[發(fā)明專利]控制節(jié)涌的裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200680041828.5
• 申請(qǐng)日: 2006-09-12
• 公開（公告）號(hào): CN101310091A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: T·Y·馬科甘;G·J·布魯克
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 英國(guó)石油勘探運(yùn)作有限公司;英國(guó)石油北美有限公司
• 主分類號(hào): E21B17/01
• 分類號(hào): E21B17/01;E21B43/01;F17D1/00;B01D19/00
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 張群峰;楊松齡

本發(fā)明涉及一種用于控制提升管內(nèi)的劇烈節(jié)涌發(fā)生的方法和裝置，所述提升管用于從海底管線向水面生產(chǎn)設(shè)施輸送包括氣相和液相的多相流體流。

多相管線在石油和天然氣生產(chǎn)工業(yè)中用于從海上生產(chǎn)井向附近的水面生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)輸包括液相(一般包括石油和/或天然氣冷凝物及產(chǎn)生的水)和氣相的多相流體流。

一般地，位于海床上的管線可連接于上升的水下流送管路，公知為“提升管”，其將產(chǎn)出的流體一直輸送到水面生產(chǎn)設(shè)施，優(yōu)選輸送到氣液分離器以分離氣相和液相。

在某些管線/提升管的構(gòu)造中可發(fā)生“節(jié)涌”流。該條件是指這樣的情況：從提升管的頂部分離出來(lái)的氣相和液相的流速不穩(wěn)定且在大部分(或全部)氣體和大部分(或全部)液體之間振蕩。該情況可導(dǎo)致三個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，一般是：

1)由于到達(dá)液體的很大“節(jié)涌”產(chǎn)生的進(jìn)口氣/液分離容器的溢流，到達(dá)液體的體積大于該容器內(nèi)可用的液體容量。這可能導(dǎo)致緊急停工。

2)在上層設(shè)備內(nèi)的不穩(wěn)定的操作條件。這可導(dǎo)致不能滿足產(chǎn)品規(guī)格；一般是不能滿足對(duì)污染產(chǎn)生的排水的石油量的調(diào)節(jié)，而且不能滿足規(guī)定的輸出石油中的水含量，這都?xì)w因于難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的石油/水界面。另外，這可導(dǎo)致控制水面生產(chǎn)設(shè)施的氣體壓縮機(jī)的問(wèn)題，這是因?yàn)楣┙o氣體從氣/液分離器向上述生產(chǎn)設(shè)施的不穩(wěn)定的流動(dòng)，這可造成天然氣的一些突然燃燒。

3)高壓負(fù)載可被施加在提升管上(提升管連接于管線和生產(chǎn)設(shè)施)，這是因?yàn)橐后w節(jié)涌以其趨向于加速離開管線的高速度到達(dá)所述設(shè)施。

當(dāng)達(dá)到三個(gè)條件時(shí)發(fā)生劇烈節(jié)涌的標(biāo)準(zhǔn)范例，所述條件是：

(i)向下傾斜的管線；

(ii)通向?qū)訝盍黧w流的多相流的低速度，和

(iii)水下管線連接于提升管。

因此，管線的傾斜度和多相流體流的速度產(chǎn)生這樣的條件：在所述條件下，流動(dòng)管路中的物流采用層式流型，氣體在液體之上流動(dòng)。這個(gè)使氣體進(jìn)入到傾斜管線的上部之中的分離是建立劇烈節(jié)涌現(xiàn)象的決定因素。

劇烈節(jié)涌的特征在于循環(huán)的四階段過(guò)程，如下所述：

階段I：多相流不具有足夠的能量以將液體運(yùn)輸?shù)教嵘埽⑶乙后w因此積聚在提升管的底部。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，形成了液體的節(jié)涌，從而阻塞氣體的通過(guò)。在阻塞的液體節(jié)涌的上游的氣壓增大，迫使形成的液體節(jié)涌進(jìn)入到提升管內(nèi)，使得液體壓頭上升通過(guò)提升管。液柱產(chǎn)生靜水壓力，所述靜水壓力隨液柱變長(zhǎng)而增大，這個(gè)靜水壓力大致等于液體節(jié)涌的管線上游內(nèi)增大的氣壓。液體節(jié)涌的長(zhǎng)度在極端情況下可達(dá)1至多個(gè)提升管的長(zhǎng)度。

階段II：液體節(jié)涌的上液面到達(dá)提升管的頂部，而且液體開始流動(dòng)到分離器之內(nèi)。在這一點(diǎn)上，靜水壓力處于最大值。

階段III：在液體節(jié)涌后面增大的氣壓變得足以克服液體的靜水壓頭，而且氣窩或氣泡被迫使進(jìn)入到提升管的下端并開始沿提升管上移。在這個(gè)階段，作用在漸小壓頭上的是大致固定的氣壓。氣壓超過(guò)靜水壓力的超出量促使節(jié)涌以高速射出提升管。然后已經(jīng)在液體節(jié)涌后面累積起來(lái)的氣體排放到分離器成為突然的氣體巨涌(氣體爆發(fā))。

階段IV：一旦氣體巨涌已經(jīng)排放到分離器之內(nèi)，多相流就具有足夠的能量沿提升管向上運(yùn)送液體(如階段I)。液體下落到提升管壁并開始積聚在提升管的底部，從而進(jìn)入新的循環(huán)。

跟隨有氣體巨涌的液體的節(jié)涌會(huì)威脅淹沒(méi)生產(chǎn)設(shè)施。氣體爆發(fā)通常被檢測(cè)為分離器內(nèi)的高壓，并且壓力檢測(cè)裝置操作使得閥裝置關(guān)閉，從而切斷提升管和生產(chǎn)設(shè)施而且也關(guān)閉對(duì)設(shè)施的操作。這意味生產(chǎn)被停止，同時(shí)處理劇烈節(jié)涌的影響，而且在至少幾個(gè)小時(shí)內(nèi)可能無(wú)法恢復(fù)生產(chǎn)，從而造成可能由恢復(fù)的生產(chǎn)的可能性加重的經(jīng)濟(jì)損失，所述恢復(fù)的生產(chǎn)必須從最開始處于低水平并然后逐漸增大到正常速率。

已經(jīng)采用多種手段來(lái)減小或消除劇烈節(jié)涌的影響。參考《石油與天然氣》(“Oil?and?Gas”)雜志1979年11月12日刊，第230-238頁(yè)，使用一種節(jié)流閥來(lái)控制劇烈節(jié)涌。因此，通過(guò)在提升管的頂部引入由節(jié)流閥產(chǎn)生的對(duì)流動(dòng)的局部壓降(壓頭損失)可以獲得流動(dòng)的穩(wěn)定性。由節(jié)流閥在表面施加的背壓與經(jīng)過(guò)它的流速成比例。這樣，節(jié)涌被中斷而且可以使流動(dòng)穩(wěn)定。

考慮到實(shí)現(xiàn)管路內(nèi)的壓力降低并保持液體在提升管之內(nèi)流動(dòng)，已經(jīng)利用氣升裝置來(lái)減小提升管內(nèi)的液柱的靜水壓力。這通過(guò)在提升管的底部注射氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于劇烈節(jié)涌的現(xiàn)象不能被輕易地控制，通常需要注射大量的氣體，這要求相當(dāng)大的壓縮裝置。此外，大量氣體的注射基本上改變了氣體和石油的比例，這使得在水面生產(chǎn)設(shè)施上的相分離操作復(fù)雜化。