水下流量计工程化产品设计关键技术研究

陈斌，苏锋，李丰清，张大为，赵月前

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 滨海新区，300451）

( 2. 海默科技（集团）股份有限公司，甘肃 兰州，730010）

引言

我国海洋油气资源丰富，亟待大规模开发[1]。已经建设成陵水17-2[2]、荔湾3-1等气田组成的第一个中国南海深水气田群，加快了由浅水走向深水的步伐。在此过程中，水下生产系统得到了广泛应用，大大提高了油气开发效能。目前水下生产系统中各类关键设备大多已实现国产化，如水下流量计、水下阀门、水下控制模块等[3]。其中水下流量计是一种实时在线测量水下单井的油、气、水产量的设备，其在水下安装可节省大量的测试管汇及阀门等，对于油气田降本增效具有重要意义[4-6]。

文章结合南海某油田对水下流量计的技术要求，对水下流量计的设计要求、机械连接方案、压力损失计算、数据通讯方案、产品测试及第三方认证等方面开展了系统研究，全面考虑了水下流量计在实际工程应用过程中的主要因素，系统论述了如何根据项目技术要求完成水下流量计工程产品的关键设计。

1 水下流量计工程产品的设计要求

根据南海某气田的计量需求，需要在水下管汇上安装一台水下流量计对目标井进行全天候实时计量，以便进行油气藏生产管理及流动保障等工作。文章所述水下流量计采用的是 “伽马射线”与“文丘里”相结合的测量技术，根据混合流体中不同组分对伽马射线吸收的差别来测量相分率（包括含水率和含气率），文丘里用于测量混合流体的总流量，最终获得油、气、水各单相介质流量。该项目对水下流量计的主要设计参数要求如表 1所示。

表1 水下流量计设计参数

2 水下流量计机械连接方案

水下流量计的设计水深1500米、设计压力10000psi，即该设备需要同时承受16MPa以上海水外压和接近70MPa的内压（静水压试验按1.5倍设计压力进行），所以为满足20年设计寿命要求，需要进行严格的高压防水密封设计。整个装置采用了全金属密封方式，部分关键部位额外增加非金属辅助密封。

考虑到水下流量计水平安装时管道内的气液、油水都会因重力分层而导致测量不准，所以常规的多相流量计一般是竖直安装的，特别是利用射线技术测量相分率的该类产品，但也可以在保证满足测量精度要求的前提下水平安装。水下流量计按多相流量计通用的竖直安装方式进行安装，因此在此仅介绍竖直安装方案。

水下流量计竖直安装时，需要满足以下要求：

1) 设计水深1500米；

2) 静水压测试压力69Mpa；

3) 设计温度-29℃到121℃；

4) 液体浸润面至少为双相钢 (S t a i n l e s s Steel)；

5) 可靠的支撑结构。

法兰作为一种常用的密封连接元件，不但在陆地管道系统中发挥重要作用，而且也是深水海底管道常用的一种机械连接方式。水下流量计作为模块化的单元，根据项目安装要求，与管汇的连接采用法兰连接，法兰形式选用API 6BX形式的标准法兰。水下流量计选用5 1/8″ 10K API 6A(BX169) 法兰的连接方式。

水下流量计在水下管汇的机械连接方案如图 1所示。

图1 水下流量计机械连接方案示意图

基于该种法兰研制的水下流量计工程样机已通过了型式试验验证，包括水压、气压和温度压力循环试验(PR2)等一系列严苛试验。

3 水下流量计压力损失计算

在水下流量计的实际工程应用中，我们在期望通过合理的机械连接方案以获得较高精度的流量控制效果的同时，还期望管路上的总压损失最小，以减少系统压力损失、提高利用率。水下流量计是基于节流式差压流量计进行总流量测量的，加之有多处弯管和三通，导致其整体带来的压损较明显。因此，在水下流量计的工程设计中，对水下流量计所造成的潜在压力损失进行核算是不可或缺的一个步骤。在本项目中，流量计的总体压损要求不大于100 kPa。

