陳斌，蘇鋒，李豐清，張大為，趙月前

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 濱海新區(qū)，300451）

( 2. 海默科技（集團(tuán)）股份有限公司，甘肅 蘭州，730010）

引言

我國(guó)海洋油氣資源豐富，亟待大規(guī)模開發(fā)[1]。已經(jīng)建設(shè)成陵水17-2[2]、荔灣3-1等氣田組成的第一個(gè)中國(guó)南海深水氣田群，加快了由淺水走向深水的步伐。在此過(guò)程中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了油氣開發(fā)效能。目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)中各類關(guān)鍵設(shè)備大多已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，如水下流量計(jì)、水下閥門、水下控制模塊等[3]。其中水下流量計(jì)是一種實(shí)時(shí)在線測(cè)量水下單井的油、氣、水產(chǎn)量的設(shè)備，其在水下安裝可節(jié)省大量的測(cè)試管匯及閥門等，對(duì)于油氣田降本增效具有重要意義[4-6]。

文章結(jié)合南海某油田對(duì)水下流量計(jì)的技術(shù)要求，對(duì)水下流量計(jì)的設(shè)計(jì)要求、機(jī)械連接方案、壓力損失計(jì)算、數(shù)據(jù)通訊方案、產(chǎn)品測(cè)試及第三方認(rèn)證等方面開展了系統(tǒng)研究，全面考慮了水下流量計(jì)在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中的主要因素，系統(tǒng)論述了如何根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)要求完成水下流量計(jì)工程產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

1 水下流量計(jì)工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)南海某氣田的計(jì)量需求，需要在水下管匯上安裝一臺(tái)水下流量計(jì)對(duì)目標(biāo)井進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)計(jì)量，以便進(jìn)行油氣藏生產(chǎn)管理及流動(dòng)保障等工作。文章所述水下流量計(jì)采用的是 “伽馬射線”與“文丘里”相結(jié)合的測(cè)量技術(shù)，根據(jù)混合流體中不同組分對(duì)伽馬射線吸收的差別來(lái)測(cè)量相分率（包括含水率和含氣率），文丘里用于測(cè)量混合流體的總流量，最終獲得油、氣、水各單相介質(zhì)流量。該項(xiàng)目對(duì)水下流量計(jì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)要求如表 1所示。

表1 水下流量計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 水下流量計(jì)機(jī)械連接方案

水下流量計(jì)的設(shè)計(jì)水深1500米、設(shè)計(jì)壓力10000psi，即該設(shè)備需要同時(shí)承受16MPa以上海水外壓和接近70MPa的內(nèi)壓（靜水壓試驗(yàn)按1.5倍設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行），所以為滿足20年設(shè)計(jì)壽命要求，需要進(jìn)行嚴(yán)格的高壓防水密封設(shè)計(jì)。整個(gè)裝置采用了全金屬密封方式，部分關(guān)鍵部位額外增加非金屬輔助密封。

考慮到水下流量計(jì)水平安裝時(shí)管道內(nèi)的氣液、油水都會(huì)因重力分層而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，所以常規(guī)的多相流量計(jì)一般是豎直安裝的，特別是利用射線技術(shù)測(cè)量相分率的該類產(chǎn)品，但也可以在保證滿足測(cè)量精度要求的前提下水平安裝。水下流量計(jì)按多相流量計(jì)通用的豎直安裝方式進(jìn)行安裝，因此在此僅介紹豎直安裝方案。

水下流量計(jì)豎直安裝時(shí)，需要滿足以下要求：

1) 設(shè)計(jì)水深1500米；

2) 靜水壓測(cè)試壓力69Mpa；

3) 設(shè)計(jì)溫度-29℃到121℃；

4) 液體浸潤(rùn)面至少為雙相鋼 (S t a i n l e s s Steel)；

5) 可靠的支撐結(jié)構(gòu)。

法蘭作為一種常用的密封連接元件，不但在陸地管道系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，而且也是深水海底管道常用的一種機(jī)械連接方式。水下流量計(jì)作為模塊化的單元，根據(jù)項(xiàng)目安裝要求，與管匯的連接采用法蘭連接，法蘭形式選用API 6BX形式的標(biāo)準(zhǔn)法蘭。水下流量計(jì)選用5 1/8″ 10K API 6A(BX169) 法蘭的連接方式。

