雷達(dá)液位計在分離器實時排液上的應(yīng)用

上海自動化儀表頁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)分離器分離的過程中，容易堵塞分離器液位控制裝置，使得浮筒液位感應(yīng)失真，導(dǎo)致分離器自動排液功能失效。在這種情況下普遍采用人工不定期檢查、手動開關(guān)閥門的方式排液。本研究利用雷達(dá)電磁波探測物質(zhì)表面距離的功能，通過將雷達(dá)液位計的探測電信號轉(zhuǎn)換成分離器控制閥的壓力控制信號，實現(xiàn)雷達(dá)液位計與分離器控制閥聯(lián)動，解決分離器液位的實時監(jiān)測和自動排液的問題。該技術(shù)是信息化和機(jī)械化的有機(jī)結(jié)合，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動控制，解決了分離器排液智能化的問題，提高了工作效率，保障了生產(chǎn)安全。

試油作業(yè)期間，通過分離器進(jìn)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(dǎo)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(jìn)度，甚至導(dǎo)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(dǎo)致排液不及時，容易引起因分離器液位控制不當(dāng)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(dá)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(fēng)險。

1　技術(shù)原理

“雷達(dá)探測技術(shù)”的原理是：雷達(dá)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(dá)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，從而控制分離器閥開啟度。

該技術(shù)的優(yōu)點是：

（1）雷達(dá)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(dá)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15MPa工作壓力下使用的要求。

（3）由于雷達(dá)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(dá)液位計、閥門定位器、閥和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)組成。三暢雷達(dá)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(yuǎn)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(dá)液位計

雷達(dá)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1GHz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(dāng)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(dǎo)波桿材質(zhì)：不銹鋼：316L；防護(hù)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(shè)定信號，進(jìn)行比較，當(dāng)兩者有偏差時，改變其到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出信號，使執(zhí)行機(jī)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(dú)立的氣源，出口氣路則接入到閥中，當(dāng)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)閥的開閉，同時閥也將開度經(jīng)行程傳感器反饋給防爆接口箱，實現(xiàn)整套系統(tǒng)閥的開度控制與反饋。定位器與閥的安裝示意圖如圖2所示?；緟?shù)：輸入輸出信號為4~20mA；防護(hù)等級為IP66；行程范圍為3~130mm；進(jìn)氣壓力為0.5~0.8MPa；防爆標(biāo)識為ExiaIICT6/T4Gb；使用環(huán)境溫度為-30~60℃。

2.3遠(yuǎn)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(yùn)行。

3　應(yīng)用效果

雷達(dá)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(yuǎn)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，三暢雷達(dá)液位計與玻璃看窗實測液位高度差值2.7cm，差值小-1cm，平均誤差0.8cm，雷達(dá)液位計液面探測值穩(wěn)定可靠［6］。

整個控制系統(tǒng)液面控制靈敏，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置控制上下限分別為0.2~1.05m時，控制范圍為0.85m，閥開度維持在15%~16%之間，液位穩(wěn)定在0.3m左右；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置控制上下限分別為0.2~0.3m時，控制范圍0.1m，閥門開度維持在1%~25%之間，液位穩(wěn)定0.19~0.22m。該套裝置在油氣井測試作業(yè)中，實現(xiàn)分離器液位遠(yuǎn)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?。?.2~0.3m），液位始終保持在0.2m左右波動且很穩(wěn)定，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(dá)液位計與閥的結(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(dá)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(dǎo)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(yuǎn)程實時準(zhǔn)確監(jiān)測、高低液位報警。

（2）通過雷達(dá)液位探測儀和分離器控制閥的有機(jī)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(jī)械化的有機(jī)結(jié)合，通過遠(yuǎn)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）上海自動化儀表分離器液位自動監(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(zhǔn)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。