流动管路或钻井管路中废料浆的预测及处理系统和方法

专利名称：流动管路或钻井管路中废料浆的预测及处理系统和方法
技术领域：
本发明涉及输运于多相流动管路中的流体力学和岩层诱导废料浆的预测及处理系统和方法。
按本发明提出的方法和系统适用于如流动管路系统或钻井管路的任何生产系统，用于向下游工序输运多相流体，工序入口处包括分离器(二或三相)或废料浆捕集器，在其中既进行压力又进行液体水平(若干水平)的调节。多相流体一般由油(或冷凝物)、气体和水的混合物构成。
能履行本发明的典型生产系统包括从平台井中的多相输运、从海底井向海底分离器的多相输运、从海底生产单元向包括上升装置的海上平台的多相输运、海上平台之间的多相输运、从海底生产系统向岸上加工设施或岸上加工设施之间的多相输运。
根据流体性质、流动管路特征和不同流体相的表面速度，多相生产系统可能产生所谓的废浆料流动，在生产系统的出口经受脉动质量流和压力。此外，如果这些废浆料比下游设备的设计大，脉动可能传播进入工序，并达到对操作员支持不住的水平。结果，作为避免工序断开的预警，存在无数实例，其中多相生产管路由于进入的废浆料而阻塞。
废浆料通常起始于两种方法，它们是根本不相同的。岩层诱导废料浆是在各独立流体相之间的速度差、也即分界表面摩擦太小，以致最轻的流体(一些流体)不能在向上倾斜时抵消重力对较重流体(一些流体)的作用，由重力作用产生的。流体力学废料浆(在流动状态包络线内，根据管道角度和给定流体的表面流体速度的不同加以识别)则由在液体表面上的波生长至足以完全充满管道的高度而形成。由于此流体力学废料浆不同流体相上、下游的速度差，液体的积聚，也即动力学废料浆能产生。
流体力学废料浆也受流动管路上升剖面的影响，因为它们的形成和生长依赖管道角度。然而要注意，区别岩层诱导和流体力学废料浆的最明显的方法是，流体力学废料浆可形成于100％水平的流动管路(有时甚至在向下倾斜中)中，而岩层诱导废料浆不知为何必须上升倾斜。
按照定义，成浆是一种瞬间现象，稳态条件在成浆的流动管路系统中很难获得。在这样一种系统中，碳氢液体(或者是水或碳氢化合物/水的混合物)沿生产系统积聚，废料浆将在某一时刻到达流动管路出口。在这些废料浆之间将有小量液体流出系统的周期，而工序将或多或少接受单一的气相，也称为气态废料浆。
为克服由于成浆(岩层诱导或流体力学的)引起的工序扰动，传统上有三种方法应用于多相输运系统中＞在下游工序的极限内，通过对入口节流阀进行节流或在设计阶段选择较小的流动管路直径，以减少流量，从而减少废料浆体积；＞在改变流量时，延长起动时间或向上斜升时间；＞如果可能，增加下游工序的范围(即废料浆捕集器，或第一级分离器)。
这些“传统”方法将或者减少从所讨论流动管路系统给出的产量，或者增加下游工序的成本和范围。此外，即使考虑过的话，废料浆也可能生长得比预期的大，或可能发生于实际工序能力的不利时刻。结果，压力和流量脉动可能造成工序停止运转，这可能具有巨大的经济冲击。
由于每个气和油的生产者都想优化它们的加工工序厂的操作条件，因此已有若干尝试以寻找改进的解决方法来克服由于在上游生产系统中成浆引起的工序扰动。
US专利No.5544672描述了一种用于缓和废料浆流的系统。它探测分离器上游的进入废料浆，并进行它们各自体积的精略计算。然后将这些废料浆体积与分离器液体处理能力加以比较。如果进入废料浆的估计体积超过分离器的液态废料浆处理能力，则对位于分离器上游的节流阀加以节流。
此解决方案的优点是简单，并能既用于流体力学的，又能用于岩层诱导的废料浆，因为它位于废料浆生成位置的下游。但是，此系统必然伴有若干主要缺点·由于流量被节流下降，它对产量，从而也就是现场经济具有负面冲击。
·它没有应用下游工序的废料浆处理能力。
·它没有描述如何识别和处理气态废料浆。结果，分离器中由于进入的气态废料浆引起的压力脉动仍必须通过气体扩张加以解决。
·系统没有将水废料浆与碳氢(HC)液体废料浆分离，它可能给于三相分离器下游的工序以扰动。
·它延长系统停止运转后的起动时间，因为每次有液态废料浆存在时，产量被节流减少。
国际专利申请WO 01/34940披露了一种小型(微型)分离器，它恰好位于第一级分离器上游的上升器的顶部。根据废料浆特征的不同，废料浆或被容积流量控制器或被液体流量控制器模式所抑制。按照来自微型分离器的压力和液体水平的数据，以及其出口流的流量测量，调节通过对微型分离器下游的气体和液体出口流进行作用的两个快速作用阀门而获得。
