水下流量计安装与回收技术初步研究

鞠朋朋，赵军林，潘艳芝，王海兵

水下流量计的安装回收技术是水下流量计设计过程中必须面对的难题。尽管水下流量计设计的初衷是在设计寿命周期内实现免维修，但从国内外实际应用的情况来看，要实现完全免维修是很难的。首先是水下环境的复杂性，流量计安装到水下后需要克服海水静压、介质内压以及高温带来的机械强度和密封性能上的考验，还要抵抗海水和介质腐蚀以及不可预见的突发情况（如地震、海啸等）。其次是流量计本身的复杂性。多相流的测量异常复杂，其技术难度之高至今仍是世界范围内科学界的难题。要实现多相流的测量，需要一套实时的数据采集系统来采集原始数据，然后将采集到的数据传送至流量计算机，由流量计算机对数据进行处理，转换成可用的生产数据，然后再将这些可用的数据上传至地面控制中心。整个过程还需要一套完整的机械系统和通讯控制系统来支撑。任何一个环节出现问题都会导致流量计无法正常工作。而流量计安装在几百甚至几千米的深水中，很难进行人工干预。因此，除了通过设计手段提高水下流量计的可靠性之外，水下流量计的回收以及回收以后的二次安装是水下流量计设计的一个重要环节和关键技术。

1　可回收式水下流量计的研究现状

早在1995年，国外就有水下流量计在水下管汇安装应用的报道，该流量计安装在一个独立的回收模块中，可在不中断生产的条件下实现回收[1]。1996年Framo可回收式水下流量计在澳大利亚East Spar项目实现了应用，该流量计为一个桶装结构，可实现整体回收[2]。到目前为止，国际上形成了以斯伦贝谢、艾默生、FMC为主的水下流量计供应格局，这3家公司占据了整个多相流量计90%以上的市场份额[3]。

目前国际上主要的回收方式有2种，一种是电子舱回收，即单独回收电子舱模块（SRC，Subsea Re⁃trievable Canister）；另一种是整体回收式，即将整个流量计模块集成到外部结构上（CBV，Choke Bridge Version）。电子模块可回收式流量计是一种将所有电子元件、通讯和控制系统集成到一个可回收的模块内，所有的元件及相应的接头都有充分冗余设计的水下流量计。在工作时，电子模块可以通过ROV快速接入整个流量计，而不需要专门的送入工具，也不需要关断流体或是停止整个采油过程，从而避免了因为回收更换模块时造成额外的花费。

整体模块式流量计CBV是一种将所有模块集成到一起，然后整体安装、整体回收的流量计[4]。该类型的水下流量计保留了同SRC类型相同的电子元件的冗余设计，但将电子模块固定安装在整个流量计装置上，回收时通过回收整个流量计来实现。此类型的多相流量计一般直接安装至管道或计量模块上，其安装和回收皆是通过管道或计量模块一并进行。

2　水下流量计的安装与回收技术

2.1　水下流量计的安装位置

水下流量计是水下流量计量的核心部件，其安装位置取决于具体的应用方式和水下生产设施的整体布局。水下流量计的安装位置大致可以分为采油树、管汇和跨接管3种，如图1所示。

图1　流量计安装位置

水下流量计的最佳安装位置与流量计的具体应用和设备尺寸有关。采用单井计量方式的流量计可以安装在采油树上、连接的跨接管上或邻近的管汇上进行连续测量。间断测量可以在管汇上通过选井计量来完成，此时由于一台流量计需要测量不同介质性质的多个油井，因此流量计需要包含多个油井的PVT数据。单井计量可以给出每口井的连续的生产数据，有利于油田的生产管理和优化，同时提高了整个计量系统的可靠性，但所需要的流量计数量较多，增加了油田开发的成本。选井计量方式成本较低，但无法获得单井的连续测量数据，且一旦流量计发生故障，与之相连的所有油井的计量都无法进行[5]。因此，具体采用哪种计量方式需要根据油田生产的实际需要和单台流量计的成本和可靠性而定。

对于选择水下流量计计量的油井，在水下生产设施布局中应考虑水下流量计或电子回收模块的安装和回收路径以及对应的机械和电气接口。对于安装在采油树和跨接管上的流量计而言，流量计回收可能只会影响局部生产，但是如果回收管汇单元，若没有旁通则可能需要关闭多口井，因此管汇安装的流量计一般需要考虑旁通设计，保证在流量计关停和启动状态下都能够满足最大产量的要求。

流量计上下游流体的流型和流向也是决定流量计安装位置时所要考虑的一个因素，这主要与流量计所采用的计量技术有关，如有的流量计需要考虑上下游直管段以保证稳定的流型，有的流量计的计量性能受到流体流向的影响，在设计流量计安装位置时应当有所考虑。此外，腐蚀和侵蚀作用、化学药剂注入点、管道规格、临近节流点等都有可能对流量计的计量性能产生影响，也是设计中需要考虑的因素。

2.2　基于采油树的安装与回收

一般而言，安装至采油树的水下流量计都有其专用的配套设施，通常与采油树的油嘴组合在一起，形成采油树的流量控制模块。另外，流量计可以连接到节流阀上，同水下节流阀一起安装回收。基于核心计量部件，可以设计相应的安装接口，同水下节流阀安装在一起，转接至采油树对应安装位置，实现通过ROV进行水下的安装及回收操作（图2）。