水下流量計(jì)在水下管匯的機(jī)械連接方案如圖 1所示。

圖1 水下流量計(jì)機(jī)械連接方案示意圖

基于該種法蘭研制的水下流量計(jì)工程樣機(jī)已通過(guò)了型式試驗(yàn)驗(yàn)證，包括水壓、氣壓和溫度壓力循環(huán)試驗(yàn)(PR2)等一系列嚴(yán)苛試驗(yàn)。

3 水下流量計(jì)壓力損失計(jì)算

在水下流量計(jì)的實(shí)際工程應(yīng)用中，我們?cè)谄谕ㄟ^(guò)合理的機(jī)械連接方案以獲得較高精度的流量控制效果的同時(shí)，還期望管路上的總壓損失最小，以減少系統(tǒng)壓力損失、提高利用率。水下流量計(jì)是基于節(jié)流式差壓流量計(jì)進(jìn)行總流量測(cè)量的，加之有多處彎管和三通，導(dǎo)致其整體帶來(lái)的壓損較明顯。因此，在水下流量計(jì)的工程設(shè)計(jì)中，對(duì)水下流量計(jì)所造成的潛在壓力損失進(jìn)行核算是不可或缺的一個(gè)步驟。在本項(xiàng)目中，流量計(jì)的總體壓損要求不大于100 kPa。

管流壓降通常由三部分組成，即：摩阻壓降ΔP1，重位壓降ΔP2和加速壓降ΔP3。

1）摩阻壓降

摩阻壓降是由管流摩阻力引起的壓降，可以依據(jù)達(dá)西公式進(jìn)行計(jì)算。

2）重位壓降

重位壓降是由管道進(jìn)出口位置高度不同而引起的壓降。當(dāng)管道中沒(méi)有氣體時(shí)，對(duì)上升管流該壓降為正；對(duì)下降管流該壓降為負(fù)；對(duì)倒U型多相流量計(jì)的結(jié)構(gòu)可不計(jì)該壓降。

3）加速壓降

加速壓降是由于管流中存在氣相，而且隨壓降大而體積增大，造成加速運(yùn)動(dòng)引起的壓降。對(duì)于一般氣液兩相混合輸送管道來(lái)說(shuō)，加速壓降遠(yuǎn)小于摩阻壓降和重位壓降，當(dāng)管道中沒(méi)有氣時(shí)，加速壓降為零。由于水下流量計(jì)管段很短，氣容變化很小，因此其加速壓降小到可忽略不計(jì)。

綜上所述，針對(duì)水下流量計(jì)的壓損計(jì)算，應(yīng)重點(diǎn)考慮摩阻壓降進(jìn)行計(jì)算。水下流量計(jì)本體的通道、文丘里管和配管這三部分的壓力損失分別為0.166kPa、2.3kPa和50kPa，水下流量計(jì)的總體壓損是62.96 kPa，滿足總體壓損不超過(guò)100 kPa的項(xiàng)目要求。

4 水下流量計(jì)數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)

項(xiàng)目要求水下流量計(jì)控制系統(tǒng)通訊采用RS485接口，通訊協(xié)議采用Modbus RTU。為最大程度確保設(shè)備可靠性，水下流量計(jì)的通訊系統(tǒng)采用冗余物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電子倉(cāng)內(nèi)存在兩個(gè)獨(dú)立工作的數(shù)據(jù)采集單元，并同時(shí)向水下控制模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由水下控制模塊通過(guò)臍帶纜將水下流量計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至水面上的水下流量計(jì)上位機(jī)系統(tǒng)。水下流量計(jì)電子倉(cāng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集單元不含計(jì)算模塊，只負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)收集及上傳，以便最大程度降低能耗和數(shù)據(jù)傳送量；水下流量計(jì)上位機(jī)控制系統(tǒng)主要有人機(jī)界面和系統(tǒng)算法組成，負(fù)責(zé)測(cè)量計(jì)算及對(duì)外輸出。