此外，国际专利申请WO 02/46577披露了一种以样机为基础的反馈控制系统，用于稳定多相流动管路和上升器中的废料浆流。该系统由单台快速作用阀门构成，它位于输送系统的出口，也即分离器的上游。此阀门的开口由反馈控制器发出的单个输出控制信号加以调节，反馈控制器应用废料浆生成位置上游的压力连续监控作为主要输入参数。此控制系统特别适合于岩层诱导废料浆，因为任何液体积聚都通过废料浆上游的压力增加而探测到(由于横越液柱的静压)。然而，此系统对特性为流体力学废料浆不显示相同的性能，因为这些废料浆可在完全为水平的流动管路中形成，在废料浆的上游没有压力的建立。
简言之，对于后两种废料浆控制系统，位于输送系统出口的快速作用设备结合控制回路的快速响应时间被用于立即抵消促使废料浆生长的力而抑制废料浆的发展。
但是，这些解决方案也伴有若干缺点·对于废料浆缓和系统，它们没有应用下游工序中的废料浆处理能力。
·WO 02/46577中披露的控制系统不适合流体力学废料浆。而WO 01/34940披露的系统处理特性为岩层诱导的废料浆则远好于流体力学废料浆。
·它们通常对输运系统中的任何运转范围都不是自调节的，且系统要求操作员的人工输入，或在某些正常生产情况必须加以撤销。
·它们两者都要求快速作用阀门(一些阀门)结合控制回路的快速响应时间。
·它们推广于在输运系统出口包括垂直管道(即上升器或管路)的流动管路系统。
·披露于WO 01/34940的系统要求顶侧设备，这可能是昂贵的，特别在重量是一个问题的情况更是如此。
总的说来，现存系统中没有一个能将输运系统和下游工序完全一体化。因此，它们没有覆盖进入的废料浆，包括流体力学废料浆以及气态和水废料浆的整个范围。最后，它们的应用局限于狭窄的运转范围，且它们要求人工输入，或在某个时间要求撤销。
鉴于上述缺点，发明人发现需要有更有效的方法和系统来预测和处理废料浆。本发明描述了一种适用于与下游工序联动的方法和系统，其中，前述系统的缺点已被消除。其基本思想是使生产系统和下游工序完全一体化。本发明的主要优点是，它利用整个下游工序进行废料浆处理，且它适用于通常出现在多相流动管路系统中的废料浆，而与废料浆的类型或特性无关。如果它设计得当，则它还将覆盖任何运转范围。
根据本发明，此目的用上述一种方法加以实现，所述方法包括以下步骤借助废料浆探测器探测位于废料浆起始位置的下游和所述工序的上游的所述废料浆；借助接受来自所述废料浆探测器的所有信号的计算机设备确定和测量所述废料浆的所有主要特征。所述计算机设备接受来自所有测试仪器的信号，这些测试仪器为调节整个下游工序的液体链中每一分离器或废料浆捕集器的压力和液体水平所必须。所述计算机设备确定每一进入废料浆的特性，预测其到达所述分离器或废料浆捕集器的时间及相应的体积，并将其与所述工序的实际废料浆处理能力进行比较。所述计算机设备处理其所有输入数据，以便找到所述下游工序的最优调节，以致由于进入的废料浆引起的工序扰动在整个工序中被降至最小。所述工序的调节是借助节流阀调整或通过调整连接至每一分离器的压缩机或泵的速度而获得。
此外，根据本发明，此目的通过上述一种系统加以实现，此系统包括废料浆探测器1，它位于废料浆起始位置的下游和所述工序的上游，并包括用于确定和测量每一进入废料浆的主要废料浆特征的测试仪器；计算机设备，它与所述流动管路系统和所述下游工序成一体，并包括软件，软件确定废料浆的类型、其体积，及预测其至所述下游工序的到达时间。
本发明在下文将结合附图加以详细说明，其中

图1以其最简单的形式表示本发明的工序图，它覆行于海上生产系统通向岸上工序的生产中，包括在所述工序入口的垂直的两相废料浆捕集器8。还可看到，废料浆捕集器压力3通过气体出口阀门6的调节加以控制。相应地，其液体水平9通过液体出口阀门7的调节加以控制。
发明简单描述如下废料浆探测器1与工序之间的距离2已相对工序及其调节参数加以优化。当废料浆探测器1探测到液态废料浆时，计算机设备4确定其本质及计算其到达的时间和体积。根据此信息和废料浆捕集器8中的现有液体水平，计算机设备立即向液体阀门7发出信号以便在废料浆到达前开始排放废料浆捕集器8的液体。当液态废料浆最终到达废料浆捕集器时，液体水平已调节至近于低警戒位，而液体出口阀门7将近于完全打开。此外，当探测到废料浆尾部时，液体阀门7在废料浆尾部进入分离器之间开始关闭。相应地，当探测到气态废料浆时，将采取措施通过打开气体出口阀门6以减少废料浆捕集器的压力3。这样，促使废料浆生长的力将被抵消，同时，工序将注意进入的废料浆。因此，发明优化了工序的废料浆处理能力，操作员将看到工序中扰动减少，根据流体速度的确定是采用那种方案，在顶侧节流阀19的上游包括了多相测量仪或流量传感器5。
