抑制和控制在多相流体流中的段塞流的方法和系统 【发明背景】
本发明涉及在多相流体流中的段塞流(slug flow)的抑制和控制。更具体地，本发明涉及抑制和控制在多相流体流中的液体段塞和气体涌动(gas surge)的方法和系统，该多相流体流通过管道或流送线系统，该管道或流送线包括一个立管部分，和一个定位在管道出口或者立管部分下游的气体/液体分离器，或段塞捕集分离器(slugcatcher)。
在石油和天然气工业中，常用的是将包括原油或冷凝物以及水和气体的多相流体从油井中通过单一的管道系统输送到一个处理设备中。例如，在海上石油生产中，原油、产生的水和伴生气一般通过一根海底管道同时输送到设置在海岸上或者在海上平台上的气体/液体分离装置中。在这样多相流体流中会有数个流动状态，包括层流、芯流(core flow)、雾流和段塞流。在这些流动状态中，段塞流一般情况下是需要避免的，因为它包括分段交替出现的液体(术语叫做段塞)和气体涌动。在某些特定的流动条件下，很容易发生液体段塞的增长，这将导致严重腾涌(slugging)，因此在流送线系统的出口就会交替出现断流(没有流动)、巨大的液体段塞和强烈的气体涌动地流型。巨大的液体段塞也可以由于操作的变化而产生，例如在管道启动的时候流体产出的增加这种操作的变化。将这样的液体段塞和气体涌动的交替流型提供给气体/液体分离器就会大大降低分离器的效率，因为气体/液体分离器必须在合适的压力波动范围内工作，而且其应当给气体流出管道中传送可接受的少量的液体，给液体流出管道传送可接受的少量的气体。
用来防止在管道系统中同时传送液体和气体的时候在管道中产生段塞的方法已经被1979年11月12日出版的《Oil & Gas》杂志所公开。在这种公知的方法中，在立管的顶部设有一个阀门，该阀门手动控制或者自动控制这样来使得在立管上游的管道压力最小，并使得在立管中的压差波动最小。还使用发射机传递压力信号来控制阀门，发射机安装在管道系统的海底部分。这种公知的方法建立在假设剧烈腾涌只发生在从流动方向看具有向下倾斜部分的管道中，并且假设能通过调节随流体压力变化而变化的体积流体通量来阻止段塞的增长。
JP-A-63-274408公开了一种分离器控制装置，它通过加分离器入口处的超声波多相流量计和分离器内的压力计的输出值来调节在气体液体分离器的气体出口内的阀门以在分离器中施加恒定的压力。
EP-B-410522公开了一种方法来阻止从流送线进入气体/液体分离器的多相流体流中的段塞的增长，其中流速控制装置用来操纵流体流速。
这种公知的方法包括测量在分离器液体出口中的液体流速和气体出口中的气体流速，确定解释为液体流速和气体流速之和的流体通量，并操纵流体流速控制装置来减少流体通量的变化。这种方法和被JP-A-63-274408所公开的方法的缺点是在多相流体流中的液体和气体流速的总和的测量很困难而且需要复杂的测量设备。
美国专利5,256,171；5,377,714；5,494,067；5,544,672和5,711,338公开了段塞抑制方法，其中在气体-液体分离容器中的液面尽可能保持不变。这些方法的一个缺点是上述液面并不总是最佳的控制参数，偶尔例如在开始阶段，还需要手动控制或者干预。
权利要求1前序部分的方法从EP-B-767699中是已知的。
这种公知的方法包括下列步骤：
--测量从分离器中的液面、分离器液体出口的液体流速、分离器气体出口的气体流速、液体出口的液体流速和气体出口的气体流速之和以及分离器处或附近的流体压力这些参数值中选择的至少一个控制变量；
--动态调整在液体和气体出口的液体和气体流量控制阀来减少在一个或多个所选择的控制变量和所选择的控制变量参考值之间的差异。
在野外试验中使用EP-B-767699所述方法表明这种公知的方法可以大大抑制在多相流体流中的段塞流，但是由于液体段塞的成因来源，一些段塞会被抑制到比其他段塞更有限的程度。
本发明所述的方法和系统就是要提供一种段塞抑制和控制方法，能比所公知的方法更有效的控制段塞流，并且不需要人工干预就能自动工作。发明简述
在本发明所述的方法和系统中如果一个或更多控制变量达到预定值，用于调整液体和/或气体流量控制阀的控制变量是不时的自动变化的。
最好在段塞抑制系统的正常操作过程中，控制变量是在液体出口的液体流速和在气体出口的气体流速之和(QL+QG)，如果在分离器中的液面LLIQ或者在液体出口的液体流速(QL)达到预定值，控制变量被变为在液体出口处的液体流速(QL)，其中当分离器中的液面(LLIQ)或在液体出口的液体流速(QL)低于预定值时候，控制变量被变回为液体出口的液体流速和在气体出口的气体流速之和(QL+QG)。
