王 雷

中國石油川慶鉆探工程有限公司試修公司

0 引言

試油作業(yè)期間，通過分離器進行油、氣、水產(chǎn)量計量時，安全環(huán)保方面存在兩個急待解決的問題［1］：

（1）分離器的液位控制一般通過浮筒、液位控制器和自動控制閥聯(lián)動，實現(xiàn)分離器高低液位報警和自動排液。儲層壓裂改造后排液初期，井筒返排液中含有大量的壓裂砂、巖屑等雜質(zhì)容易堵塞浮筒［2］，導致液位感應(yīng)裝置失靈，使得分離器無法自動排液，可能造成“冒罐”的后果，影響工程進度，甚至導致安全事故的發(fā)生。

（2）以往作業(yè)過程中，通過液位計玻璃看窗或者磁翻板液位計直接觀察分離器內(nèi)液面高度。人工液位監(jiān)測不及時，可能導致排液不及時，容易引起因分離器液位控制不當造成氣路竄液或液路竄氣等后果。隨著數(shù)字化的發(fā)展，智能化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用也越來越多，需要改變分離器液位人工監(jiān)測方式，以大大提高工作人員的工作效率，保障生產(chǎn)安全［3］。因此，研究一種智能化液位監(jiān)測技術(shù)具有重要的意義。

另外，隨著測試期間HSE要求的提高，“雷達探測技術(shù)”被應(yīng)用在分離器實時排液上，有效控制了試油測試期間氣路竄液或液路竄氣的風險。

1 技術(shù)原理

“雷達探測技術(shù)”的原理是：雷達探測裝置發(fā)射出電磁波，這些電磁波被分離器內(nèi)液面反射后，被雷達探測裝置接收，從而得到分離器內(nèi)液位高低信號［4］。液位信號經(jīng)過信號接口箱反饋給數(shù)據(jù)采集軟件后，通過一系列控制指令，將分離器液位信號傳遞給定位器，定位器再根據(jù)接收到的液位信號轉(zhuǎn)化成壓力信號，從而控制分離器Fisher閥開啟度。分離器液位控制信號傳輸流程見圖1所示。

圖1 分離器液位控制信號傳輸流程圖

該技術(shù)的優(yōu)點是：

（1）雷達液位計可以實時監(jiān)測到分離器液面高度，并且能在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上的液位可視模塊實時顯示高度。同時，可以實現(xiàn)液面超限設(shè)置，并提供報警輸出功能，實現(xiàn)高低液位報警。

（2）雷達液位計發(fā)射的電磁波不受環(huán)境溫度和壓力的影響，滿足分離器在-19 ～ 121℃工作溫度和15 MPa工作壓力下使用的要求。

（3）由于雷達液位探測儀是安裝在分離器罐體頂部，不受罐體沉砂堵塞通道的影響，探測到的液位高度信號通過接口箱和定位器實時傳遞給自動控制閥，控制閥根據(jù)接收到的信號自動調(diào)節(jié)閥門的開啟度，從而實現(xiàn)分離器實時自動排液，液面控制好，安全性高［5］。

2 分離器實時自動排液裝置簡介

該裝置由雷達液位計、閥門定位器、Fisher閥和遠程數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)組成。雷達液位計實時監(jiān)測分離器液面高度，并將監(jiān)測的液位信號傳遞給接口箱；定位器接收來自接口箱的電信號，并將接收到的電信號轉(zhuǎn)化成壓力信號，然后將壓力信號傳遞給自動控制閥；自動控制閥根據(jù)接收到的壓力信號，調(diào)節(jié)閥門的開啟度，從而實現(xiàn)自動排液，PLC可以實時遠程監(jiān)測液面情況，并通過預(yù)設(shè)的高低液面參數(shù)，實時控制分離器液面高度。

2. 1 雷達液位計

雷達液位計是基于時間行程原理的電磁波測距系統(tǒng)。儀表發(fā)出1 GHz的微功率電磁波信號沿著探桿組件（探桿或探桿纜繩）以光速傳播。當電磁波接觸到被測物質(zhì)表面時，因介電常數(shù)發(fā)生突變，電磁波被反射回來。發(fā)射回來的電磁波沿著探測組件傳播，并返回到儀表探頭。電磁波的發(fā)射與接收時間間隔與儀表探頭到被測介質(zhì)的距離成正比，由此計算出儀表探頭到被測介質(zhì)表面的距離。該套裝置的導波桿材質(zhì)：不銹鋼：316 L；防護等級：IP67；防爆等級：Exia IIC T6；承壓能力：15 MPa；溫度范圍：-40 ～ 150℃；信號傳輸：4 ～ 20 mA。

