川西北含硫气井分离器液位控制方式优化及仪表选型研究

齐梓荣 任秋月 肖毅 谭尧睿 严飞 刘琪

西南油气田公司川西北气矿 四川 江油 621700

近年来，随着油气生产快速发展及数字化气田建设的推进，自控系统开始在天然气采气单井推广应用，实现生产数据的采集、生产过程控制和安全联锁控制。气田水分离器是实现气、液分离的重要设备，安全生产对分离器液位控制功能可靠性、针对性和适应性要求越来越高，保证分离器液位检测准确、液位控制稳定可靠，是实现安全生产的重要保障。

1 川西北含硫气井分离器液位控制存在的主要问题

川西北各采气单井均为高压含硫井，气井生产时分离出的含硫气田水介质成分复杂，含有颗粒物和泡沫，在底部沉积有呈絮状且十分黏稠的组分复杂的泥状物质，常附着在液位检测仪表管路内壁，造成管路堵塞、卡阻，使液位测量值严重失真；排污时气田水介质通过调节阀阀芯，对阀芯造成损伤，使调节阀出现内漏。调节阀开关十分频繁，开关幅度大，造成阀芯、连接丝杆及铜套、连杆、盘根等磨损严重，出现调节阀内漏、阀杆连接件卡阻、卡死不动作等故障，使分离器液位自动控制功能失效，存在很高的安全风险。

目前分离器液位检测仪表选型、调节阀选型以及液位控制方式等与工艺生产存在一定不适应性，因此，以高压含硫气井分离器液位控制为研究对象，针对性开展典型高压含硫单井分离器液位检测仪表、液位调节阀和液位控制方式适应性分析。

2 分离器液位检测仪表适应性分析与优选

结合生产实际，根据各类型液位检测仪表在高压含硫采气单井分离器液位检测现场应用情况，开展液位检测仪表适应性分析，识别风险，研究优选措施，降低系统风险，从而提高分离器液位控制的可靠性。

2.1 分离器液位检测仪表适应性分析

采气单井分离器液位检测仪表主要有磁翻板液位计、双法兰差压液位和雷达液位计。如图1所示，磁翻板液位计用于就地显示，双法兰差压液位变送器与气动切断阀配套，信号进入安全仪表系统（SIS）系统，用于安全联锁。雷达液位变送器与电动调节阀配套，信号进入远程终端控制系统（RTU）系统，用于液位调节。

图1 分离器液位检测仪表与执行机构

存在的问题：作业区各采气单井均为高压含硫井，气井生产时分离出的含硫气田水介质成分复杂，在底部沉积有呈絮状且十分黏稠的组分复杂的泥状物质，常附着在液位测量仪表管路内壁，造成测量仪表管路堵塞、浮筒卡阻，使液位测量值严重失真，分离器排污系统无法正常运行。

用于液位调节的雷达液位变送器与磁翻板液位计的连通管较小，常被沉积在分离器底部的泥状物质堵塞，且冬季易形成冻堵，严重影响分离器液位调节。

2.2 分离器液位检测仪表优选

采气场站应用的分离器液位检测仪表主要有磁翻板液位计、磁致伸缩液位变送器、雷达变送器、双法兰差压式液位变送器等，其测量原理各不相同，应用效果各有优缺点。

结合近几年实际使用情况对比分析，对于采气单井介质具有腐蚀性、含有结晶颗粒以及粘度大、冬季易冻堵的特性，双法兰差压式液位变送器在耐脏污、耐低温方面存在显著优势，且其同时具有测量准确度高、稳定可靠、故障率低的优点。推荐分离器液位检测首选双法兰差压式液位变送器，用于自控系统液位调节和联锁切断。其次选择磁致伸缩液位计，具有结构简单，精度高，安装方便，不直接与介质接触的特点，但因其必须与磁翻板液位计配套使用，磁浮子易被脏污介质附着在表面造成卡阻，冬季易形成冻堵，因此要加电伴热和定期清洗。选择磁翻板液位计用于就地显示。

3 分离器液位调节阀适应性分析与优选

结合生产实际，根据各类型液位调节阀在高压含硫采气单井分离器液位调节现场应用情况，开展液位调节阀适应性分析，识别风险，研究优选措施，降低系统风险，从而提高分离器液位控制的可靠性。

3.1 分离器液位调节阀适应性分析

广元采气作业区各采气单井均为高压含硫井，气井生产时分离出的含硫气田水介质成分复杂，调节阀运行压力高，前后压差大。排污时气田水介质通过调节阀阀芯，对阀芯造成损伤，使调节阀出现内漏。调节阀开关十分频繁，开关幅度大，造成阀芯、连接丝杆及铜套、连杆、盘根等磨损严重，出现调节阀内漏、阀杆连接件卡阻、卡死不动作等故障，使分离器液位自动控制功能失效，存在很高的安全风险。

