CN115263210B - 一种旋流式分离稳压智能节流装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋流式分离稳压智能节流装置及其工作方法，属于钻井井控期间的节流控制领域，包括旋流式气液分离器和PLC控制器，多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道上分别设置有多相流入口控制阀、气相出口控制阀和液相出口控制阀，多相流入口管道上设置有钻井液密度传感器，分离器外壁上设有液位传感器；钻井液密度传感器、液位传感器均与PLC控制器的输入端信号连接。本发明能够在进入节流管汇之前，将气液两相流进行初步分离，并通过检测含气率以及液位调节液相出口控制阀开度，维持井口压力动态稳定，使得从液相出口管道流入节流管汇的压力波动调整至安全的范围，减少节流压力损失，保持井内压力平衡，避免安全事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋流式分离稳压智能节流装置及其工作方法，尤其涉及一种可以调节并稳定多相流在流入节流管汇之前引起的节流压力波动的一种装置，属于钻井井控期间的节流控制领域。
背景技术
石油和天然气目前依然是当今世界的主要能源，在国民经济中占有极为重要的地位。石油资源的勘探开发一直都备受世界各国的关注，我国的石油工业经过数十年来的技术更迭，石油开采技术逐步赶超国际一流的技术水平。目前石油资源开发过程，一旦井底的压力平衡控制不当，则可能会引发诸如井侵、溢流、井喷等安全事故，从而导致设备的损坏、造成油气井的废弃、并引发一系列的环境污染问题，甚至重大的井控事故威胁井控作业人员以及油气井周边群众的生命财产安全。因此，在钻井过程中，采取有效措施进行油气井压力控制是钻井安全的一个极其重要的环节。
现代井控工艺有一个极其关键的类型，即节流管汇。节流管汇是控制井口回压和井内流体、实施油气井压力控制的可靠且必要的设备。其节流压力控制是保证钻井安全、保护自然环境及地下资源的重要课题。在油气井施工中，往往由于不恰当的操作或其他原因，在关井后，井筒里的气压不受控制地升高，极易产生安全事故。在多相流条件下，对压力波动进行数值模拟分析总结出，多相流流型在含气率较低情况下为泡状流，此时小气泡快速流出，引起的节流波动较小，随着含气率的升高，节流管内的多相流流型逐渐转变为节流压力较大波动的段塞流，节流压力大幅度改变的搅拌流，直至发展成环雾流。多相流流型为环雾流时，节流压力发生断崖式下跌，节流压力波动幅度巨大。而目前使用的多数节流管汇主要结构中使用了一个节流阀作为节流元件，实现对压力的控制。且为了提高精度，多数采用特殊工艺制造的先进节流阀。在高压差、大排量状态下，节流阀工作寿命缩短，增加钻井作业成本。将多相流进入节流管汇之前将压力波动控制在安全可控范围内，会进一步降低钻井作业的安全隐患，增加节流元件的工作寿命，降低作业成本。
目前分离器的类型及分离原理繁多，按分离不同的介质可分为固—液分离器、气—液分离器以及液—液分离器，按分离原理可分为管式分离器、重力式分离器以及旋流式分离器。旋流式气液分离装置是一种可实现快速分离的离心式分离设备，具有很多优点：分离效率高；成本低，维护费用少、能耗低且不需要帮助分离的介质；安装简便；工作连续、可靠、操作维护简便；
为避免因节流管汇内的多相流流型而导致的节流压力波动过大，造成的节流压力损失，引起安全事故。有必要提出一种在多相流流型进入节流管汇之前将压力波动控制在安全范围的装置。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种旋流式分离稳压智能节流装置及其工作方法，在多相流流型进入节流管汇之前，将气液两相流进行初步分离，并通过检测含气率以及液位调节液相出口控制阀开度，维持井口压力动态稳定，使得从液相出口管道流入节流管汇的压力波动调整至安全的范围，减少节流压力损失，保持井内压力平衡，避免安全事故的发生。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种旋流式分离稳压智能节流装置，包括旋流式气液分离器和PLC控制器，旋流式气液分离器上部设有多相流入口管道，顶部设置有气相出口管道，底部设置有液相出口管道，所述气相出口管道用于连接气相节流管汇，液相出口管道用于连接液相节流管汇；
所述多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道上分别设置有多相流入口控制阀、气相出口控制阀和液相出口控制阀，所述多相流入口管道上设置有钻井液密度传感器，所述旋流式气液分离器外壁上设置有液位传感器；
