水下流量計安裝與回收技術(shù)初步研究

鞠朋朋，趙軍林，潘艷芝，王海兵

水下流量計的安裝回收技術(shù)是水下流量計設(shè)計過程中必須面對的難題。盡管水下流量計設(shè)計的初衷是在設(shè)計壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)免維修，但從國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用的情況來看，要實(shí)現(xiàn)完全免維修是很難的。首先是水下環(huán)境的復(fù)雜性，流量計安裝到水下后需要克服海水靜壓、介質(zhì)內(nèi)壓以及高溫帶來的機(jī)械強(qiáng)度和密封性能上的考驗(yàn)，還要抵抗海水和介質(zhì)腐蝕以及不可預(yù)見的突發(fā)情況（如地震、海嘯等）。其次是流量計本身的復(fù)雜性。多相流的測量異常復(fù)雜，其技術(shù)難度之高至今仍是世界范圍內(nèi)科學(xué)界的難題。要實(shí)現(xiàn)多相流的測量，需要一套實(shí)時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來采集原始數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送至流量計算機(jī)，由流量計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成可用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，然后再將這些可用的數(shù)據(jù)上傳至地面控制中心。整個過程還需要一套完整的機(jī)械系統(tǒng)和通訊控制系統(tǒng)來支撐。任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致流量計無法正常工作。而流量計安裝在幾百甚至幾千米的深水中，很難進(jìn)行人工干預(yù)。因此，除了通過設(shè)計手段提高水下流量計的可靠性之外，水下流量計的回收以及回收以后的二次安裝是水下流量計設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)。

1　可回收式水下流量計的研究現(xiàn)狀

早在1995年，國外就有水下流量計在水下管匯安裝應(yīng)用的報道，該流量計安裝在一個獨(dú)立的回收模塊中，可在不中斷生產(chǎn)的條件下實(shí)現(xiàn)回收[1]。1996年Framo可回收式水下流量計在澳大利亞East Spar項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，該流量計為一個桶裝結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)整體回收[2]。到目前為止，國際上形成了以斯倫貝謝、艾默生、FMC為主的水下流量計供應(yīng)格局，這3家公司占據(jù)了整個多相流量計90%以上的市場份額[3]。

目前國際上主要的回收方式有2種，一種是電子艙回收，即單獨(dú)回收電子艙模塊（SRC，Subsea Re?trievable Canister）；另一種是整體回收式，即將整個流量計模塊集成到外部結(jié)構(gòu)上（CBV，Choke Bridge Version）。電子模塊可回收式流量計是一種將所有電子元件、通訊和控制系統(tǒng)集成到一個可回收的模塊內(nèi)，所有的元件及相應(yīng)的接頭都有充分冗余設(shè)計的水下流量計。在工作時，電子模塊可以通過ROV快速接入整個流量計，而不需要專門的送入工具，也不需要關(guān)斷流體或是停止整個采油過程，從而避免了因?yàn)榛厥崭鼡Q模塊時造成額外的花費(fèi)。

整體模塊式流量計CBV是一種將所有模塊集成到一起，然后整體安裝、整體回收的流量計[4]。該類型的水下流量計保留了同SRC類型相同的電子元件的冗余設(shè)計，但將電子模塊固定安裝在整個流量計裝置上，回收時通過回收整個流量計來實(shí)現(xiàn)。此類型的多相流量計一般直接安裝至管道或計量模塊上，其安裝和回收皆是通過管道或計量模塊一并進(jìn)行。

2　水下流量計的安裝與回收技術(shù)

2.1　水下流量計的安裝位置

水下流量計是水下流量計量的核心部件，其安裝位置取決于具體的應(yīng)用方式和水下生產(chǎn)設(shè)施的整體布局。水下流量計的安裝位置大致可以分為采油樹、管匯和跨接管3種，如圖1所示。