本发明所述的方法和系统在没有人工干预的情况下可以自动抑制和控制在多相流体流中的液体段塞和气体涌动。典型的是在启动过程中，液体阀门被关闭而气体阀门被开启，使得在分离器入口及其附近的流体压力保持相当恒定。当分离器中的液面达到预定水平的时候，液体阀门被自动打开，并且被动态地调整以将液面保持在上述预定值上，而气体阀门被动态地调整以便混合流速被保持相当地恒定。这个混合的恒定的液面/恒定的混合流速控制模式保持在默认控制模式(default control mode)直到在分离器中的液面和/或在液体出口的液体流达量到预设阈值，于是系统被自动调整以使气体阀门暂时被基本上关闭而液体阀门被动态地调整致使在液体出口中的液体流速保持相当地恒定。
一旦在分离器中的液面和/或在液体出口的液体流速再次低于预定的阈值，系统就自动切换回到默认的混合的恒定的液面/恒定的混合流速控制模式。
上述气体/液体分离器可以有处理流体流的足够的容量，其中上述分离器可以是系统中唯一的分离器。或者，该分离器可以是小型分离器，定位在段塞捕集分离器(slug catching separator)的上游。然后小型分离器构成初步分离器，其中的液体出口和气体出口通到段塞捕集分离器，段塞捕集分离器构成第二分离器。优选实施例描述
下面将参照附图详细介绍本发明的优选实施例，其中：
图1是实现本发明所述方法的流送线系统的示意图；
图2示意地表示了系统在默认模式下如何工作；
图3示意地表示了系统在液体连续流动而没有气体流动模式下如何工作。
图1中的流送线系统包括一个石油和/或气体生产管道1，管道1在海床3上伸展，从石油和/或天然气生产井的井口(未示出)伸到海上平台5，一个向上的倾斜管道部分以立管7的形式连接到平台5上，一个气体/液体分离器9具有一个液体流出管道13和一个气体流出管道14。液体流出管道13带有一个液体流量控制阀15，气体流出管道14带有一个气体流量控制阀16。阀门15、16可以是任何适当类型的阀门，例如1987年8月《Oil man》第82-85页中的涡流放大器(vortex amplifier)。一个气体流量计17设置在气体流出管道14中，一个液体流量计19设置在液体流出管道13中。分离器9还带有一个液体液面计25和一个压力计27。一个控制系统30用来接收气体流量计17、液体流量计19、液面计25和压力计27的信号，控制系统30依靠其接收的信号来控制阀门15、16。液体流出管道13和气体流出管道都与定位在分离器9下游的段塞捕集(slug-catching)分离器(未示出)的内部流体连通。段塞捕集分离器的尺寸应该远远大于分离器9的尺寸。
在系统启动的时候，液体阀门15被关闭，直到分离器9中的液面LLIQ达到选定的水平，同时气体阀门16被动态调整，这样使压力计27测量到的压力被保持在一个所选定的数值。
一旦分离器9中的液面LLIQ达到所选定的水平，系统就自动切换到默认的总体积流量控制模式(the default total volumetric flowcontrol mode)，如图2所示。
在如图2所示的总体积流量控制模式下，控制液体阀15来使液面LLIQ保持在设定点。此外，控制气体阀16来使总体积流量QLIQ+QGAS保持在设定点。实际流速QLIQ和QGAS可以由在液体和气体出口14和13中的气体和液体流量计17、19来测量。流量计17和19输出值的和是要被控制的变量。总体积流量控制器30B的设定点是由压力控制器30A结合算法式所决定的，算法式取决于管道系统1、7。
对于段塞来说，图1表示的总体积流量控制图解方案并不能随意发挥作用，因为液面控制器30C不会受到总体积流量的限定。它将完全打开液体阀15，使得液面保持在设定点上。因此，图3表示的运行的液体流量控制模式在下列情况下打开：(i)分离器9中液面LLIQ达到阈值或者(ii)在液体出口13中的液体流速QL达到阈值。液体流速QL的阈值可能取决于外部因素，例如液面或第一级分离器中的液体排放能力。这个阈值也可以被用作流量控制器30C的设定点。总体积流量的设定点在液体流量控制期间保持不变。
液体流量控制防止了段塞加速。当在小型分离器9中的液面降低并且液体流速小于阈值的时候，图2中的总体积控制模式被再次打开。在总体积控制模式下，可以产生没有任何气体涌动的压缩气相(在段塞之后)。