所述钻井液密度传感器、液位传感器均与PLC控制器的输入端信号连接，所述PLC控制器的输出端与液相出口控制阀连接，用于根据钻井液密度传感器、液位传感器传递信号调节液相出口控制阀的过流面积。
值得注意的是，本发明的气相出口控制阀主要作用是：当本发明装置的前端设备检测到硫化氢等有毒气体时，方便关闭气相出口控制阀，以防有毒气体泄漏，后续可根据气体性质进行处理，并适时调节该控制阀开度，此部分不是本发明的重点，不再赘述。
优选的，所述多相流入口管道内的多相流包含密度不同的气相和液相，其密度大小相差1000倍以上。
优选的，所述多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道上分别设置有压力传感器A、压力传感器B和压力传感器C，以便随时对压力进行监测，若多相流入口管道的压力传感器A突然变小，则地层流体侵入，为了平衡地层压力，可手动将液相出口控制阀调小，直至多相流入口管道压力传感器A恢复正常地层压力。
优选的，本发明的多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道内径可根据实际工况选择。
优选的，所述气相出口控制阀和液相出口控制阀均为电动阀门或气动阀门。
优选的，所述钻井液密度传感器能够得到含气率α：
由ρL*(1-α)+ρG*α＝ρ传感器，得出
其中，α—含气率；ρL—钻井液密度；ρG—气体密度；ρ传感器—钻井液密度传感器所测密度。
优选的，所述多相流入口控制阀为三通阀，将本发明的旋流式分离稳压智能节流装置并联在正常管道上，当旋流式分离稳压智能节流装置出现管线损坏等情况而无法正常工作时，可将多相流直接与正常管道连接，不影响正常使用。
一种上述的旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，包括以下步骤：
(1)打开多相流入口控制阀，钻井液密度传感器实时检测钻井液密度，液位传感器实时检测旋流式气液分离器的液位高度，并实时传递给PLC控制器；
(2)PLC控制器根据钻井液密度传感器的信号实时计算得到含气率，并根据含气率控制液相出口控制阀的过流面积，当含气率升高时，控制液相出口控制阀的过流面积减小；
当多相流中含气率不变时，旋流式气液分离器的液位高度不变，从液相出口管道流入节流管汇的压力不变，当多相流中含气率较高时，则会引起液位降低，从液相出口管道流入节流管汇的压力降低，此时需要减小液相出口控制阀的过流面积，即减小液相出口的流量，以稳定压力；
(3)当液位传感器检测到旋流式气液分离器的液位高度低于某一阈值时，PLC控制器控制液相出口控制阀关闭，当液位传感器检测到液位高度高于阈值时，则PLC控制器控制液相出口控制阀打开至关闭前的过流面积；
当液位过低时，则需要完全关闭液相出口控制阀，以将压力调整至某一动态范围内。
优选的，步骤(2)中，液相出口控制阀的过流面积与含气率的关系为：
式中：
A—液相出口控制阀过流面积；
μ—流量系数，与多相流入口管道形状有关，一般取0.6～0.65；
A1—多相流入口管道截面积；
P1—多相流入口管道压力；
α—含气率；
c—流量指数，由控制阀形状及流体性质决定，c与雷诺数Re有关，当Re＞260时，c为常数；若控制阀阀口为锐边，则c＝0.6～0.65；若控制阀阀口有不大的圆角或很小的倒角，则c＝0.8～0.9，锥阀阀口流量系数约为c＝0.77～0.82；
ΔP—液相出口控制阀压差，由控制阀形状及流体性质决定；
m—由控制阀形状决定的指数，其值在0.5～1之间。
优选的，步骤(3)中，将旋流式气液分离器总高度的25％作为阈值。
本发明所采用的钻井液密度传感器为LH-MD1407A EX钻井液密度传感器，液位传感器型号为HLRD26GA或HL-5，适用范围广，几乎可以测量所有介质，而且基本不受压力、温度的影响。
本发明的PLC控制器、控制阀、压力传感器等常用元件均可采用现有的市售型号，均不影响本发明的实施。
本发明未详尽之处，均可参见现有技术。
当节流管线内处于低含气率时(节流管线为井口到节流管汇之间的管线)，节流管线内的节流压力波动较小，此时损失较小节流压力，对井底压力平衡产生的影响较小；节流管线内处于较高或者高含气率时，气相流经节流管汇内节流阀的孔喉处产生的节流压力几乎为零，此时多相流体系流入节流管汇后会产生较大的节流压力波动，造成较大的节流压力损失，对井底压力的平衡产生一定的影响。本发明的装置是在多相流体系流入节流管汇之前，由管线内的钻井液密度传感器及液位传感器提供实时数据，经PLC控制器进行智能调控管线内液相出口控制阀的过流面积，将多相流体系各相初步分离，降低节流压力波动幅度，减小节流压力损失，稳定井底压力。
