水下流量計(jì)安裝與回收技術(shù)原理說明
1、可回收式水下流量計(jì)的研究現(xiàn)狀：
早在1995年, 國外就有水下流量計(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 Retrievable 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***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***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)我國水下裝備的國產(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。