水下流量計(jì)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(jì)的安裝回收技術(shù)是水下流量計(jì)設(shè)計(jì)過程中必須面對(duì)的難題。盡管水下流量計(jì)設(shè)計(jì)的初衷是在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)免維修，但從國(guó)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(jì)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(jì)本身的復(fù)雜性。多相流的測(cè)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(cè)量，需要一套實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)，由流量計(jì)算機(jī)對(duì)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(gè)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(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)導(dǎo)致流量計(jì)無法正常工作。而流量計(jì)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(jì)手段提高水下流量計(jì)的可靠性之外，水下流量計(jì)的回收以及回收以后的二次安裝是水下流量計(jì)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)。

1　可回收式水下流量計(jì)的研究現(xiàn)狀

早在1995年，國(guó)外就有水下流量計(jì)在水下管匯安裝應(yīng)用的報(bào)道，該流量計(jì)安裝在一個(gè)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(jì)在澳大利亞East Spar項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，該流量計(jì)為一個(gè)桶裝結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)整體回收[2]。到目前為止，國(guó)際上形成了以斯倫貝謝、艾默生、FMC為主的水下流量計(jì)供應(yīng)格局，這3家公司占據(jù)了整個(gè)多相流量計(jì)90%以上的市場(chǎng)份額[3]。

目前國(guó)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(gè)流量計(jì)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(jì)是一種將所有電子元件、通訊和控制系統(tǒng)集成到一個(gè)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(jì)的水下流量計(jì)。在工作時(shí)，電子模塊可以通過ROV快速接入整個(gè)流量計(jì)，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(gè)采油過程，從而避免了因?yàn)榛厥崭鼡Q模塊時(shí)造成額外的花費(fèi)。

整體模塊式流量計(jì)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(jì)[4]。該類型的水下流量計(jì)保留了同SRC類型相同的電子元件的冗余設(shè)計(jì)，但將電子模塊固定安裝在整個(gè)流量計(jì)裝置上，回收時(shí)通過回收整個(gè)流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)。此類型的多相流量計(jì)一般直接安裝至管道或計(jì)量模塊上，其安裝和回收皆是通過管道或計(jì)量模塊一并進(jìn)行。

2　水下流量計(jì)的安裝與回收技術(shù)

2.1　水下流量計(jì)的安裝位置

水下流量計(jì)是水下流量計(jì)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(jì)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(jì)安裝位置

水下流量計(jì)的最佳安裝位置與流量計(jì)的具體應(yīng)用和設(shè)備尺寸有關(guān)。采用單井計(jì)量方式的流量計(jì)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(cè)量。間斷測(cè)量可以在管匯上通過選井計(jì)量來完成，此時(shí)由于一臺(tái)流量計(jì)需要測(cè)量不同介質(zhì)性質(zhì)的多個(gè)油井，因此流量計(jì)需要包含多個(gè)油井的PVT數(shù)據(jù)。單井計(jì)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(shí)提高了整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)的可靠性，但所需要的流量計(jì)數(shù)量較多，增加了油田開發(fā)的成本。選井計(jì)量方式成本較低，但無法獲得單井的連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)，且一旦流量計(jì)發(fā)生故障，與之相連的所有油井的計(jì)量都無法進(jìn)行[5]。因此，具體采用哪種計(jì)量方式需要根據(jù)油田生產(chǎn)的實(shí)際需要和單臺(tái)流量計(jì)的成本和可靠性而定。

對(duì)于選擇水下流量計(jì)計(jì)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(jì)或電子回收模塊的安裝和回收路徑以及對(duì)應(yīng)的機(jī)械和電氣接口。對(duì)于安裝在采油樹和跨接管上的流量計(jì)而言，流量計(jì)回收可能只會(huì)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(jì)一般需要考慮旁通設(shè)計(jì)，保證在流量計(jì)關(guān)停和啟動(dòng)狀態(tài)下都能夠滿足最大產(chǎn)量的要求。

流量計(jì)上下游流體的流型和流向也是決定流量計(jì)安裝位置時(shí)所要考慮的一個(gè)因素，這主要與流量計(jì)所采用的計(jì)量技術(shù)有關(guān)，如有的流量計(jì)需要考慮上下游直管段以保證穩(wěn)定的流型，有的流量計(jì)的計(jì)量性能受到流體流向的影響，在設(shè)計(jì)流量計(jì)安裝位置時(shí)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(duì)流量計(jì)的計(jì)量性能產(chǎn)生影響，也是設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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?jì)量部件，可以設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)安裝和回收模塊

如圖2所示，將流量計(jì)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(duì)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(jì)用于流量計(jì)在安裝過程中實(shí)現(xiàn)與采油樹的準(zhǔn)確對(duì)接。在安裝時(shí)，通過吊耳將流量計(jì)下放至水下安裝位置附近，通過ROV操作手柄調(diào)整流量計(jì)的位置，使導(dǎo)向筒與導(dǎo)向柱對(duì)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(duì)接，即可操作ROV接口實(shí)現(xiàn)鎖緊?；厥諘r(shí)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(jì)模塊布置

采用這種設(shè)計(jì)時(shí)，流量計(jì)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(jì)，保證流量計(jì)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(shí)，水下流量計(jì)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(jì)可以在跨接管制造和初安裝時(shí)采用法蘭進(jìn)行連接，將流量計(jì)模塊和跨接管一起下放安裝和回收。法蘭連接的流量計(jì)接口可以簡(jiǎn)化拆卸和重裝，也可以采用焊接的方式，將流量計(jì)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(jì)出現(xiàn)問題，基本就會(huì)棄置而不進(jìn)行維護(hù)。由于水下流量計(jì)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(huì)設(shè)計(jì)電子模塊可回收的結(jié)構(gòu)，將流量計(jì)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(jiǎn)化，以提高整個(gè)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(duì)流量計(jì)模塊設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)安裝和回收的要求。在流量計(jì)模塊外部設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)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(jì)解鎖出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過過載工具進(jìn)行緊急解鎖，以保證流量計(jì)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(jì)模塊安裝回收方式

圖5　基于管匯的水下流量計(jì)安裝與回收模塊

同時(shí)在管匯上設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的水下安裝所需連接結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向及指示設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)下部的連接器相連，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)用于流量計(jì)下放安裝過程中的導(dǎo)向與定位，通過指示設(shè)計(jì)可以確認(rèn)流量計(jì)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(jì)模塊對(duì)接結(jié)構(gòu)

圖7　基于管匯的水下流量計(jì)安裝導(dǎo)向及指示設(shè)計(jì)

圖8　基于管匯的水下流量計(jì)模塊布置

3　結(jié)束語

水下流量計(jì)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于流量的監(jiān)控和流動(dòng)保障具有重要意義。在國(guó)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(jì)的設(shè)計(jì)核心技術(shù)對(duì)我國(guó)水下裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程具有重要推動(dòng)作用。水下流量計(jì)的安裝與回收技術(shù)是水下流量計(jì)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，是水下流量計(jì)國(guó)產(chǎn)化必須攻克的技術(shù)難題。根據(jù)水下流量計(jì)的回收方式，可以將可回收式的水下流量計(jì)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(jì)與流量計(jì)的實(shí)際應(yīng)用位置有關(guān)，對(duì)于安裝在水下采油樹、跨接管和管匯位置的流量計(jì)，其安裝和回收設(shè)計(jì)各不相同。因此，在進(jìn)行水下流量計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)，宜采用模塊化設(shè)計(jì)的理念，將流量計(jì)核心計(jì)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(jì)的核心計(jì)量部件不發(fā)生變化，提高水下流量計(jì)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性。

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