雷達液位計在分離器實(shí)時(shí)排液上的應用

上海自動(dòng)化儀表頁(yè)巖氣藏在儲層壓裂改造后的測試和試采階段，從井筒返排出的流體中往往含有大量的壓裂砂、巖屑等雜質(zhì)，這些流體經(jīng)分離器分離的過(guò)程中，容易堵塞分離器液位控制裝置，使得浮筒液位感應失真，導致分離器自動(dòng)排液功能失效。在這種情況下普遍采用人工不定期檢查、手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)的方式排液。本研究利用雷達電磁波探測物質(zhì)表面距離的功能，通過(guò)將雷達液位計的探測電信號轉換成分離器控制閥的壓力控制信號，實(shí)現雷達液位計與分離器控制閥聯(lián)動(dòng)，解決分離器液位的實(shí)時(shí)監測和自動(dòng)排液的問(wèn)題。該技術(shù)是信息化和機械化的有機結合，通過(guò)遠程監控和自動(dòng)控制，解決了分離器排液智能化的問(wèn)題，提高了工作效率，保障了生產(chǎn)安全。

試油作業(yè)期間，通過(guò)分離器進(jìn)行油、氣、水產(chǎn)量計量時(shí)，安全環(huán)保方面存在兩個(gè)急待解決的問(wèn)題［1］：（1）分離器的液位控制一般通過(guò)浮筒、液位控制器和自動(dòng)控制閥聯(lián)動(dòng)，實(shí)現分離器高低液位報警和自動(dòng)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］，導致液位感應裝置失靈，使得分離器無(wú)法自動(dòng)排液，可能造成“冒罐”的后果，影響工程進(jìn)度，甚至導致安全事故的發(fā)生。

（2）以往作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)液位計玻璃看窗或者直接觀(guān)察分離器內液面高度。人工液位監測不及時(shí)，可能導致排液不及時(shí)，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(zhù)數字化的發(fā)展，智能化監測技術(shù)應用也越來(lái)越多，需要改變分離器液位人工監測方式，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測技術(shù)具有重要的意義。

另外，隨著(zhù)測試期間HSE要求的提高，“雷達探測技術(shù)”被應用在分離器實(shí)時(shí)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(fēng)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液面反射后，被雷達探測裝置接收，從而得到分離器內液位高低信號［4］。液位信號經(jīng)過(guò)信號接口箱反饋給數據采集軟件后，通過(guò)一系列控制指令，將分離器液位信號傳遞給定位器，定位器再根據接收到的液位信號轉化成壓力信號，從而控制分離器閥開(kāi)啟度。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）雷達液位計可以實(shí)時(shí)監測到分離器液面高度，并且能在數據采集系統上的液位可視模塊實(shí)時(shí)顯示高度。同時(shí)，可以實(shí)現液面超限設置，并提供報警輸出功能，實(shí)現高低液位報警。

（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(mǎn)足分離器在-19~121℃工作溫度和15MPa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(guò)接口箱和定位器實(shí)時(shí)傳遞給自動(dòng)控制閥，控制閥根據接收到的信號自動(dòng)調節閥門(mén)的開(kāi)啟度，從而實(shí)現分離器實(shí)時(shí)自動(dòng)排液，液面控制好，安全性高［5］。

2、分離器實(shí)時(shí)自動(dòng)排液裝置簡(jiǎn)介

該裝置由雷達液位計、閥門(mén)定位器、閥和遠程數據采集及控制系統組成。三暢雷達液位計實(shí)時(shí)監測分離器液面高度，并將監測的液位信號傳遞給接口箱；定位器接收來(lái)自接口箱的電信號，并將接收到的電信號轉化成壓力信號，然后將壓力信號傳遞給自動(dòng)控制閥；自動(dòng)控制閥根據接收到的壓力信號，調節閥門(mén)的開(kāi)啟度，從而實(shí)現自動(dòng)排液，PLC可以實(shí)時(shí)遠程監測液面情況，并通過(guò)預設的高低液面參數，實(shí)時(shí)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(shí)間行程原理的電磁波測距系統。儀表發(fā)出1GHz的微功率電磁波信號沿著(zhù)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(shí)，因介電常數發(fā)生突變，電磁波被反射回來(lái)。發(fā)射回來(lái)的電磁波沿著(zhù)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(shí)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：316L；防護等級：IP67；防爆等級：ExiaIICT6；承壓能力：15MPa；溫度范圍：-40~150℃；信號傳輸4~20mA。