本发明的有益效果为：
本发明通过安装在多相流入口管道的钻井液密度传感器检测数值及公式的计算结果实时检测管道内的多相流流型变化，位于旋流式气液分离器外壁的液位传感器实时检测液位变化，利用PLC控制器智能调控液相出口控制阀的过流面积，使多相流流入节流管汇之前，将节流压力波动控制在一定范围内，有效降低了安全事故的发生的概率，延长了节流管汇系统内各部件的工作寿命，降低了成本。
附图说明
图1为本发明旋流式分离稳压智能节流装置的结构示意图；
图2为本发明的信号控制过程示意图；
其中，1-旋流式气液分离器，2-PLC控制器，3-多相流入口管道，4-气相出口管道，5-液相出口管道，6-多相流入口控制阀，7-气相出口控制阀，8-液相出口控制阀，9-钻井液密度传感器，10-液位传感器，11-压力传感器A，12-压力传感器B，13-压力传感器C。
具体实施方式：
为了使本技术领域的人员更好的理解本说明书中的技术方案，下面结合本说明书实施中的附图，对本发明书实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1
一种旋流式分离稳压智能节流装置，如图1-2所示，包括旋流式气液分离器1和PLC控制器2，旋流式气液分离器1上部设有多相流入口管道3，顶部设置有气相出口管道4，底部设置有液相出口管道5，气相出口管道4用于连接气相节流管汇，液相出口管道5用于连接液相节流管汇；
多相流入口管道3、气相出口管道4和液相出口管道5上分别设置有多相流入口控制阀6、气相出口控制阀7和液相出口控制阀8，多相流入口管道3上设置有钻井液密度传感器9，旋流式气液分离器1外壁上设置有液位传感器10；
钻井液密度传感器9、液位传感器10均与PLC控制器2的输入端信号连接，PLC控制器2的输出端与液相出口控制阀8连接，用于根据钻井液密度传感器9、液位传感器10传递信号调节液相出口控制阀8的过流面积。
值得注意的是，本实施例中气相出口控制阀7主要作用是：当装置的前端设备检测到硫化氢等有毒气体时，方便关闭气相出口控制阀，以防有毒气体泄漏，后续可根据气体性质进行处理，并适时调节该控制阀开度，此部分不是本发明的重点，不再赘述。
实施例2
一种旋流式分离稳压智能节流装置，如实施例1所述，所不同的是，多相流入口管道3内的多相流包含密度不同的气相和液相，其密度大小相差1000倍以上。
实施例3
一种旋流式分离稳压智能节流装置，如实施例1所述，所不同的是，多相流入口管道3、气相出口管道4和液相出口管道5上分别设置有压力传感器A 11、压力传感器B12和压力传感器C13，以便随时对压力进行监测，若多相流入口管道的压力传感器A突然变小，则地层流体侵入，为了平衡地层压力，可手动将液相出口控制阀调小，直至多相流入口管道压力传感器A恢复正常地层压力。
多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道内径可根据实际工况选择。
实施例4
一种旋流式分离稳压智能节流装置，如实施例1所述，所不同的是，气相出口控制阀7和液相出口控制阀8均为电动阀门。
实施例5
一种旋流式分离稳压智能节流装置，如实施例1所述，所不同的是，钻井液密度传感器9能够得到含气率α：
由ρL*(1-α)+ρG*α＝ρ传感器，得出
其中，α—含气率；ρL—钻井液密度；ρG—气体密度；ρ传感器—钻井液密度传感器所测密度。
优选的，多相流入口控制阀6为三通阀，将本发明的旋流式分离稳压智能节流装置并联在正常管道上，当旋流式分离稳压智能节流装置出现管线损坏等情况而无法正常工作时，可将多相流直接与正常管道连接，不影响正常使用。
实施例6
一种旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，包括以下步骤：
(1)打开多相流入口控制阀6，钻井液密度传感器9实时检测钻井液密度，液位传感器10实时检测旋流式气液分离器1的液位高度，并实时传递给PLC控制器2；
(2)PLC控制器2根据钻井液密度传感器9的信号实时计算得到含气率，并根据含气率控制液相出口控制阀的过流面积，当含气率升高时，控制液相出口控制阀的过流面积减小；
当多相流中含气率不变时，旋流式气液分离器的液位高度不变，从液相出口管道流入节流管汇的压力不变，当多相流中含气率较高时，则会引起液位降低，从液相出口管道流入节流管汇的压力降低，此时需要减小液相出口控制阀的过流面积，即减小液相出口的流量，以稳定压力；