图2　基于采油树的水下流量计安装和回收模块

如图2所示，将流量计模块通过法兰连接的方式固定安装至节流阀整体装配上形成流量控制模块，通过节流阀连接器与采油树相连。流量控制模块上一般对应有ROV操作手柄、操作接口等，以满足水下操作的要求。导向筒和导向柱设计用于流量计在安装过程中实现与采油树的准确对接。在安装时，通过吊耳将流量计下放至水下安装位置附近，通过ROV操作手柄调整流量计的位置，使导向筒与导向柱对接。安装工具具有缓冲装置，可以保护流量控制模块不受大的冲击，待流量控制单元与采油树精准对接，即可操作ROV接口实现锁紧。回收时设置两端隔离后，通过ROV操作实现解锁，如图3所示。

图3　基于采油树的水下流量计模块布置

采用这种设计时，流量计厂商需要与采油树厂商进行有效的技术沟通，进行联合设计，保证流量计连接接口及空间位置相匹配。

2.3　基于跨接管的安装与回收

当采油树没有可以回收的油嘴模块，或是节流阀等相应结构不允许相应布置时，水下流量计可以安装在采油树同管汇连接的跨接管上。

如图4所示，位于跨接管的流量计可以在跨接管制造和初安装时采用法兰进行连接，将流量计模块和跨接管一起下放安装和回收。法兰连接的流量计接口可以简化拆卸和重装，也可以采用焊接的方式，将流量计直接焊接在跨接管上以减轻跨接管的重量。但由于跨接管的安装回收需要吊装能力较大的支持船，并可能导致其他一些问题，所以一般在跨接管上的流量计出现问题，基本就会弃置而不进行维护。由于水下流量计电子模块出现故障的概率比较大，若采取这种方式进行安装回收，一般会设计电子模块可回收的结构，将流量计上容易发生失效的复杂结构都集成在可回收模块中，而固定安装的部分则应该尽量简化，以提高整个装置的可靠性。

2.4　基于管汇的安装与回收

采用管汇安装的方式需要针对流量计模块设计对应的模块送入工具、导向定位设备、软着陆工具、过载工具以及其他配套工具来满足流量计安装和回收的要求。在流量计模块外部设计一个整体的配套安装工具，并提供ROV操作的接口和水下的连接器部分，如图5所示。送入工具可以通过ROV进行操作和控制，一般部署在修井船和钻探设备上，含有软着陆系统和解锁、锁紧装置，通过操作ROV接口，可以实现水下流量计底部连接器与固定安装在管汇上的连接接口的锁紧和解锁。当流量计解锁出现故障时，可以通过过载工具进行紧急解锁，以保证流量计解锁装置卡死的情况下，能够实现紧急回收。

图4　基于跨接管的流量计模块安装回收方式

图5　基于管汇的水下流量计安装与回收模块

同时在管汇上设计对应的水下安装所需连接结构、导向及指示设计、模块布置等，如图6、图7、图8所示，通过专门的工具实现流量计模块的独立整体安装和回收。其中，连接结构与流量计下部的连接器相连，导向结构用于流量计下放安装过程中的导向与定位，通过指示设计可以确认流量计定位是否精准，以及解锁和锁紧操作是否完成。

图6　基于管汇的水下流量计模块对接结构

图7　基于管汇的水下流量计安装导向及指示设计

图8　基于管汇的水下流量计模块布置

3　结束语

水下流量计是水下生产系统的重要组成部分，对于流量的监控和流动保障具有重要意义。在国外公司技术垄断的局面下，通过技术创新，掌握水下流量计的设计核心技术对我国水下装备的国产化进程具有重要推动作用。水下流量计的安装与回收技术是水下流量计设计过程中的关键技术，是水下流量计国产化必须攻克的技术难题。根据水下流量计的回收方式，可以将可回收式的水下流量计分为整体回收式和电子舱回收式2种，其具体的安装和回收设计与流量计的实际应用位置有关，对于安装在水下采油树、跨接管和管汇位置的流量计，其安装和回收设计各不相同。因此，在进行水下流量计设计时，宜采用模块化设计的理念，将流量计核心计量部件和安装回收模块独立开来，这样才能保证在不同的位置进行安装和回收，流量计的核心计量部件不发生变化，提高水下流量计对不同应用场景的适应性。

参考文献：

[1]Elde J.Multiphase Pumps and Flow Meters Avoid Platform Construction[J].Petroleum Engineer International,1999:72.

[2]雷镇嘉,刘敦利,许德福.新疆区域内液体流量标准装置计量能力评价[J].石油工业技术监督,2017,33(5):55-57.

[3]张汝彬,蔡 哲,王乃民,等.基于分相技术的油气计量系统探讨[J].中国高新技术企业,2011(7):42-43.

[4]刘太元,郭 宏,郑利军,等.水下多相流量计在深水油气田开发工程中的应用研究[J].中国工程科学,2012,14(11):69-74.

[5]Recommended Practice for the Design,Testing and Operation of Subsea Multiphase Flow Meters:APIRP 17S 2015[S].