川西北含硫氣井分離器液位控制方式優(yōu)化及儀表選型研究

齊梓榮 任秋月 肖毅 譚堯睿 嚴飛 劉琪

西南油氣田公司川西北氣礦 四川 江油 621700

近年來，隨著油氣生產(chǎn)快速發(fā)展及數(shù)字化氣田建設(shè)的推進，自控系統(tǒng)開始在天然氣采氣單井推廣應(yīng)用，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)過程控制和安全聯(lián)鎖控制。氣田水分離器是實現(xiàn)氣、液分離的重要設(shè)備，安全生產(chǎn)對分離器液位控制功能可靠性、針對性和適應(yīng)性要求越來越高，保證分離器液位檢測準確、液位控制穩(wěn)定可靠，是實現(xiàn)安全生產(chǎn)的重要保障。

1 川西北含硫氣井分離器液位控制存在的主要問題

川西北各采氣單井均為高壓含硫井，氣井生產(chǎn)時分離出的含硫氣田水介質(zhì)成分復雜，含有顆粒物和泡沫，在底部沉積有呈絮狀且十分黏稠的組分復雜的泥狀物質(zhì)，常附著在液位檢測儀表管路內(nèi)壁，造成管路堵塞、卡阻，使液位測量值嚴重失真；排污時氣田水介質(zhì)通過調(diào)節(jié)閥閥芯，對閥芯造成損傷，使調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)內(nèi)漏。調(diào)節(jié)閥開關(guān)十分頻繁，開關(guān)幅度大，造成閥芯、連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏、閥桿連接件卡阻、卡死不動作等故障，使分離器液位自動控制功能失效，存在很高的安全風險。

目前分離器液位檢測儀表選型、調(diào)節(jié)閥選型以及液位控制方式等與工藝生產(chǎn)存在一定不適應(yīng)性，因此，以高壓含硫氣井分離器液位控制為研究對象，針對性開展典型高壓含硫單井分離器液位檢測儀表、液位調(diào)節(jié)閥和液位控制方式適應(yīng)性分析。

2 分離器液位檢測儀表適應(yīng)性分析與優(yōu)選

結(jié)合生產(chǎn)實際，根據(jù)各類型液位檢測儀表在高壓含硫采氣單井分離器液位檢測現(xiàn)場應(yīng)用情況，開展液位檢測儀表適應(yīng)性分析，識別風險，研究優(yōu)選措施，降低系統(tǒng)風險，從而提高分離器液位控制的可靠性。

2.1 分離器液位檢測儀表適應(yīng)性分析

采氣單井分離器液位檢測儀表主要有磁翻板液位計、雙法蘭差壓液位和雷達液位計。如圖1所示，磁翻板液位計用于就地顯示，雙法蘭差壓液位變送器與氣動切斷閥配套，信號進入安全儀表系統(tǒng)（SIS）系統(tǒng)，用于安全聯(lián)鎖。雷達液位變送器與電動調(diào)節(jié)閥配套，信號進入遠程終端控制系統(tǒng)（RTU）系統(tǒng)，用于液位調(diào)節(jié)。

圖1 分離器液位檢測儀表與執(zhí)行機構(gòu)

存在的問題：作業(yè)區(qū)各采氣單井均為高壓含硫井，氣井生產(chǎn)時分離出的含硫氣田水介質(zhì)成分復雜，在底部沉積有呈絮狀且十分黏稠的組分復雜的泥狀物質(zhì)，常附著在液位測量儀表管路內(nèi)壁，造成測量儀表管路堵塞、浮筒卡阻，使液位測量值嚴重失真，分離器排污系統(tǒng)無法正常運行。

用于液位調(diào)節(jié)的雷達液位變送器與磁翻板液位計的連通管較小，常被沉積在分離器底部的泥狀物質(zhì)堵塞，且冬季易形成凍堵，嚴重影響分離器液位調(diào)節(jié)。

2.2 分離器液位檢測儀表優(yōu)選

采氣場站應(yīng)用的分離器液位檢測儀表主要有磁翻板液位計、磁致伸縮液位變送器、雷達變送器、雙法蘭差壓式液位變送器等，其測量原理各不相同，應(yīng)用效果各有優(yōu)缺點。