(3)当液位传感器10检测到旋流式气液分离器1的液位高度低于某一阈值时，PLC控制器2控制液相出口控制阀8关闭，当液位传感器10检测到液位高度高于阈值时，则PLC控制器2控制液相出口控制阀打开至关闭前的过流面积；
当液位过低时，则需要完全关闭液相出口控制阀，以将压力调整至某一动态范围内。
优选的，将旋流式气液分离器总高度的25％作为阈值。
实施例7
一种旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，如实施例6所述，所不同的是，步骤(2)中，液相出口控制阀8的过流面积与含气率的关系为：
式中：
A—液相出口控制阀过流面积；
μ—流量系数，与多相流入口管道形状有关，一般取0.6～0.65；
A1—多相流入口管道截面积；
P1—多相流入口管道压力；
α—含气率；
c—流量指数，由控制阀形状及流体性质决定，c与雷诺数Re有关，当Re＞260时，c为常数；若控制阀阀口为锐边，则c＝0.6～0.65；若控制阀阀口有不大的圆角或很小的倒角，则c＝0.8～0.9，锥阀阀口流量系数约为c＝0.77～0.82；
ΔP—液相出口控制阀压差，由控制阀形状及流体性质决定；
m—由控制阀形状决定的指数，其值在0.5～1之间。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，其特征在于，旋流式分离稳压智能节流装置包括旋流式气液分离器和PLC控制器，旋流式气液分离器上部设有多相流入口管道，顶部设置有气相出口管道，底部设置有液相出口管道，所述气相出口管道用于连接气相节流管汇，液相出口管道用于连接液相节流管汇；
所述多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道上分别设置有多相流入口控制阀、气相出口控制阀和液相出口控制阀，所述多相流入口管道上设置有钻井液密度传感器，所述旋流式气液分离器外壁上设置有液位传感器；
所述钻井液密度传感器、液位传感器均与PLC控制器的输入端信号连接，所述PLC控制器的输出端与液相出口控制阀连接，用于根据钻井液密度传感器、液位传感器传递信号调节液相出口控制阀的过流面积；
所述多相流入口管道、气相出口管道和液相出口管道上分别设置有压力传感器A、压力传感器B和压力传感器C；
所述钻井液密度传感器能够得到含气率α：
由ρL*(1-α)+ρG*α＝ρ传感器，得出
其中，α—含气率；ρL—钻井液密度；ρG—气体密度；ρ传感器—钻井液密度传感器所测密度；
工作方法包括以下步骤：
(1)打开多相流入口控制阀，钻井液密度传感器实时检测钻井液密度，液位传感器实时检测旋流式气液分离器的液位高度，并实时传递给PLC控制器；
(2)PLC控制器根据钻井液密度传感器的信号实时计算得到含气率，并根据含气率控制液相出口控制阀的过流面积，当含气率升高时，控制液相出口控制阀的过流面积减小；
(3)当液位传感器检测到旋流式气液分离器的液位高度低于某一阈值时，PLC控制器控制液相出口控制阀关闭，当液位传感器检测到液位高度高于阈值时，则PLC控制器控制液相出口控制阀打开至关闭前的过流面积；
步骤(2)中，液相出口控制阀的过流面积与含气率的关系为：
式中：
A—液相出口控制阀过流面积；
μ—流量系数，与多相流入口管道形状有关，取0.6～0.65；
A1—多相流入口管道截面积；
P1—多相流入口管道压力；
α—含气率；
c—流量指数；
ΔP—液相出口控制阀压差；
m—由控制阀形状决定的指数，其值在0.5～1之间。
2.根据权利要求1所述的旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，其特征在于，所述多相流入口管道内的多相流包含密度不同的气相和液相，其密度大小相差1000倍以上。
3.根据权利要求2所述的旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，其特征在于，所述气相出口控制阀和液相出口控制阀均为电动阀门或气动阀门。
4.根据权利要求1所述的旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，其特征在于，所述多相流入口控制阀为三通阀。
5.根据权利要求1所述的旋流式分离稳压智能节流装置的工作方法，其特征在于，步骤(3)中，将旋流式气液分离器总高度的25％作为阈值。
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