执行器（如控制阀）以改变立管内流体的流动状态。被控变量的选择是控制方案制定中的首要问题，如立管底部压力，立管顶部压力，立管顶部出口流量等。立管底部的压力被认为是最优的被控变量，但是深水条件下压力的测量和信号的传输是个难点。美国专利US6390114B1公布了一种段塞流控制方法，通过对初级分离器出口气相和液相流量的调节来实现对初级分离器液位的控制。中国专利CN1297779C公布了消除严重段塞流的阀门节流动态控制方法。系统模型的建立和控制器的设计是基于自动控制的严重段塞流抑制方法需要解决的关键问题，但是随着生产的进行和操作条件的改变，系统模型将不能描述系统的状态，所以基于模型所设计控制器参数需要进行不断调整，实际应用非常不便。

被动式方法主要包括：（1）液塞捕集器法；（2）自供气气举法；（3）流动调整法。