Способ и система для подавления и контроля образования пробок в потоке многофазовой текучей среды

1 Предпосылки изобретения Настоящее изобретение относится к подавлению и контролю образования пробок в потоке многофазовой текучей среды. В частности, настоящее изобретение относится к способу и системе, предназначенным для подавления и контроля образования пробок жидкости и выбросов газа в потоке многофазовой текучей среды, протекающем по трубопроводу или по системе трубопроводов, которая может включать водоотделяющую колонну и сепаратор газа/жидкости или уловитель конденсата, установленный ниже по потоку от выходного отверстия трубопровода или водоотделяющей колонны. В нефте- и газодобывающей промышленности часто для транспортировки многофазовой текучей среды, содержащей сырую нефть или конденсат, воду и газ из скважины, для удобства выполнения процесса используют систему с одним трубопроводом. Например, в случае добычи на морском шельфе сырая нефть, эксплуатационная вода и сопутствующий газ, в общем,одновременно транспортируются по одиночному трубопроводу в разделительное оборудование газ/жидкость, расположенное на берегу или на платформе в открытом море. Известны несколько режимов, которые возникают в таком потоке многофазовой текучей среды, включая расслоенный поток, поток в центральной части,дисперсный поток и снарядный поток. Снарядный режим потока, в общем, стремятся исключить, поскольку в таком режиме происходит чередование пакетов жидкости (которые называют пробками) и выбросов газа. При определенных условиях потока легко может произойти рост пробок жидкости в потоке, что приводит к чередующимся задержкам потока (отсутствию потока) и сильным выбросам газа на выходе из трубопровода. Крупные пробки жидкости также могут образовываться при изменении режима работы, например при повышении интенсивности переноса текучей среды в начале работы трубопровода. Передача такой чередующейся структуры пробок жидкости и выбросов газа в сепаратор газа/жидкости существенно снижает эффективность сепаратора, поскольку сепаратор газа/жидкости должен работать при приемлемых флуктуациях давления и должен обеспечивать приемлемо низкий уровень содержания жидкости в выходном газопроводе и приемлемо низкий уровень содержания газа в выходном трубопроводе жидкости. Способ, предотвращающий рост пробок в системе трубопровода при одновременной транспортировке газа и жидкости через систему трубопровода, описан в "Журнале нефти и газа" от 12 ноября 1979 г. (OilGas journal, Nov. 12,1979). В этом известном способе в верхней части водоотделяющей колонны устанавливают клапан, причем этот клапан регулируют вручную или автоматически с тем, чтобы минимизи 003655 2 ровать давление в трубопроводе вверх по потоку от водоотделяющей колонны и минимизировать перепад давления в водоотделяющей колонне. Для передачи сигналов давления для регулировки клапана используются передатчики,причем эти передатчики установлены в подводной части системы трубопровода. Такой известный способ основан на предположении, что значительные пробки образуются только в трубопроводах, имеющих наклонную вниз секцию,если рассматривать в направлении потока, и что рост пробок может быть предотвращен путем регулирования объемного потока текучей среды как функцию изменений давления текучей среды. В патенте JP-A-63-274408 описано устройство управления сепаратором, которое регулирует клапан на выходе отверстия для выпуска газа в сепараторе газа/жидкости путем сложения выходного сигнала сверхзвукового многофазового расходомера, установленного на входе в сепаратор, и сигнала манометра в сепараторе для обеспечения постоянного давления в сепараторе. В патенте ЕР-В-410522 описан способ предотвращения роста пробок в потоке многофазовой текучей среды, протекающей из трубопровода в сепаратор газа/жидкости, в котором устанавливают средство контроля скорости текучей среды, предназначенное для регулировки скорости потока текучей среды. Этот известный способ содержит измерение скорости потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости из сепаратора и скорости потока газа в отверстии для выпуска газа, определение скорости потока текучей среды как суммы скорости потока жидкости и скорости потока газа и включение средства управления скоростью потока текучей среды так, чтобы уменьшить вариации потока текучей среды. Недостаток этого известного способа и способа,описанного в JP-A-63-274408, состоит в том, что измерение суммы скоростей потоков жидкости и газа в потоке многофазовой текучей среды является трудноосуществимым и требует применения сложного измерительного оборудования. В патентах США 5,256,171; 5,377,714; 5,494,067; 5,544,672 и 5,711,338 описаны способы подавления образования пробок, в которых уровень жидкости в резервуаре для разделения газа/жидкости поддерживается на постоянном значении. Недостаток этих способов состоит в том, что указанный уровень жидкости не всегда представляет собой наилучший параметр управления и в отдельных случаях, например во время включения, требуется ручное управление или вмешательство. Способ в соответствии с преамбулой п.1 формулы изобретения известен из ЕР-В-767699. Этот известный способ содержит следующие этапы: 3 Измерение, по меньшей мере, одной переменной управления, выбранной из группы: уровень жидкости в сепараторе, скорость потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости в сепараторе, скорость потока газа в отверстии для выпуска газа в сепараторе, сумма скорости потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии для выпуска газа, а также давление текучей среды в сепараторе или вблизи к нему; и динамическое регулирование клапанов управления потоком жидкости и газа в отверстиях для выпуска жидкости и газа для уменьшения разности между одной или несколькими переменными управления и выбранным опорным значением выбранной переменной (переменных) управления. Результаты испытаний способа в соответствии с ЕР-В-767699 показали, что данный известный способ позволяет существенно подавлять снарядный режим потока многофазовой текучей среды, но также то, что из-за природы происхождения пробок жидкости некоторые пробки подавлялись в меньшей степени, чем другие. Способ и система в соответствии с настоящим изобретением направлены на подавление и контроль образования пробок, который позволяет в большей степени контролировать снарядный режим потока, чем известный способ, и который может осуществляться автоматически, без необходимости вмешательства человека. Краткое описание изобретения Способ и система в соответствии с настоящим изобретением отличаются тем, что значение выбранной переменной управления,которая используется для регулировки клапана управления потоком жидкости и/или газа, автоматически изменяется, если одна или большее количество переменных управления достигают заранее установленного значения, при этом в ходе нормальной работы переменная управления представляет собой сумму (QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии для выпуска газа, причем переменная управления заменяется на скорость потока жидкости(QL) в отверстии для выпуска жидкости, если уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе или скорость потока жидкости (QL) в отверстии для выпуска жидкости достигнут заранее заданного значения, и выбранная переменная управления заменяется обратно на сумму (QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии для выпуска газа, когда указанный уровень жидкости (LLIQ) в сепараторе или скорость (QL) потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости будет ниже указанного, заранее установленного значения. 4 Способ и система в соответствии с настоящим изобретением позволяют подавлять и контролировать образование пробок жидкости и выбросов газа в потоках многофазовой текучей среды автоматически, без вмешательства человека. Обычно во время включения системы клапан жидкости закрыт и клапан газа регулируется так, что давление текучей среды на входе в сепаратор или вблизи к нему остается, по существу, постоянным. Когда уровень жидкости в сепараторе достигнет заранее установленного уровня, клапан жидкости автоматически открывается и выполняется его динамическая регулировка для поддержания уровня жидкости на заранее установленном значении, в то время как клапан газа динамически регулируется таким образом, чтобы скорость потока смеси оставалась, по существу, на постоянном уровне. Такой гибридный режим управления постоянный уровень жидкости/постоянная скорость потока смеси остается основным режимом управления до тех пор, пока уровень жидкости в сепараторе и/или поток жидкости в отверстии для выпуска жидкости не достигнет заранее установленного порогового значения, при котором система автоматически регулируется так, что клапан газа временно, по существу, закрывается, и клапан жидкости динамически регулируется так, что скорость потока жидкости в выходном отверстии жидкости остается, по существу, на постоянном уровне. Как только уровень жидкости в сепараторе и/или скорость потока жидкости в отверстии для выпуска жидкости снова становятся ниже указанного заранее установленного порогового значения, система автоматически переключается обратно в основной гибридный режим управления - постоянный уровень жидкости/постоянная скорость потока смеси. Сепаратор газа/жидкости, описанный выше, может иметь достаточную емкость для обработки потока текучей среды, причем в этом случае указанный сепаратор может представлять собой единственный сепаратор в системе. В качестве альтернативы может быть установлен минисепаратор вверх по потоку от сепаратора-уловителя конденсата. При этом минисепаратор представляет собой первичный сепаратор, отверстие для выпуска газа и отверстие для выпуска жидкости которого выходят в сепаратор-уловитель конденсата, который представляет собой вторичный сепаратор. Описание предпочтительного варианта воплощения Настоящее изобретение более подробно описано ниже на примере, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 схематично изображает систему трубопровода, предназначенную для воплощения способа в соответствии с настоящим изобретением; 5 фиг. 2 - схему работы системы в основном режиме; и фиг. 3 - схему работы системы при постоянном потоке жидкости и в режиме отсутствия потока газа. Система трубопровода по фиг. 1 содержит трубопровод 1 для добычи нефти и/или газа,проходящий от морского дна 3, от устья (не показано) эксплуатационной скважины для добычи нефти и/или газа, на установленную на морском шельфе платформу 5, водоотделяющую колонну в форме наклоненной вверх секции трубопровода 7, соединенной с платформой 5, и сепаратор 9 газа/жидкости, имеющий выходной трубопровод 13 жидкости и выходной трубопровод 14 газа. На выходном трубопроводе 13 жидкости установлен клапан 15 управления потоком жидкости, а на выходном трубопроводе газа установлен клапан 16 управления потоком газа. Клапаны 15, 16 могут быть любого подходящего типа, такие как вихревой усилитель,описанный в публикации "Oil