2. 2 閥門定位器+Fisher閥

定位器將閥桿位移信號作為輸入的反饋測量信號，以控制器輸出信號作為設(shè)定信號，進行比較，當兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機構(gòu)的輸出信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應(yīng)關(guān)系。因此，閥門定位器是以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出信號為設(shè)定信號的反饋控制系統(tǒng)。閥門定位器入口接入獨立的氣源，出口氣路則接入到Fisher閥中，當閥門定位器收到來自防爆接口箱的模擬控制信號時，通過控制出口的氣源壓力大小實現(xiàn)Fisher閥的開閉，同時Fisher閥也將開度經(jīng)行程傳感器反饋給防爆接口箱，最終實現(xiàn)整套系統(tǒng)Fisher閥的開度控制與反饋。定位器與Fisher閥的安裝示意圖如圖2所示?；緟?shù)：輸入輸出信號為4 ～ 20 mA；防護等級為IP66；行程范圍為3 ～ 130 mm；進氣壓力為0.5 ～ 0.8 MPa；防爆標識為Exia IIC T6/T4 Gb；使用環(huán)境溫度為-30 ～ 60 ℃。

圖2 定位器與Fisher閥的安裝示意圖

2. 3 遠程數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

包括接口箱、PLC控制器、數(shù)采系統(tǒng)等。通過調(diào)試數(shù)據(jù)采集軟件，預(yù)設(shè)分離器液位上下限值、液位控制手自動設(shè)置，將各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)匯總到控制平臺上顯示出來。由PLC自動控制程序完成分析、整理和判斷，并調(diào)控整個系統(tǒng)的運行。

3 應(yīng)用效果

雷達探測技術(shù)改變了分離器現(xiàn)有排液模式，該裝置已在威遠頁巖氣區(qū)塊應(yīng)用4個作業(yè)平臺，從應(yīng)用效果來看，主要有以下幾個方面：

從4個作業(yè)平臺14個不同時間點（見表1），對比分離器玻璃看窗實測液位高度，雷達液位計與玻璃看窗實測液位高度差值最大2.7 cm，差值最小-1 cm，平均誤差0.8 cm，雷達液位計液面探測值穩(wěn)定可靠［6］。

表1 雷達液位計顯示高度與實測液位高度統(tǒng)計表

整個控制系統(tǒng)液面控制靈敏，當系統(tǒng)設(shè)置控制上下限分別為0.2 ～ 1.05 m時，控制范圍為0.85 m，F(xiàn)isher閥開度維持在15% ～ 16%之間，液位穩(wěn)定在0.3 m左右；當系統(tǒng)設(shè)置控制上下限分別為0.2 ～ 0.3 m時，控制范圍0.1 m，F(xiàn)isher閥門開度維持在1% ～ 25%之間，液位穩(wěn)定于0.19 ～ 0.22 m。

該套裝置在油氣井測試作業(yè)中，實現(xiàn)分離器液位遠程實時監(jiān)測、高低液位報警和實時自動排液的功能［7-8］。

另外，在分離器液位自動控制現(xiàn)場試驗階段，液位控制上下限范圍較?。?.2 ～ 0.3 m），液位始終保持在0.2 m左右波動且很穩(wěn)定，F(xiàn)isher開關(guān)非常頻繁，且閥門開度也存在較大波動，波動隨著時間的推移而逐漸減小。多口井的試驗結(jié)果表明：雷達液位計與Fisher閥的結(jié)合，能夠自動將分離器內(nèi)液位控制在穩(wěn)定的范圍［9］。

4 結(jié)論及建議

（1）采用雷達液位計，改變了分離器液位的人工監(jiān)測方式，解決了傳統(tǒng)的玻璃看窗和磁浮子液位計容易吸附黏稠物或雜質(zhì)導致液位看不清楚，或者液位計橫管堵塞后不能真實反映分離器內(nèi)液位的難題，實現(xiàn)了分離器液位遠程實時精確監(jiān)測、高低液位報警。

（2）通過雷達液位探測儀和分離器Fisher控制閥的有機結(jié)合、無縫銜接，實現(xiàn)了分離器實時自動排液。該技術(shù)是信息化和機械化的有機結(jié)合，通過遠程監(jiān)控和自動控制，解決了分離器排液智能化的問題，提高了排液效率。

（3）分離器液位自動監(jiān)控技術(shù)在頁巖氣平臺的成功應(yīng)用，解決了頁巖氣分離器液位監(jiān)控依靠人工、效率低下、不準確以及分離器排液的生產(chǎn)難題，保障了生產(chǎn)安全，建議加大該技術(shù)的推廣應(yīng)用的力度。