广元作业区各采气单井主要使用的有多级串式调节阀、高压笼式单座调节阀、多级降压低噪音调节阀。

在使用中存在下列问题：①阀芯、阀套卡堵；②阀芯、阀座容易损坏；③阀芯内漏无法严密截断。④抗脏污能力差。⑤运行不稳定有振动和噪音。

3.2 分离器液位调节阀优选

通过对比分析，结合近几年实际使用情况，多级串式调节阀能有效解决介质对阀芯冲刷造成的振动及噪音等问题；有效解决气蚀和闪蒸对阀芯的损坏；能容纳一定粒度的杂质通过，抗脏污力强。因此，川西北高压含硫气井分离器液位调节首选多级串式调节阀。

4 分离器液位调节阀控制方式适应性分析与优选

广元采气作业区各采气单井分离器液位调节阀全部采用两位式控制方式，各采气单井产水情况各不相同。有的产水多，有的产水少，有的产水连续均匀，有的间歇产水且波动大。两位式控制方式不能适应各种产水情况下的采气单井分离器液位调节阀控制，有必要进行分离器液位控制方式适应性分析与优选。

4.1 分离器液位调节阀控制方案适应性分析

广元作业区各采气单井分离器液位调节阀全部采用两位式控制方式，设定开阀液位和关阀液位，液位上升到开阀液位时调节阀打开，液位下降到关阀液位时关闭。

存在的问题：两位式控制方式分离器调节阀开关十分频繁，造成连接丝杆及铜套、连杆、盘根等磨损严重，出现调节阀卡阻、泄漏等故障，使分离器液位自动控制功能失效。

最根本的原因是采用两位式控制方式时，调节阀开关十分频繁，开关幅度大，使阀芯、连接丝杆及铜套、连杆、盘根等磨损严重。如何保证将液位波动控制在工艺允许的范围内，同时又能有效降低阀门的动作频率，是优化方案亟待解决的问题。

4.2 分离器液位调节阀控制方式优选

目前分离器液位调节阀控制方式主要有PID调节方式、两位式调节方式和多段式调节方式三种。

为验证三种分离液液位控制方式在不同类型产水井的应用效果，在川西北广元作业区选择3口产水特征典型的高压含硫单井，对分离器液位控制方式进行试验。

A井，产水连续均匀，产水量中等，每天约9方。取4小时内的阀位开度趋势对比，多段式阀开度保持恒定，开关频率极少，波动幅度极小；PID式开关非常频繁，波动幅度较小；两位式开关频繁，波动幅度大。

B井，产水连续但不均匀，产水量少，每天约5方。取4小时内的阀位开度趋势对比，多段式开关频率少，波动幅度小；PID式开关非常频繁，波动幅度较大；两位式开关频率较少，波动幅度大。

C井，间歇性、不均匀产水，产水量较多，每天约34方。取4小时内的阀位开度趋势对比，多段式开关较频繁，波动幅度大多数时间较小；PID式开关频繁，波动幅度较大；两位式开关频繁，波动幅度大。

通过对比分析，对于连续、均匀产水井，多段式控制方式调节阀一直保持开度恒定，调节阀几乎不动作，可最大限度减少阀芯和连接件损坏；对于间歇性、不均匀产水井，多段式控制方式调节阀开关次数最少，开关波动幅度最小。PID控制方式开关较频繁，波动幅度适中；两位式控制方式开关较频繁，波动幅度最大。

根据上述分析，分离器液位控制方式的选择可总结出以下结论：

两位式调节适合于产水量少的采气单井。液位在一个较大的范围内呈周期性动态变化，调节阀也周期性地开关动作。气井产水量较多时，无论产水是否连续均匀，调节阀开关都非常频繁；气井产水量少时，无论产水是否连续均匀，调节阀开关频率都较少。

PID式控制方式适合产水量多，产水连续，波动较小的采气单井，可以根据产水量多少及波动情况设置P、I值，调整调节阀动作频率和动作幅度。

多段式控制方式适用于产水量较大，产水连续均匀的采气单井。将要控制的液位区间细分成多个小区间，每一个小区间对应一个阀位开度。一般液位越高，开度越大，液位越低，开度越小。总能找到某个阀位开度时，使分离器进入和排出的水量达到动态平衡，此时阀位开度和液位保持不变。

5 应用效果

川西北双鱼石区块均为典型高压含硫井，各采气单井产水情况各不相同，分离器液位控制相对复杂。研究结果中液位检测仪表选型、液位调节阀选型、液位控制方式优选的推荐做法，已经应用于双鱼石片区自动控制系统，增强了液位检测仪表、液位调节阀的适应性，完善了双鱼石片区分离器液位控制功能，减少调节阀动作频率50%～80%，降低了调节阀故障率，取得了较好的应用效果。

6 结束语

从分离器液位检测仪表、分离器调节阀及液位控制方式三个方面开展了分离器液位控制效果分析，总结出一套适合高压含硫气井分离器液位控制推荐做法。并且在双鱼石片区采气单井应用后取得很好的效果，降低了对调节阀的维修频率，节约了人力物力财力。这为各类分离器液位调节找到了一个新的解决思路，可推广应用到类似气水分离场合，同时可为类似装置的方案设计提供参考。