图2表示本发明的简化工序图，它覆行于包括上升器13的海上生产系统通向水平三相分离器8的生产中，但不包括分离器下游的碳氢液体链。如在图1中一样，废料浆探测器1与工序之间的距离2已相对工序及其调节参数加以优化。作为上升器部分的废料浆探测器的可替代位置10也加以指出，用于深水的发展。在此实例中可看到，分离器压力3通过调整气体压缩机速度14加以调节。此外，碳氢液体水平9通过下游泵15的速度控制加以调节。水的水平11的调节借助出口阀门12而获得。从根本上讲，系统的所述调节的实现十分相似于图1中给出的实例，但替代应用出口阀门调节压力3和液体水平9的是，计算机设备4分别向气体压缩机14和油泵15的速度控制给出输入。在此生产系统中，水废料浆加以探测，因为除较低的气体含量外，它们比油/冷凝物废料浆更稠。根据确定流体速度是应用那种方案，多相测量仪或流量传感器5包括于顶侧节流阀19的上游。
图3表示本发明的简化工序图，它覆行于海上生产系统中，此海上生产系统包括上升器13和位于工序入口的水平三相分离器8。与前两幅图相反，包括了下游液体链，除了第一分离器8之外它还包括第二分离器21。可看到计算机设备4用于调节整个碳氢液体链中的压力和液体水平，因此整个工序参加于废料浆的处理中。分离器压力3和16两者均借助气体出口6和17上的阀门加以调节。液体水平9和18借助第一分离器8的液体出口7上的阀门和第二分离器9的液体出口上的泵15加以控制。水的水平11的调节借助出口阀门12而获得。与对另外两个图一样，废料浆探测器1与工序之间的距离2已相对工序及其调节参数加以优化。
根据确定流体速度是应用那种方案，多相测量仪或流量传感器5包括于顶侧节流阀19的上游。
重要的是，计算机设备4还包括在压力或液体水平(一些水平)通过它们的警戒水平，接近它们的断开水平情况下，工序中每一分离器设备的正常的(传统的)压力和水平的调节。在这样的情况，可能必须撤销调节。
当利用本发明时，进入的废料浆(按特性是岩层诱导的或流体力学的)在初期阶段由用于确定废料浆特征的测试设备1加以探测。而例如WO 02/46577则将其控制基于废料浆生成位置上游的压力和温度的测量(为了抑制废料浆的形成，如果记录有任何压力建立的话)，对于本发明根本的是，测试设备位于废料浆形成位置的下游，因为其意图是描述废料浆的特征。确定废料浆特征的甚至最简单的方法是应用如US专利No.5544672中披露的密度测量仪，但是此测试设备可容易地扩展用于更复杂的信息。流体混合物密度的在线信息被用于确定＞液态废料浆的阵面；＞液态废料浆的尾部；＞废料浆的特性○十分高的密度给出水废料浆的指示。
○高的密度给出HC液态废料浆的指示。
○低的密度给出气态废料浆的指示。
除去密度测量仪外，根据本发明，基本测试仪表包括废料浆探测器与工序之间差动压力(dp)的记录，其出现是如有废料浆将形成于废料浆探测器下游的预警。包括更多的复杂的测试仪表将进一步优化探测器，只要生产系统仍是pigable。特别是，在线水断流的附加信息结合局部阻塞或空隙比值以及不同相的流体速度将是对计算机设备4有价值的输入，在流动管路出口的多相测量仪5亦是如此。
废料浆探测器的位置2必须使下游工序足以在废料浆到达前适当响应。因此，此位置2需对每次新的覆行过程加以优化，因为它十分依赖于实际的生产系统。相信，优化位置将在离工序入口的3公里内，这给计算机设备有足够时间对进入的废料浆有反应。一个例外应用于通向岸上设备生产的大型气体、冷凝物系统，其中废料浆捕集器的体积有时是十分显著的。还要注意的是，对于过度的深水发展，优化位置可能如图2所示在被10表示的上升器本身内的某个位置，而不必一定在海底流动管路或在上升器底部。
简言之，本废料浆探测器的基本原理十分相似于US专利No.5544672中披露的废料浆探测器。主要改进如下·为优化计算机设备性能，废料浆探测器的位置必须适应下游工序的废料浆处理能力。
·探测器必须识别碳氢液体废料浆和水废料浆。