管流压降通常由三部分组成，即：摩阻压降ΔP1，重位压降ΔP2和加速压降ΔP3。

1）摩阻压降

摩阻压降是由管流摩阻力引起的压降，可以依据达西公式进行计算。

2）重位压降

重位压降是由管道进出口位置高度不同而引起的压降。当管道中没有气体时，对上升管流该压降为正；对下降管流该压降为负；对倒U型多相流量计的结构可不计该压降。

3）加速压降

加速压降是由于管流中存在气相，而且随压降大而体积增大，造成加速运动引起的压降。对于一般气液两相混合输送管道来说，加速压降远小于摩阻压降和重位压降，当管道中没有气时，加速压降为零。由于水下流量计管段很短，气容变化很小，因此其加速压降小到可忽略不计。

综上所述，针对水下流量计的压损计算，应重点考虑摩阻压降进行计算。水下流量计本体的通道、文丘里管和配管这三部分的压力损失分别为0.166kPa、2.3kPa和50kPa，水下流量计的总体压损是62.96 kPa，满足总体压损不超过100 kPa的项目要求。

4 水下流量计数据通讯设计

项目要求水下流量计控制系统通讯采用RS485接口，通讯协议采用Modbus RTU。为最大程度确保设备可靠性，水下流量计的通讯系统采用冗余物理结构设计，电子仓内存在两个独立工作的数据采集单元，并同时向水下控制模块发送数据，然后由水下控制模块通过脐带缆将水下流量计测量数据上传至水面上的水下流量计上位机系统。水下流量计电子仓内的数据采集单元不含计算模块，只负责原始数据收集及上传，以便最大程度降低能耗和数据传送量；水下流量计上位机控制系统主要有人机界面和系统算法组成，负责测量计算及对外输出。

水下流量计的通讯控制系统示意图如图 3所示：

图2 水下流量计数据通讯系统示意图

为了保证水下流量计的通讯系统能够与水下控制模块的正常通讯，业主一般会要求水下流量计厂家提供一套具备水下流量计所有通讯功能的通讯模拟器，以便提前进行系统集成测试。

5 水下流量计测试及第三方认证

为保证所研制的水下流量计的可靠性，严格的测试及第三方认证是必不可少的环节，通过测试和第三方认证，对水下多相流量计的故障模式、影响和危害性分析等进行分析，从而保证产品更好地投入工程使用。目前，水下生产系统的测试及认证都已有较为成熟的研究[7-8]，对水下流量计的测试技术进行专门和详细规定的极少。API RP 17S[9]是目前水下流量计领域唯一的API规范，其中对产品的型式认证、出厂试验等都有详细规定，并大量引用了API 6A[10]及API 17D[11]等规范对水下流量计各项测试的规定。

文章论述的水下流量计是在以前成熟产品设计基础上进行了比较大的改进，所以需要重新进行设计认证，然后进行产品出厂测试后才能交付工程使用。按项目对水下流量计出厂测试需要做的各项试验及测试要求，具体测试项目如表 2所示：

表2 水下流量计出厂测试项目及要求

所有测试完成后，采用多相流模拟环线对水下流量计的计量性能进行了测试，测试结果如图3-5所示。

图3 环线测试液量误差

图4 环线测试气量误差

图5 环线测试含水率误差

根据图3-5所示，针对目标气田项目水下流量计在多相流模拟环线完成15个点的测试，其结果：液量、气量、含水率误差均符合测试精度要求，下面是测试结果统计表：

表3 水下流量测量结果统计

6 结束语

由于水下复杂严苛的工作环境，对水下流量计可靠性的要求极高，要求在前期工程设计阶段，要结合工程项目实际技术要求，对产品的机械连接方案、压力损失计算、数据通讯方案、产品测试等进行详细而严格的设计，并由第三方权威机构进行审核和认证。因此，在对水下流量计工程产品进行设计时，要遵循以下原则：

1）合理的机械连接方案可保障水下流量计在整个生命周期内满足对目标井计量精度的要求，并避免对整个工艺流程造成大的压力损失。

2）合适的通讯方式和冗余的物理结构，保证流量计数据通讯的高可靠性。

3）通过第三方认证机构对水下流量计设计方案和出厂测试进行审查和见证，可最大程度发现潜在问题并及时予以修正，及时止损。

文章论述了国产水下流量计在国内某项目工程应用过程中的关键设计技术及注意事项，为其他水下生产设施和关键部件的国产化研制及工程应用提供了一定借鉴。