結(jié)合近幾年實際使用情況對比分析，對于采氣單井介質(zhì)具有腐蝕性、含有結(jié)晶顆粒以及粘度大、冬季易凍堵的特性，雙法蘭差壓式液位變送器在耐臟污、耐低溫方面存在顯著優(yōu)勢，且其同時具有測量準確度高、穩(wěn)定可靠、故障率低的優(yōu)點。推薦分離器液位檢測首選雙法蘭差壓式液位變送器，用于自控系統(tǒng)液位調(diào)節(jié)和聯(lián)鎖切斷。其次選擇磁致伸縮液位計，具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，安裝方便，不直接與介質(zhì)接觸的特點，但因其必須與磁翻板液位計配套使用，磁浮子易被臟污介質(zhì)附著在表面造成卡阻，冬季易形成凍堵，因此要加電伴熱和定期清洗。選擇磁翻板液位計用于就地顯示。

3 分離器液位調(diào)節(jié)閥適應(yīng)性分析與優(yōu)選

結(jié)合生產(chǎn)實際，根據(jù)各類型液位調(diào)節(jié)閥在高壓含硫采氣單井分離器液位調(diào)節(jié)現(xiàn)場應(yīng)用情況，開展液位調(diào)節(jié)閥適應(yīng)性分析，識別風險，研究優(yōu)選措施，降低系統(tǒng)風險，從而提高分離器液位控制的可靠性。

3.1 分離器液位調(diào)節(jié)閥適應(yīng)性分析

廣元采氣作業(yè)區(qū)各采氣單井均為高壓含硫井，氣井生產(chǎn)時分離出的含硫氣田水介質(zhì)成分復雜，調(diào)節(jié)閥運行壓力高，前后壓差大。排污時氣田水介質(zhì)通過調(diào)節(jié)閥閥芯，對閥芯造成損傷，使調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)內(nèi)漏。調(diào)節(jié)閥開關(guān)十分頻繁，開關(guān)幅度大，造成閥芯、連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥內(nèi)漏、閥桿連接件卡阻、卡死不動作等故障，使分離器液位自動控制功能失效，存在很高的安全風險。

廣元作業(yè)區(qū)各采氣單井主要使用的有多級串式調(diào)節(jié)閥、高壓籠式單座調(diào)節(jié)閥、多級降壓低噪音調(diào)節(jié)閥。

在使用中存在下列問題：①閥芯、閥套卡堵；②閥芯、閥座容易損壞；③閥芯內(nèi)漏無法嚴密截斷。④抗臟污能力差。⑤運行不穩(wěn)定有振動和噪音。

3.2 分離器液位調(diào)節(jié)閥優(yōu)選

通過對比分析，結(jié)合近幾年實際使用情況，多級串式調(diào)節(jié)閥能有效解決介質(zhì)對閥芯沖刷造成的振動及噪音等問題；有效解決氣蝕和閃蒸對閥芯的損壞；能容納一定粒度的雜質(zhì)通過，抗臟污力強。因此，川西北高壓含硫氣井分離器液位調(diào)節(jié)首選多級串式調(diào)節(jié)閥。

4 分離器液位調(diào)節(jié)閥控制方式適應(yīng)性分析與優(yōu)選

廣元采氣作業(yè)區(qū)各采氣單井分離器液位調(diào)節(jié)閥全部采用兩位式控制方式，各采氣單井產(chǎn)水情況各不相同。有的產(chǎn)水多，有的產(chǎn)水少，有的產(chǎn)水連續(xù)均勻，有的間歇產(chǎn)水且波動大。兩位式控制方式不能適應(yīng)各種產(chǎn)水情況下的采氣單井分離器液位調(diào)節(jié)閥控制，有必要進行分離器液位控制方式適應(yīng)性分析與優(yōu)選。

4.1 分離器液位調(diào)節(jié)閥控制方案適應(yīng)性分析

廣元作業(yè)區(qū)各采氣單井分離器液位調(diào)節(jié)閥全部采用兩位式控制方式，設(shè)定開閥液位和關(guān)閥液位，液位上升到開閥液位時調(diào)節(jié)閥打開，液位下降到關(guān)閥液位時關(guān)閉。

存在的問題：兩位式控制方式分離器調(diào)節(jié)閥開關(guān)十分頻繁，造成連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥卡阻、泄漏等故障，使分離器液位自動控制功能失效。

最根本的原因是采用兩位式控制方式時，調(diào)節(jié)閥開關(guān)十分頻繁，開關(guān)幅度大，使閥芯、連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重。如何保證將液位波動控制在工藝允許的范圍內(nèi)，同時又能有效降低閥門的動作頻率，是優(yōu)化方案亟待解決的問題。

4.2 分離器液位調(diào)節(jié)閥控制方式優(yōu)選

目前分離器液位調(diào)節(jié)閥控制方式主要有PID調(diào)節(jié)方式、兩位式調(diào)節(jié)方式和多段式調(diào)節(jié)方式三種。