圖1　流量計安裝位置

水下流量計的最佳安裝位置與流量計的具體應(yīng)用和設(shè)備尺寸有關(guān)。采用單井計量方式的流量計可以安裝在采油樹上、連接的跨接管上或鄰近的管匯上進(jìn)行連續(xù)測量。間斷測量可以在管匯上通過選井計量來完成，此時由于一臺流量計需要測量不同介質(zhì)性質(zhì)的多個油井，因此流量計需要包含多個油井的PVT數(shù)據(jù)。單井計量可以給出每口井的連續(xù)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有利于油田的生產(chǎn)管理和優(yōu)化，同時提高了整個計量系統(tǒng)的可靠性，但所需要的流量計數(shù)量較多，增加了油田開發(fā)的成本。選井計量方式成本較低，但無法獲得單井的連續(xù)測量數(shù)據(jù)，且一旦流量計發(fā)生故障，與之相連的所有油井的計量都無法進(jìn)行[5]。因此，具體采用哪種計量方式需要根據(jù)油田生產(chǎn)的實(shí)際需要和單臺流量計的成本和可靠性而定。

對于選擇水下流量計計量的油井，在水下生產(chǎn)設(shè)施布局中應(yīng)考慮水下流量計或電子回收模塊的安裝和回收路徑以及對應(yīng)的機(jī)械和電氣接口。對于安裝在采油樹和跨接管上的流量計而言，流量計回收可能只會影響局部生產(chǎn)，但是如果回收管匯單元，若沒有旁通則可能需要關(guān)閉多口井，因此管匯安裝的流量計一般需要考慮旁通設(shè)計，保證在流量計關(guān)停和啟動狀態(tài)下都能夠滿足最大產(chǎn)量的要求。

流量計上下游流體的流型和流向也是決定流量計安裝位置時所要考慮的一個因素，這主要與流量計所采用的計量技術(shù)有關(guān)，如有的流量計需要考慮上下游直管段以保證穩(wěn)定的流型，有的流量計的計量性能受到流體流向的影響，在設(shè)計流量計安裝位置時應(yīng)當(dāng)有所考慮。此外，腐蝕和侵蝕作用、化學(xué)藥劑注入點(diǎn)、管道規(guī)格、臨近節(jié)流點(diǎn)等都有可能對流量計的計量性能產(chǎn)生影響，也是設(shè)計中需要考慮的因素。

2.2　基于采油樹的安裝與回收

一般而言，安裝至采油樹的水下流量計都有其專用的配套設(shè)施，通常與采油樹的油嘴組合在一起，形成采油樹的流量控制模塊。另外，流量計可以連接到節(jié)流閥上，同水下節(jié)流閥一起安裝回收?；诤诵挠嬃坎考?，可以設(shè)計相應(yīng)的安裝接口，同水下節(jié)流閥安裝在一起，轉(zhuǎn)接至采油樹對應(yīng)安裝位置，實(shí)現(xiàn)通過ROV進(jìn)行水下的安裝及回收操作（圖2）。

圖2　基于采油樹的水下流量計安裝和回收模塊

如圖2所示，將流量計模塊通過法蘭連接的方式固定安裝至節(jié)流閥整體裝配上形成流量控制模塊，通過節(jié)流閥連接器與采油樹相連。流量控制模塊上一般對應(yīng)有ROV操作手柄、操作接口等，以滿足水下操作的要求。導(dǎo)向筒和導(dǎo)向柱設(shè)計用于流量計在安裝過程中實(shí)現(xiàn)與采油樹的準(zhǔn)確對接。在安裝時，通過吊耳將流量計下放至水下安裝位置附近，通過ROV操作手柄調(diào)整流量計的位置，使導(dǎo)向筒與導(dǎo)向柱對接。安裝工具具有緩沖裝置，可以保護(hù)流量控制模塊不受大的沖擊，待流量控制單元與采油樹精準(zhǔn)對接，即可操作ROV接口實(shí)現(xiàn)鎖緊?；厥諘r設(shè)置兩端隔離后，通過ROV操作實(shí)現(xiàn)解鎖，如圖3所示。

圖3　基于采油樹的水下流量計模塊布置

采用這種設(shè)計時，流量計廠商需要與采油樹廠商進(jìn)行有效的技術(shù)溝通，進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計，保證流量計連接接口及空間位置相匹配。

