雷達探測技術在分離器實時排液上的應用

王 雷

中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司

0 引言

試油作業期間，通過分離器進行油、氣、水產量計量時，安全環保方面存在兩個急待解決的問題［1］：

（1）分離器的液位控制一般通過浮筒、液位控制器和自動控制閥聯動，實現分離器高低液位報警和自動排液。儲層壓裂改造后排液初期，井筒返排液中含有大量的壓裂砂、巖屑等雜質容易堵塞浮筒［2］，導致液位感應裝置失靈，使得分離器無法自動排液，可能造成“冒罐”的后果，影響工程進度，甚至導致安全事故的發生。

（2）以往作業過程中，通過液位計玻璃看窗或者磁翻板液位計直接觀察分離器內液面高度。人工液位監測不及時，可能導致排液不及時，容易引起因分離器液位控制不當造成氣路竄液或液路竄氣等后果。隨著數字化的發展，智能化監測技術應用也越來越多，需要改變分離器液位人工監測方式，以大大提高工作人員的工作效率，保障生產安全［3］。因此，研究一種智能化液位監測技術具有重要的意義。

另外，隨著測試期間HSE要求的提高，“雷達探測技術”被應用在分離器實時排液上，有效控制了試油測試期間氣路竄液或液路竄氣的風險。

1 技術原理

“雷達探測技術”的原理是：雷達探測裝置發射出電磁波，這些電磁波被分離器內液面反射后，被雷達探測裝置接收，從而得到分離器內液位高低信號［4］。液位信號經過信號接口箱反饋給數據采集軟件后，通過一系列控制指令，將分離器液位信號傳遞給定位器，定位器再根據接收到的液位信號轉化成壓力信號，從而控制分離器Fisher閥開啟度。分離器液位控制信號傳輸流程見圖1所示。

圖1 分離器液位控制信號傳輸流程圖

該技術的優點是：

（1）雷達液位計可以實時監測到分離器液面高度，并且能在數據采集系統上的液位可視模塊實時顯示高度。同時，可以實現液面超限設置，并提供報警輸出功能，實現高低液位報警。

（2）雷達液位計發射的電磁波不受環境溫度和壓力的影響，滿足分離器在-19 ～ 121℃工作溫度和15 MPa工作壓力下使用的要求。

（3）由于雷達液位探測儀是安裝在分離器罐體頂部，不受罐體沉砂堵塞通道的影響，探測到的液位高度信號通過接口箱和定位器實時傳遞給自動控制閥，控制閥根據接收到的信號自動調節閥門的開啟度，從而實現分離器實時自動排液，液面控制好，安全性高［5］。

2 分離器實時自動排液裝置簡介

該裝置由雷達液位計、閥門定位器、Fisher閥和遠程數據采集及控制系統組成。雷達液位計實時監測分離器液面高度，并將監測的液位信號傳遞給接口箱；定位器接收來自接口箱的電信號，并將接收到的電信號轉化成壓力信號，然后將壓力信號傳遞給自動控制閥；自動控制閥根據接收到的壓力信號，調節閥門的開啟度，從而實現自動排液，PLC可以實時遠程監測液面情況，并通過預設的高低液面參數，實時控制分離器液面高度。

2. 1 雷達液位計

雷達液位計是基于時間行程原理的電磁波測距系統。儀表發出1 GHz的微功率電磁波信號沿著探桿組件（探桿或探桿纜繩）以光速傳播。當電磁波接觸到被測物質表面時，因介電常數發生突變，電磁波被反射回來。發射回來的電磁波沿著探測組件傳播，并返回到儀表探頭。電磁波的發射與接收時間間隔與儀表探頭到被測介質的距離成正比，由此計算出儀表探頭到被測介質表面的距離。該套裝置的導波桿材質：不銹鋼：316 L；防護等級：IP67；防爆等級：Exia IIC T6；承壓能力：15 MPa；溫度范圍：-40 ～ 150℃；信號傳輸：4 ～ 20 mA。