·因此，除了密度测量仪外，废料浆探测器应包括对下述参数之一的测量气体空隙比值、局部液体阻塞或水断流。
废料浆探测器将其信号送至计算机设备4，它构成本发明的主要组成部分。它收集来自废料浆探测器的所有进入信息以及下游液体链的主要工序参数。其综合目的是计算(对每次进入的废料浆)a)进入的废料浆的估计到达时间b)废料浆体积c)废料浆的特性(即水废料浆、碳氢液体废料浆或气态废料浆)，然后优化下游工序的调节。
计算机设备最好包括在线瞬态热水力学模拟器，因而具有三种方案以确定流体速度(一些速度)，从而确定估计的废料浆到达时间。首先，它能通过人工输入而加以估计，但然后某些运转情况将要求系统撤销，从而应用传统的(即工人的)方法进行废料浆控制。第二个替代方案是应用热水力学流动模拟器来计算流体速度(一些速度)，其中在流动管路出口5处的多相测量仪将改进计算机计算的性能。最后，不同流体相的速度可根据在线超声测量加以确定，它位于废料浆探测器与工序出现之间的某个位置。
可靠的废料浆体积的预测通过积分模件而获得。根据以上确定的废料浆阵面、废料浆尾部、混合物密度、流体速度的信息以及以下之一水断流、气体空隙比值或局部阻塞，计算机设备将给出废料浆到达时间和它们相应体积的精确估计。
当所有废料浆特征已加以说明，来自计算机设备的输出信号将加以优化和调整，以便将下游HC液体链中的工序扰动降低至最小。
本发明披露的解决废料浆处理的方案与已知解决方案相比有许多优点＞由于所有进入的废料浆的主要废料浆特征在它们进入下游工序之前就已知道，因此易于采取正确措施以减少整个工序中的脉动和扰动。
＞它适应于任何类型的废料浆，而与它按特性是流体力学的或岩层诱导的无关，也不管它是液态的、水的或气态的废料浆。
＞它连接输运系统和下游工序，从而应用了整个下游工序中的全部废料浆处理能力。
＞它适用于任何多相输运生产系统，而不管它是一口井或它是一个海底、顶侧或岸上设备。
＞基本上讲，单台计算机设备就足以控制从不同来源接受进入的废料浆流的生产设施。
＞它将缩短停止运转或流量变化后的起动时间。
＞不需快速作用阀门。
＞如果设计得当，它将减少由于废料浆流引起的工序停止运转的风险。
权利要求
1.一种预测和处理所有种类废料浆的系统，这些废料浆形成于向下游工序输运多相流体的流动管路系统(20)或钻井管路中，下游工序至少包括在所述工序入口处的一个分离器或废料浆捕集器(8)，其特征在于，所述系统包括—废料浆探测器(1)，它用于探测任何正在进入的废料浆，该废料浆位于废料浆起始位置与所述工序入口之间。—计算机设备(4)，连接至所述探测器(1)和多相流量测量仪(5)或流体速度测量仪二者之一，所述流体速度测量仪位于所述流动管路系统(20)的入口节流阀(19)的上游，其中，所述设备(4)包括软件，该软件根据来自所述废料浆探测器(1)的信号，结合或来自所述测量仪(5)，或来自流体速度测量仪的信号确定所述废料浆的特性，并估计其体积和其到达所述工序的时间；—测试仪器，连接至所述计算机设备(4)，用于连续地监视所述分离器或废料浆捕集器中的压力和液体水平；—至少一个装置，连接至所述分离器或废料浆捕集器，接受所述计算机设备(4)给出的信号以调节所述分离器或废料浆捕集器中的压力和/或液体水平，从而使由于进入的废料浆引起的工序扰动在整个所述工序中被降至最小。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试仪器包括至少一个液体水平传感器(9、11、18)和/或至少一个压力传感器(3、16)，它们安装至所述分离器或废料浆捕集器上。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述装置包括至少一个阀门(6、7、12、17)和/或至少一个压缩机(14)和/或至少一个泵(15)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述废料浆探测器(1)包括在所述流动管路(20)中的测试仪器，用于测量流动压力、流体混合物密度和至少气体空隙比值或水断流或局部阻塞。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，由废料浆探测器(1)至下游工序设备的距离(2)对每次新的履行过程都相对所述工序的废料浆处理能力加以优化，而所有调节装置的参数设定由所述计算机设备(4)加以控制。