水下流量計工程化產品設計關鍵技術研究

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，300451）

( 2. 海默科技（集團）股份有限公司，甘肅 蘭州，730010）

引言

我國海洋油氣資源豐富，亟待大規模開發[1]。已經建設成陵水17-2[2]、荔灣3-1等氣田組成的第一個中國南海深水氣田群，加快了由淺水走向深水的步伐。在此過程中，水下生產系統得到了廣泛應用，大大提高了油氣開發效能。目前水下生產系統中各類關鍵設備大多已實現國產化，如水下流量計、水下閥門、水下控制模塊等[3]。其中水下流量計是一種實時在線測量水下單井的油、氣、水產量的設備，其在水下安裝可節省大量的測試管匯及閥門等，對于油氣田降本增效具有重要意義[4-6]。

文章結合南海某油田對水下流量計的技術要求，對水下流量計的設計要求、機械連接方案、壓力損失計算、數據通訊方案、產品測試及第三方認證等方面開展了系統研究，全面考慮了水下流量計在實際工程應用過程中的主要因素，系統論述了如何根據項目技術要求完成水下流量計工程產品的關鍵設計。

1 水下流量計工程產品的設計要求

根據南海某氣田的計量需求，需要在水下管匯上安裝一臺水下流量計對目標井進行全天候實時計量，以便進行油氣藏生產管理及流動保障等工作。文章所述水下流量計采用的是 “伽馬射線”與“文丘里”相結合的測量技術，根據混合流體中不同組分對伽馬射線吸收的差別來測量相分率（包括含水率和含氣率），文丘里用于測量混合流體的總流量，最終獲得油、氣、水各單相介質流量。該項目對水下流量計的主要設計參數要求如表 1所示。

表1 水下流量計設計參數

2 水下流量計機械連接方案

水下流量計的設計水深1500米、設計壓力10000psi，即該設備需要同時承受16MPa以上海水外壓和接近70MPa的內壓（靜水壓試驗按1.5倍設計壓力進行），所以為滿足20年設計壽命要求，需要進行嚴格的高壓防水密封設計。整個裝置采用了全金屬密封方式，部分關鍵部位額外增加非金屬輔助密封。

考慮到水下流量計水平安裝時管道內的氣液、油水都會因重力分層而導致測量不準，所以常規的多相流量計一般是豎直安裝的，特別是利用射線技術測量相分率的該類產品，但也可以在保證滿足測量精度要求的前提下水平安裝。水下流量計按多相流量計通用的豎直安裝方式進行安裝，因此在此僅介紹豎直安裝方案。

水下流量計豎直安裝時，需要滿足以下要求：

1) 設計水深1500米；

2) 靜水壓測試壓力69Mpa；

3) 設計溫度-29℃到121℃；

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

5) 可靠的支撐結構。

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

水下流量計在水下管匯的機械連接方案如圖 1所示。

圖1 水下流量計機械連接方案示意圖

基于該種法蘭研制的水下流量計工程樣機已通過了型式試驗驗證，包括水壓、氣壓和溫度壓力循環試驗(PR2)等一系列嚴苛試驗。

3 水下流量計壓力損失計算

在水下流量計的實際工程應用中，我們在期望通過合理的機械連接方案以獲得較高精度的流量控制效果的同時，還期望管路上的總壓損失最小，以減少系統壓力損失、提高利用率。水下流量計是基于節流式差壓流量計進行總流量測量的，加之有多處彎管和三通，導致其整體帶來的壓損較明顯。因此，在水下流量計的工程設計中，對水下流量計所造成的潛在壓力損失進行核算是不可或缺的一個步驟。在本項目中，流量計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，可以依據達西公式進行計算。