man" за август 1987 г., стр. 82-85. Расходометр 17 газа установлен в выходном трубопроводе 14 газа и расходометр 19 жидкости установлен в выходном трубопроводе 13 жидкости. В сепараторе 9 дополнительно установлен датчик 25 уровня жидкости и датчик 27 давления. Сигналы от расходометра 17 газа, расходометра 19 жидкости,датчика 25 уровня жидкости и датчика 27 давления поступают в систему 30 управления, которая управляет клапанами 15, 16 в зависимости от сигналов, получаемых системой 30 управления. Выходной трубопровод 13 жидкости и выходной трубопровод газа связаны с сепаратором уловителя конденсата (не показан), который установлен вниз по потоку от сепаратора 9. Сепаратор уловителя конденсата имеет значительно большие размеры, чем сепаратор 9. При запуске системы клапан 15 управления потоком жидкости будет закрыт до тех пор,пока уровень LLIQ жидкости в сепараторе 9 не достигнет заранее заданного значения, в то время как клапан 16 управления потоком газа динамически регулируется так, чтобы давление,измеряемое датчиком 27 давления, поддерживалось на заранее выбранном уровне. Как только уровень LLIQ жидкости в сепараторе 9 достигнет определенного значения, система автоматически переключается в основной режим общего управления объемным потоком, схема которого показана на фиг. 2. В режиме общего управления объемным потоком, как показано на фиг. 2, клапан 15 управления потоком регулируется таким образом, чтобы поддерживать на заданном значении уровень LLIQ жидкости. Кроме того, клапан 16 управления потоком газа регулируется таким образом, чтобы поддерживать на заданном уровне общий объемный поток QL+QG. Действительные значения скоростей QL и QG потока измеряются с помощью расходомеров 17, 19 6 газа и жидкости в отверстиях 14 и 13 для выпуска жидкости и газа. Сумма выходных сигналов расходомеров 17 и 19 представляет собой переменную управления. Заданный уровень контроллера 30 В общего объемного потока задается контроллером 30 А давления по алгоритмам, которые зависят от системы трубопровода 1, 7. Для подавления пробок схема общего управления объемным потоком, показанная на фиг. 2, не будет работать оптимально из-за того,что контроллер 30 С уровня не связан с общим объемным потоком. Она будет полностью открывать клапан 15 управления потоком жидкости для поддержания уровня жидкости на установленном для него значении. Поэтому включается режим работы управления потоком жидкости, схема которого показана на фиг. 3, когда (i) уровень LLIQ жидкости в сепараторе 9 достигнет порогового значения или (ii) скорость QL потока жидкости в отверстии 13 для выпуска жидкости достигнет порогового значения. Пороговое значение скорости QL потока жидкости может зависеть от внешних факторов, таких как уровень жидкости, или дренажной способности сепаратора. Такое пороговое значение также может использоваться в качестве заданного уровня контроллера 30 С потока жидкости. Заданный уровень общего объемного потока остается постоянным в процессе управления потоком жидкости. Управление потоком жидкости предотвращает рост пробок. Когда уровень жидкости в минисепараторе 9 понизится и скорость потока жидкости будет ниже порогового значения, снова включается режим общего объемного управления, схема которого показана на фиг. 2. В режиме общего объемного управления фаза сжатого газа (за пробкой) может быть получена без выброса газа. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ подавления и контроля образования пробок жидкости и выбросов газа в потоке многофазовой текучей среды, протекающем из трубопровода (1) в сепаратор (9) газа/жидкости, в отверстии (13) для выпуска жидкости которого установлен клапан (15) управления потоком жидкости, а в отверстии (14) для выпуска газа установлен клапан (16) управления потоком газа, содержащий измерение, по меньшей мере, одной переменной управления, выбранной из группы,включающей уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе (9), скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости, скорость(QG) потока газа в отверстии (14) для выпуска газа, сумму (QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (14) для выпуска 7 газа и давление (Р) жидкости в сепараторе (9) или вблизи него; регулирование клапанов (15, 16) управления потоками жидкости и газа с тем, чтобы уменьшить разность между измеренным значением выбранной переменной (QL+QG, QL, QG, Р,LLIQ) управления и заранее заданным опорным значением выбранной переменной управления,отличающейся тем, что дополнительно содержит автоматическую замену выбранной переменной управления (QL+QG, QL, QG, Р, LLIQ),если одна или большее количество переменных управления достигнет заранее заданного значения, при этом во время нормальной работы выбранная переменная управления представляет собой сумму (QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (14) для выпуска газа, и выбранная переменная управления заменяется на скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости, если уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе (9) или скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости достигнет заранее заданного значения, и переменная управления заменяется обратно на сумму (QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (14) для выпуска газа, когда уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе (9) или скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости будет ниже заранее заданного значения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе нормальной работы клапан (15) управления потоком жидкости регулируют так, чтобы изменения уровня (LLIQ) жидкости в сепараторе(9) были минимальны, и клапан (16) управления потоком газа регулируют таким образом, чтобы изменения суммы скоростей (QL+QG) потоков жидкости и газа в указанных отверстиях (13, 14) были минимальными. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе нормальной работы управляют суммой(QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии(14) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (13) для выпуска газа путем динамической регулировки положения клапана(16) управления потоком газа с помощью контроллера (30 В) потока смеси, который установлен для поддержания заданного уровня суммарного объемного потока, и путем динамической регулировки положения клапана (15) управления потоком жидкости с помощью контроллера(30 С) уровня жидкости. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что,если скорость (QL) потока жидкости выбрана как переменная управления, клапан (16) управления потоком газа, по существу, закрывают, а клапан (15) управления потоком жидкости динамически регулируют с помощью контроллера 8 поддержание на заданном уровне потока жидкости. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что,если скорость (QL) потока жидкости будет выбрана как переменная управления, клапан (16) управления потоком газа, по существу, закрывают до тех пор, пока давление газа не достигнет опасного уровня, при котором открывают клапан (16) управления потоком газа для сброса давления. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при запуске клапан (15) управления потоком жидкости закрывают до тех пор, пока уровень жидкости в сепараторе (9) не достигнет заданного уровня, в то время как клапан (16) управления потоком газа динамически регулируют так, чтобы давление, измеряемое датчиком (27) давления сепаратора (9), поддерживалось на заданном уровне. 7. Система подавления и контроля образования пробок жидкости в потоке многофазовой текучей среды, протекающем от трубопровода(14) для выпуска газа, в котором установлен клапан (16) управления потоком газа, содержащая систему (30) управления, приспособленную для динамической регулировки положения клапанов (15, 16) управления потоками газа и жидкости по результатам измерения, по меньшей мере, одной переменной управления, выбранной из группы, включающей уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе (9), скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости,скорость (QG) потока газа в отверстии (14) для выпуска газа и сумму скоростей (QL+QG) потоков жидкости и газа в указанных отверстиях (13,14),отличающаяся тем, что система (30) управления выполнена с возможностью замены переменной (LLIQ, QL, QG, QL+QG) управления и выполнения соответствующей регулировки клапанов (15, 16) управления потоками газа и жидкости, если выбранная переменная управления достигнет заранее заданного значения,при этом в ходе нормальной работы переменная управления представляет собой сумму(QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии(13) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (14) для выпуска газа, причем переменная управления заменяется на скорость(QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости, если уровень (LLIQ) жидкости в сепараторе (9) и/или скорость QL потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости достигнет заранее заданного значения, и переменная управления заменяется обратно на сумму(QL+QG) скорости потока жидкости в отверстии(13) для выпуска жидкости и скорости потока газа в отверстии (14) для выпуска газа, когда указанный уровень (LLIQ) скорости жидкости в сепараторе (9) или скорость (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости будет ниже указанного, заранее установленного значения. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что система (30) управления выполнена с возможностью регулирования в ходе нормальной работы клапана (15) управления потоком жидкости так, чтобы изменения уровня (LLIQ) жидкости в сепараторе (9) были минимальными, и регулирования клапана (16) управления потоком газа так, чтобы изменения суммы скоростей (QL+QG) потока жидкости и газа в отверстиях (13, 14) для выпуска жидкости и газа были минимальными,при этом система (30) управления, по существу,закрывает клапан (16) управления потоком газа и регулирует клапан (15) управления потоком жидкости так, чтобы изменения скорости (QL) потока жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости были минимальными, если уровень(LLIQ) жидкости в сепараторе (9) достигнет порогового значения или скорость (QL) потока 10 жидкости в отверстии (13) для выпуска жидкости достигнет порогового значения. 9. Система по п.7, отличающаяся тем, что трубопровод (1) образует часть системы производства углеводородной текучей среды, через которую поступает смесь сырой нефти, конденсата, воды и/или природного газа из одной или большего количества скважин для добычи углеводородной текучей среды. 10. Система по п.9, отличающаяся тем, что сепаратор (9) представляет собой первичный сепаратор и отверстия (13, 14) для выпуска жидкости и газа представляют собой входные трубопроводы текучей среды для вторичного сепаратора или уловителя конденсата, который имеет больший объем, чем первичный сепаратор (9). 11. Система по п.10, отличающаяся тем,что сепараторы расположены на платформе (5),установленной на дне (3) моря, на берегу или внутри скважины для производства нефти и/или газа.