水下流量計(jì)的通訊控制系統(tǒng)示意圖如圖 3所示：

圖2 水下流量計(jì)數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)示意圖

為了保證水下流量計(jì)的通訊系統(tǒng)能夠與水下控制模塊的正常通訊，業(yè)主一般會(huì)要求水下流量計(jì)廠家提供一套具備水下流量計(jì)所有通訊功能的通訊模擬器，以便提前進(jìn)行系統(tǒng)集成測(cè)試。

5 水下流量計(jì)測(cè)試及第三方認(rèn)證

為保證所研制的水下流量計(jì)的可靠性，嚴(yán)格的測(cè)試及第三方認(rèn)證是必不可少的環(huán)節(jié)，通過(guò)測(cè)試和第三方認(rèn)證，對(duì)水下多相流量計(jì)的故障模式、影響和危害性分析等進(jìn)行分析，從而保證產(chǎn)品更好地投入工程使用。目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測(cè)試及認(rèn)證都已有較為成熟的研究[7-8]，對(duì)水下流量計(jì)的測(cè)試技術(shù)進(jìn)行專門和詳細(xì)規(guī)定的極少。API RP 17S[9]是目前水下流量計(jì)領(lǐng)域唯一的API規(guī)范，其中對(duì)產(chǎn)品的型式認(rèn)證、出廠試驗(yàn)等都有詳細(xì)規(guī)定，并大量引用了API 6A[10]及API 17D[11]等規(guī)范對(duì)水下流量計(jì)各項(xiàng)測(cè)試的規(guī)定。

文章論述的水下流量計(jì)是在以前成熟產(chǎn)品設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了比較大的改進(jìn)，所以需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)認(rèn)證，然后進(jìn)行產(chǎn)品出廠測(cè)試后才能交付工程使用。按項(xiàng)目對(duì)水下流量計(jì)出廠測(cè)試需要做的各項(xiàng)試驗(yàn)及測(cè)試要求，具體測(cè)試項(xiàng)目如表 2所示：

表2 水下流量計(jì)出廠測(cè)試項(xiàng)目及要求

所有測(cè)試完成后，采用多相流模擬環(huán)線對(duì)水下流量計(jì)的計(jì)量性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3-5所示。

圖3 環(huán)線測(cè)試液量誤差

圖4 環(huán)線測(cè)試氣量誤差

圖5 環(huán)線測(cè)試含水率誤差

根據(jù)圖3-5所示，針對(duì)目標(biāo)氣田項(xiàng)目水下流量計(jì)在多相流模擬環(huán)線完成15個(gè)點(diǎn)的測(cè)試，其結(jié)果：液量、氣量、含水率誤差均符合測(cè)試精度要求，下面是測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表：

表3 水下流量測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語(yǔ)

由于水下復(fù)雜嚴(yán)苛的工作環(huán)境，對(duì)水下流量計(jì)可靠性的要求極高，要求在前期工程設(shè)計(jì)階段，要結(jié)合工程項(xiàng)目實(shí)際技術(shù)要求，對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械連接方案、壓力損失計(jì)算、數(shù)據(jù)通訊方案、產(chǎn)品測(cè)試等進(jìn)行詳細(xì)而嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，并由第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行審核和認(rèn)證。因此，在對(duì)水下流量計(jì)工程產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循以下原則：

1）合理的機(jī)械連接方案可保障水下流量計(jì)在整個(gè)生命周期內(nèi)滿足對(duì)目標(biāo)井計(jì)量精度的要求，并避免對(duì)整個(gè)工藝流程造成大的壓力損失。

2）合適的通訊方式和冗余的物理結(jié)構(gòu)，保證流量計(jì)數(shù)據(jù)通訊的高可靠性。

3）通過(guò)第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)水下流量計(jì)設(shè)計(jì)方案和出廠測(cè)試進(jìn)行審查和見證，可最大程度發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題并及時(shí)予以修正，及時(shí)止損。

文章論述了國(guó)產(chǎn)水下流量計(jì)在國(guó)內(nèi)某項(xiàng)目工程應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)及注意事項(xiàng)，為其他水下生產(chǎn)設(shè)施和關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化研制及工程應(yīng)用提供了一定借鑒。