2）重位壓降

重位壓降是由管道進出口位置高度不同而引起的壓降。當管道中沒有氣體時，對上升管流該壓降為正；對下降管流該壓降為負；對倒U型多相流量計的結構可不計該壓降。

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，造成加速運動引起的壓降。對于一般氣液兩相混合輸送管道來說，加速壓降遠小于摩阻壓降和重位壓降，當管道中沒有氣時，加速壓降為零。由于水下流量計管段很短，氣容變化很小，因此其加速壓降小到可忽略不計。

綜上所述，針對水下流量計的壓損計算，應重點考慮摩阻壓降進行計算。水下流量計本體的通道、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，水下流量計的總體壓損是62.96 kPa，滿足總體壓損不超過100 kPa的項目要求。

4 水下流量計數據通訊設計

項目要求水下流量計控制系統通訊采用RS485接口，通訊協議采用Modbus RTU。為最大程度確保設備可靠性，水下流量計的通訊系統采用冗余物理結構設計，電子倉內存在兩個獨立工作的數據采集單元，并同時向水下控制模塊發送數據，然后由水下控制模塊通過臍帶纜將水下流量計測量數據上傳至水面上的水下流量計上位機系統。水下流量計電子倉內的數據采集單元不含計算模塊，只負責原始數據收集及上傳，以便最大程度降低能耗和數據傳送量；水下流量計上位機控制系統主要有人機界面和系統算法組成，負責測量計算及對外輸出。

水下流量計的通訊控制系統示意圖如圖 3所示：

圖2 水下流量計數據通訊系統示意圖

為了保證水下流量計的通訊系統能夠與水下控制模塊的正常通訊，業主一般會要求水下流量計廠家提供一套具備水下流量計所有通訊功能的通訊模擬器，以便提前進行系統集成測試。

5 水下流量計測試及第三方認證

為保證所研制的水下流量計的可靠性，嚴格的測試及第三方認證是必不可少的環節，通過測試和第三方認證，對水下多相流量計的故障模式、影響和危害性分析等進行分析，從而保證產品更好地投入工程使用。目前，水下生產系統的測試及認證都已有較為成熟的研究[7-8]，對水下流量計的測試技術進行專門和詳細規定的極少。API RP 17S[9]是目前水下流量計領域唯一的API規范，其中對產品的型式認證、出廠試驗等都有詳細規定，并大量引用了API 6A[10]及API 17D[11]等規范對水下流量計各項測試的規定。

文章論述的水下流量計是在以前成熟產品設計基礎上進行了比較大的改進，所以需要重新進行設計認證，然后進行產品出廠測試后才能交付工程使用。按項目對水下流量計出廠測試需要做的各項試驗及測試要求，具體測試項目如表 2所示：

表2 水下流量計出廠測試項目及要求

所有測試完成后，采用多相流模擬環線對水下流量計的計量性能進行了測試，測試結果如圖3-5所示。

圖3 環線測試液量誤差

圖4 環線測試氣量誤差

圖5 環線測試含水率誤差

根據圖3-5所示，針對目標氣田項目水下流量計在多相流模擬環線完成15個點的測試，其結果：液量、氣量、含水率誤差均符合測試精度要求，下面是測試結果統計表：

表3 水下流量測量結果統計

6 結束語

由于水下復雜嚴苛的工作環境，對水下流量計可靠性的要求極高，要求在前期工程設計階段，要結合工程項目實際技術要求，對產品的機械連接方案、壓力損失計算、數據通訊方案、產品測試等進行詳細而嚴格的設計，并由第三方權威機構進行審核和認證。因此，在對水下流量計工程產品進行設計時，要遵循以下原則：

1）合理的機械連接方案可保障水下流量計在整個生命周期內滿足對目標井計量精度的要求，并避免對整個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構，保證流量計數據通訊的高可靠性。

3）通過第三方認證機構對水下流量計設計方案和出廠測試進行審查和見證，可最大程度發現潛在問題并及時予以修正，及時止損。

文章論述了國產水下流量計在國內某項目工程應用過程中的關鍵設計技術及注意事項，為其他水下生產設施和關鍵部件的國產化研制及工程應用提供了一定借鑒。