為驗證三種分離液液位控制方式在不同類型產(chǎn)水井的應(yīng)用效果，在川西北廣元作業(yè)區(qū)選擇3口產(chǎn)水特征典型的高壓含硫單井，對分離器液位控制方式進行試驗。

A井，產(chǎn)水連續(xù)均勻，產(chǎn)水量中等，每天約9方。取4小時內(nèi)的閥位開度趨勢對比，多段式閥開度保持恒定，開關(guān)頻率極少，波動幅度極小；PID式開關(guān)非常頻繁，波動幅度較小；兩位式開關(guān)頻繁，波動幅度大。

B井，產(chǎn)水連續(xù)但不均勻，產(chǎn)水量少，每天約5方。取4小時內(nèi)的閥位開度趨勢對比，多段式開關(guān)頻率少，波動幅度小；PID式開關(guān)非常頻繁，波動幅度較大；兩位式開關(guān)頻率較少，波動幅度大。

C井，間歇性、不均勻產(chǎn)水，產(chǎn)水量較多，每天約34方。取4小時內(nèi)的閥位開度趨勢對比，多段式開關(guān)較頻繁，波動幅度大多數(shù)時間較小；PID式開關(guān)頻繁，波動幅度較大；兩位式開關(guān)頻繁，波動幅度大。

通過對比分析，對于連續(xù)、均勻產(chǎn)水井，多段式控制方式調(diào)節(jié)閥一直保持開度恒定，調(diào)節(jié)閥幾乎不動作，可最大限度減少閥芯和連接件損壞；對于間歇性、不均勻產(chǎn)水井，多段式控制方式調(diào)節(jié)閥開關(guān)次數(shù)最少，開關(guān)波動幅度最小。PID控制方式開關(guān)較頻繁，波動幅度適中；兩位式控制方式開關(guān)較頻繁，波動幅度最大。

根據(jù)上述分析，分離器液位控制方式的選擇可總結(jié)出以下結(jié)論：

兩位式調(diào)節(jié)適合于產(chǎn)水量少的采氣單井。液位在一個較大的范圍內(nèi)呈周期性動態(tài)變化，調(diào)節(jié)閥也周期性地開關(guān)動作。氣井產(chǎn)水量較多時，無論產(chǎn)水是否連續(xù)均勻，調(diào)節(jié)閥開關(guān)都非常頻繁；氣井產(chǎn)水量少時，無論產(chǎn)水是否連續(xù)均勻，調(diào)節(jié)閥開關(guān)頻率都較少。

PID式控制方式適合產(chǎn)水量多，產(chǎn)水連續(xù)，波動較小的采氣單井，可以根據(jù)產(chǎn)水量多少及波動情況設(shè)置P、I值，調(diào)整調(diào)節(jié)閥動作頻率和動作幅度。

多段式控制方式適用于產(chǎn)水量較大，產(chǎn)水連續(xù)均勻的采氣單井。將要控制的液位區(qū)間細分成多個小區(qū)間，每一個小區(qū)間對應(yīng)一個閥位開度。一般液位越高，開度越大，液位越低，開度越小。總能找到某個閥位開度時，使分離器進入和排出的水量達到動態(tài)平衡，此時閥位開度和液位保持不變。

5 應(yīng)用效果

川西北雙魚石區(qū)塊均為典型高壓含硫井，各采氣單井產(chǎn)水情況各不相同，分離器液位控制相對復雜。研究結(jié)果中液位檢測儀表選型、液位調(diào)節(jié)閥選型、液位控制方式優(yōu)選的推薦做法，已經(jīng)應(yīng)用于雙魚石片區(qū)自動控制系統(tǒng)，增強了液位檢測儀表、液位調(diào)節(jié)閥的適應(yīng)性，完善了雙魚石片區(qū)分離器液位控制功能，減少調(diào)節(jié)閥動作頻率50%～80%，降低了調(diào)節(jié)閥故障率，取得了較好的應(yīng)用效果。

6 結(jié)束語

從分離器液位檢測儀表、分離器調(diào)節(jié)閥及液位控制方式三個方面開展了分離器液位控制效果分析，總結(jié)出一套適合高壓含硫氣井分離器液位控制推薦做法。并且在雙魚石片區(qū)采氣單井應(yīng)用后取得很好的效果，降低了對調(diào)節(jié)閥的維修頻率，節(jié)約了人力物力財力。這為各類分離器液位調(diào)節(jié)找到了一個新的解決思路，可推廣應(yīng)用到類似氣水分離場合，同時可為類似裝置的方案設(shè)計提供參考。