2.3　基于跨接管的安裝與回收

當(dāng)采油樹沒有可以回收的油嘴模塊，或是節(jié)流閥等相應(yīng)結(jié)構(gòu)不允許相應(yīng)布置時，水下流量計可以安裝在采油樹同管匯連接的跨接管上。

如圖4所示，位于跨接管的流量計可以在跨接管制造和初安裝時采用法蘭進(jìn)行連接，將流量計模塊和跨接管一起下放安裝和回收。法蘭連接的流量計接口可以簡化拆卸和重裝，也可以采用焊接的方式，將流量計直接焊接在跨接管上以減輕跨接管的重量。但由于跨接管的安裝回收需要吊裝能力較大的支持船，并可能導(dǎo)致其他一些問題，所以一般在跨接管上的流量計出現(xiàn)問題，基本就會棄置而不進(jìn)行維護(hù)。由于水下流量計電子模塊出現(xiàn)故障的概率比較大，若采取這種方式進(jìn)行安裝回收，一般會設(shè)計電子模塊可回收的結(jié)構(gòu)，將流量計上容易發(fā)生失效的復(fù)雜結(jié)構(gòu)都集成在可回收模塊中，而固定安裝的部分則應(yīng)該盡量簡化，以提高整個裝置的可靠性。

2.4　基于管匯的安裝與回收

采用管匯安裝的方式需要針對流量計模塊設(shè)計對應(yīng)的模塊送入工具、導(dǎo)向定位設(shè)備、軟著陸工具、過載工具以及其他配套工具來滿足流量計安裝和回收的要求。在流量計模塊外部設(shè)計一個整體的配套安裝工具，并提供ROV操作的接口和水下的連接器部分，如圖5所示。送入工具可以通過ROV進(jìn)行操作和控制，一般部署在修井船和鉆探設(shè)備上，含有軟著陸系統(tǒng)和解鎖、鎖緊裝置，通過操作ROV接口，可以實(shí)現(xiàn)水下流量計底部連接器與固定安裝在管匯上的連接接口的鎖緊和解鎖。當(dāng)流量計解鎖出現(xiàn)故障時，可以通過過載工具進(jìn)行緊急解鎖，以保證流量計解鎖裝置卡死的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)緊急回收。

圖4　基于跨接管的流量計模塊安裝回收方式

圖5　基于管匯的水下流量計安裝與回收模塊

同時在管匯上設(shè)計對應(yīng)的水下安裝所需連接結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向及指示設(shè)計、模塊布置等，如圖6、圖7、圖8所示，通過專門的工具實(shí)現(xiàn)流量計模塊的獨(dú)立整體安裝和回收。其中，連接結(jié)構(gòu)與流量計下部的連接器相連，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)用于流量計下放安裝過程中的導(dǎo)向與定位，通過指示設(shè)計可以確認(rèn)流量計定位是否精準(zhǔn)，以及解鎖和鎖緊操作是否完成。

圖6　基于管匯的水下流量計模塊對接結(jié)構(gòu)

圖7　基于管匯的水下流量計安裝導(dǎo)向及指示設(shè)計

圖8　基于管匯的水下流量計模塊布置

3　結(jié)束語

水下流量計是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，對于流量的監(jiān)控和流動保障具有重要意義。在國外公司技術(shù)壟斷的局面下，通過技術(shù)創(chuàng)新，掌握水下流量計的設(shè)計核心技術(shù)對我國水下裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程具有重要推動作用。水下流量計的安裝與回收技術(shù)是水下流量計設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)，是水下流量計國產(chǎn)化必須攻克的技術(shù)難題。根據(jù)水下流量計的回收方式，可以將可回收式的水下流量計分為整體回收式和電子艙回收式2種，其具體的安裝和回收設(shè)計與流量計的實(shí)際應(yīng)用位置有關(guān)，對于安裝在水下采油樹、跨接管和管匯位置的流量計，其安裝和回收設(shè)計各不相同。因此，在進(jìn)行水下流量計設(shè)計時，宜采用模塊化設(shè)計的理念，將流量計核心計量部件和安裝回收模塊獨(dú)立開來，這樣才能保證在不同的位置進(jìn)行安裝和回收，流量計的核心計量部件不發(fā)生變化，提高水下流量計對不同應(yīng)用場景的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)：

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