2. 2 閥門定位器+Fisher閥

定位器將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，以控制器輸出信號作為設定信號，進行比較，當兩者有偏差時，改變其到執行機構的輸出信號，使執行機構動作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應關系。因此，閥門定位器是以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出信號為設定信號的反饋控制系統。閥門定位器入口接入獨立的氣源，出口氣路則接入到Fisher閥中，當閥門定位器收到來自防爆接口箱的模擬控制信號時，通過控制出口的氣源壓力大小實現Fisher閥的開閉，同時Fisher閥也將開度經行程傳感器反饋給防爆接口箱，最終實現整套系統Fisher閥的開度控制與反饋。定位器與Fisher閥的安裝示意圖如圖2所示。基本參數：輸入輸出信號為4 ～ 20 mA；防護等級為IP66；行程范圍為3 ～ 130 mm；進氣壓力為0.5 ～ 0.8 MPa；防爆標識為Exia IIC T6/T4 Gb；使用環境溫度為-30 ～ 60 ℃。

圖2 定位器與Fisher閥的安裝示意圖

2. 3 遠程數據采集和控制系統

包括接口箱、PLC控制器、數采系統等。通過調試數據采集軟件，預設分離器液位上下限值、液位控制手自動設置，將各個監測點的數據匯總到控制平臺上顯示出來。由PLC自動控制程序完成分析、整理和判斷，并調控整個系統的運行。

3 應用效果

雷達探測技術改變了分離器現有排液模式，該裝置已在威遠頁巖氣區塊應用4個作業平臺，從應用效果來看，主要有以下幾個方面：

從4個作業平臺14個不同時間點（見表1），對比分離器玻璃看窗實測液位高度，雷達液位計與玻璃看窗實測液位高度差值最大2.7 cm，差值最小-1 cm，平均誤差0.8 cm，雷達液位計液面探測值穩定可靠［6］。

表1 雷達液位計顯示高度與實測液位高度統計表

整個控制系統液面控制靈敏，當系統設置控制上下限分別為0.2 ～ 1.05 m時，控制范圍為0.85 m，Fisher閥開度維持在15% ～ 16%之間，液位穩定在0.3 m左右；當系統設置控制上下限分別為0.2 ～ 0.3 m時，控制范圍0.1 m，Fisher閥門開度維持在1% ～ 25%之間，液位穩定于0.19 ～ 0.22 m。

該套裝置在油氣井測試作業中，實現分離器液位遠程實時監測、高低液位報警和實時自動排液的功能［7-8］。

另外，在分離器液位自動控制現場試驗階段，液位控制上下限范圍較?。?.2 ～ 0.3 m），液位始終保持在0.2 m左右波動且很穩定，Fisher開關非常頻繁，且閥門開度也存在較大波動，波動隨著時間的推移而逐漸減小。多口井的試驗結果表明：雷達液位計與Fisher閥的結合，能夠自動將分離器內液位控制在穩定的范圍［9］。

4 結論及建議

（1）采用雷達液位計，改變了分離器液位的人工監測方式，解決了傳統的玻璃看窗和磁浮子液位計容易吸附黏稠物或雜質導致液位看不清楚，或者液位計橫管堵塞后不能真實反映分離器內液位的難題，實現了分離器液位遠程實時精確監測、高低液位報警。

（2）通過雷達液位探測儀和分離器Fisher控制閥的有機結合、無縫銜接，實現了分離器實時自動排液。該技術是信息化和機械化的有機結合，通過遠程監控和自動控制，解決了分離器排液智能化的問題，提高了排液效率。

（3）分離器液位自動監控技術在頁巖氣平臺的成功應用，解決了頁巖氣分離器液位監控依靠人工、效率低下、不準確以及分離器排液的生產難題，保障了生產安全，建議加大該技術的推廣應用的力度。