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探测器(1)的最优位置可或在所述流动管路(20)中的所述工序上游的某个距离(2)上，或在上升器(13)内。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算机设备(4)包括三种确定流体速度的方案；通过人工输入，通过应用固定的流体速度测量仪的在线记录，或通过包括一个在线瞬态模拟器结合在流动管路出口的多相测量仪(5)。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算机设备(4)根据到达的废料浆的信息，通过压力和液体水平调节装置的调整，将所述流动管路系统(20)和所述下游工序加以一体化。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算机设备(4)包括对消功能，它们对消或抑制下游工序的废料浆控制调节，如果分离器的断开水平接近的话。
10.一种预测和处理所有种类废料浆的方法，这些废料浆形成于向下游工序输运多相流体的流动管路系统(20)或钻井管路中，下游工序至少包括在所述工序入口处的一个分离器或废料浆捕集器(8)，其特征在于，所述方法包括以下步骤所述废料浆在所述流动管路(20)中的废料浆起始位置与所述工序入口之间，借助废料浆探测器(1)加以探测；所述废料浆的特性借助连续接收来自所述废料浆探测器(1)的信号的计算机设备(4)，并结合位于所述工序中入口节流阀(19)的上游的或流体速度测量仪或多相流量测量仪(5)加以确定；所述废料浆的体积及其到达所述工序的时间由所述计算机设备(4)加以估计；所述分离器或废料浆捕集器中的压力和液体水平由所述计算机设备(4)借助安装至所述分离器或废料浆捕集器上的测试仪器(3、9、11、16、18)加以监视；所述计算机设备(4)至少向连接至所述分离器或废料浆捕集器的一个装置(6、7、12、14、15、17)给出信号，以调节所述分离器或废料浆捕集器中的压力和/或液体水平，以致由于进入的废料浆引起的工序扰动在整个所述工序中被降至最小。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述废料浆探测器连续记录流动压力、流体混合物密度和至少气体空隙比值或水断流或局部阻塞。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压力和/或液体水平借助连接至所述分离器或废料浆捕集器的至少一个阀门(6、7、12、17)和/或至少一个压缩机(14)和/或至少一个泵(15)加以调节。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述压力调节通过调整至少一个气体出口阀门(6、17)的节流开口，或通过调整下游压缩机(14)的速度而获得。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述流体水平的调节通过调整至少一个液体出口阀门(7、12)的节流开口，或通过调整下游泵(15)的速度而获得。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述流动管路中的流量借助所述入口节流阀(19)加以调整。
全文摘要
本发明涉及预测和处理所有种类废料浆的系统和方法，这些废料浆形成于向下游工序输运多相流体的流动管路(20)系统或钻井管路中，下游工序在所述工序入口处包括分离器或废料浆捕集器。所述系统包括废料浆探测器(1)，它位于废料浆起始位置的下游和所述工序的上游，以及计算机设备(4)，它将所述流动管路系统和所述下游工序加以一体化，且包括软件，该软件确定废料浆的类型、其体积，并预测其进入所述下游工序的到达时间。所述计算机设备处理其所有输入的数据，以获得所述工序的最优调节，以致由于进入的废料浆所引起的工序扰动在整个所述工序中被降至最小。
文档编号E21B41/00GK1732326SQ200380107410
公开日2006年2月8日 申请日期2003年12月17日 优先权日2002年12月23日
发明者A·奥尔维克, E·H·乌弗 申请人:诺尔斯海德公司