川西北含硫氣井分離器液位控制方式優化及儀表選型研究

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，隨著油氣生產快速發展及數字化氣田建設的推進，自控系統開始在天然氣采氣單井推廣應用，實現生產數據的采集、生產過程控制和安全聯鎖控制。氣田水分離器是實現氣、液分離的重要設備，安全生產對分離器液位控制功能可靠性、針對性和適應性要求越來越高，保證分離器液位檢測準確、液位控制穩定可靠，是實現安全生產的重要保障。

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，氣井生產時分離出的含硫氣田水介質成分復雜，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，常附著在液位檢測儀表管路內壁，造成管路堵塞、卡阻，使液位測量值嚴重失真；排污時氣田水介質通過調節閥閥芯，對閥芯造成損傷，使調節閥出現內漏。調節閥開關十分頻繁，開關幅度大，造成閥芯、連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現調節閥內漏、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、調節閥選型以及液位控制方式等與工藝生產存在一定不適應性，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、液位調節閥和液位控制方式適應性分析。

2 分離器液位檢測儀表適應性分析與優選

結合生產實際，根據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場應用情況，開展液位檢測儀表適應性分析，識別風險，研究優選措施，降低系統風險，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（SIS）系統，用于安全聯鎖。雷達液位變送器與電動調節閥配套，信號進入遠程終端控制系統（RTU）系統，用于液位調節。

圖1 分離器液位檢測儀表與執行機構

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

用于液位調節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堵塞，且冬季易形成凍堵，嚴重影響分離器液位調節。

2.2 分離器液位檢測儀表優選

采氣場站應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，應用效果各有優缺點。

結合近幾年實際使用情況對比分析，對于采氣單井介質具有腐蝕性、含有結晶顆粒以及粘度大、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勢，且其同時具有測量準確度高、穩定可靠、故障率低的優點。推薦分離器液位檢測首選雙法蘭差壓式液位變送器，用于自控系統液位調節和聯鎖切斷。其次選擇磁致伸縮液位計，具有結構簡單，精度高，安裝方便，不直接與介質接觸的特點，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 分離器液位調節閥適應性分析與優選

結合生產實際，根據各類型液位調節閥在高壓含硫采氣單井分離器液位調節現場應用情況，開展液位調節閥適應性分析，識別風險，研究優選措施，降低系統風險，從而提高分離器液位控制的可靠性。

3.1 分離器液位調節閥適應性分析

廣元采氣作業區各采氣單井均為高壓含硫井，氣井生產時分離出的含硫氣田水介質成分復雜，調節閥運行壓力高，前后壓差大。排污時氣田水介質通過調節閥閥芯，對閥芯造成損傷，使調節閥出現內漏。調節閥開關十分頻繁，開關幅度大，造成閥芯、連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現調節閥內漏、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。

廣元作業區各采氣單井主要使用的有多級串式調節閥、高壓籠式單座調節閥、多級降壓低噪音調節閥。

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閥芯內漏無法嚴密截斷。④抗臟污能力差。⑤運行不穩定有振動和噪音。

3.2 分離器液位調節閥優選

通過對比分析，結合近幾年實際使用情況，多級串式調節閥能有效解決介質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通過，抗臟污力強。因此，川西北高壓含硫氣井分離器液位調節首選多級串式調節閥。

4 分離器液位調節閥控制方式適應性分析與優選

廣元采氣作業區各采氣單井分離器液位調節閥全部采用兩位式控制方式，各采氣單井產水情況各不相同。有的產水多，有的產水少，有的產水連續均勻，有的間歇產水且波動大。兩位式控制方式不能適應各種產水情況下的采氣單井分離器液位調節閥控制，有必要進行分離器液位控制方式適應性分析與優選。

4.1 分離器液位調節閥控制方案適應性分析

廣元作業區各采氣單井分離器液位調節閥全部采用兩位式控制方式，設定開閥液位和關閥液位，液位上升到開閥液位時調節閥打開，液位下降到關閥液位時關閉。

存在的問題：兩位式控制方式分離器調節閥開關十分頻繁，造成連接絲桿及銅套、連桿、盤根等磨損嚴重，出現調節閥卡阻、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，調節閥開關十分頻繁，開關幅度大，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，同時又能有效降低閥門的動作頻率，是優化方案亟待解決的問題。

4.2 分離器液位調節閥控制方式優選

目前分離器液位調節閥控制方式主要有PID調節方式、兩位式調節方式和多段式調節方式三種。

為驗證三種分離液液位控制方式在不同類型產水井的應用效果，在川西北廣元作業區選擇3口產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，產水連續均勻，產水量中等，每天約9方。取4小時內的閥位開度趨勢對比，多段式閥開度保持恒定，開關頻率極少，波動幅度極小；PID式開關非常頻繁，波動幅度較小；兩位式開關頻繁，波動幅度大。

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

C井，間歇性、不均勻產水，產水量較多，每天約34方。取4小時內的閥位開度趨勢對比，多段式開關較頻繁，波動幅度大多數時間較小；PID式開關頻繁，波動幅度較大；兩位式開關頻繁，波動幅度大。

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

根據上述分析，分離器液位控制方式的選擇可總結出以下結論：

兩位式調節適合于產水量少的采氣單井。液位在一個較大的范圍內呈周期性動態變化，調節閥也周期性地開關動作。氣井產水量較多時，無論產水是否連續均勻，調節閥開關都非常頻繁；氣井產水量少時，無論產水是否連續均勻，調節閥開關頻率都較少。

PID式控制方式適合產水量多，產水連續，波動較小的采氣單井，可以根據產水量多少及波動情況設置P、I值，調整調節閥動作頻率和動作幅度。

多段式控制方式適用于產水量較大，產水連續均勻的采氣單井。將要控制的液位區間細分成多個小區間，每一個小區間對應一個閥位開度。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平衡，此時閥位開度和液位保持不變。

5 應用效果

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

6 結束語

從分離器液位檢測儀表、分離器調節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。并且在雙魚石片區采氣單井應用后取得很好的效果，降低了對調節閥的維修頻率，節約了人力物力財力。這為各類分離器液位調節找到了一個新的解決思路，可推廣應用到類似氣水分離場合，同時可為類似裝置的方案設計提供參考。