2.2閥門(mén)定位器+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定信號，進(jìn)行比較，當兩者有偏差時(shí)，改變其到執行機構的輸出信號，使執行機構動(dòng)作，建立了閥桿位移量與控制器輸出信號之間的一一對應關(guān)系。因此，閥門(mén)定位器是以閥桿位移為測量信號，以控制器輸出信號為設定信號的反饋控制系統。閥門(mén)定位器入口接入獨立的氣源，出口氣路則接入到閥中，當閥門(mén)定位器收到來(lái)自防爆接口箱的模擬控制信號時(shí)，通過(guò)控制出口的氣源壓力大小實(shí)現閥的開(kāi)閉，同時(shí)閥也將開(kāi)度經(jīng)行程傳感器反饋給防爆接口箱，實(shí)現整套系統閥的開(kāi)度控制與反饋。定位器與閥的安裝示意圖如圖2所示?；緟担狠斎胼敵鲂盘枮?~20mA；防護等級為IP66；行程范圍為3~130mm；進(jìn)氣壓力為0.5~0.8MPa；防爆標識為ExiaIICT6/T4Gb；使用環(huán)境溫度為-30~60℃。

2.3遠程數據采集和控制系統

包括接口箱、PLC控制器、數采系統等。通過(guò)調試數據采集軟件，預設分離器液位上下限值、液位控制手自動(dòng)設置，將各個(gè)監測點(diǎn)的數據匯總到控制平臺上顯示出來(lái)。由PLC自動(dòng)控制程序完成分析、整理和判斷，并調控整個(gè)系統的運行。

3　應用效果

雷達探測技術(shù)改變了分離器現有排液模式，該裝置已在威遠頁(yè)巖氣區塊應用4個(gè)作業(yè)平臺，從應用效果來(lái)看，主要有以下幾個(gè)方面：從4個(gè)作業(yè)平臺14個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)（見(jiàn)表1），對比分離器玻璃看窗實(shí)測液位高度，三暢雷達液位計與玻璃看窗實(shí)測液位高度差值2.7cm，差值小-1cm，平均誤差0.8cm，雷達液位計液面探測值穩定可靠［6］。

整個(gè)控制系統液面控制靈敏，當系統設置控制上下限分別為0.2~1.05m時(shí)，控制范圍為0.85m，閥開(kāi)度維持在15%~16%之間，液位穩定在0.3m左右；當系統設置控制上下限分別為0.2~0.3m時(shí)，控制范圍0.1m，閥門(mén)開(kāi)度維持在1%~25%之間，液位穩定0.19~0.22m。該套裝置在油氣井測試作業(yè)中，實(shí)現分離器液位遠程實(shí)時(shí)監測、高低液位報警和實(shí)時(shí)自動(dòng)排液的功能［7-8］。

另外，在分離器液位自動(dòng)控制現場(chǎng)試驗階段，液位控制上下限范圍較?。?.2~0.3m），液位始終保持在0.2m左右波動(dòng)且很穩定，開(kāi)關(guān)非常頻繁，且閥門(mén)開(kāi)度也存在較大波動(dòng)，波動(dòng)隨著(zhù)時(shí)間的推移而逐漸減小。多口井的試驗結果表明：雷達液位計與閥的結合，能夠自動(dòng)將分離器內液位控制在穩定的范圍［9］。

4　結論及建議

（1）采用

雷達液位計

，改變了分離器液位的人工監測方式，解決了傳統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(shí)反映分離器內液位的難題，實(shí)現了分離器液位遠程實(shí)時(shí)準確監測、高低液位報警。

（2）通過(guò)雷達液位探測儀和分離器控制閥的有機結合、無(wú)縫銜接，實(shí)現了分離器實(shí)時(shí)自動(dòng)排液。該技術(shù)是信息化和機械化的有機結合，通過(guò)遠程監控和自動(dòng)控制，解決了分離器排液智能化的問(wèn)題，提高了排液效率。

（3）上海自動(dòng)化儀表分離器液位自動(dòng)監控技術(shù)在頁(yè)巖氣平臺的成功應用，解決了頁(yè)巖氣分離器液位監控依靠人工、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)的推廣應用的力度。