水下流量计工程化产品设计关键技术研究

水下流量计工程化产品设计关键技术研究

唐旋

哈尔滨石化公司   150001

摘要：我国的石油和天然气资源丰富，必须大规模开采。南海第一批深水气田建成灵水17-2号和立湾3-1号，加快浅水向深水过渡。在这一过程中，海底生产系统得到广泛利用，大大提高了石油和天然气开发的效率。目前，我国已确定了海底生产系统中的大多数关键设备类型，如海底流量计、海底阀门、海底控制模块等。其中水下流量计是一种实时在线测量水下油井油气水生产的设备，水下安装可以节约大量测试井和阀门等。它对于油气田的效率很重要。

关键词：水下流量计工程化；产品设计；关键技术；

引言

随着石油和天然气的开采从浅海向深海转移，开采方式正在逐步从平台开采模式(海上平台)转变为海底生产系统开采模式。但是，海上油气工程设备技术门槛较高，发展投资较大，各类设备长期以来被少数外资企业垄断，为了打破外资技术垄断，确保中国能源安全，它海底多相流量计是海底生产系统的一个组成部分，是一种非单独的在线测量仪器，通常安装在海底油气井或树木上，用于实时测量油气井的石油、天然气和水产量。

一、水下流量计研制和应用面临的挑战

（一）机械系统的可靠性

水下流量计安装在水下，必须承受室外海水的静压、管道介质压力和室内高温、温度和压力在多相流量计运行期间也可能发生变化，因此流量计必须具有机械强度海水和井眼对流量计的机械部件和接头也具有腐蚀性，因此材料和接头必须具有足够的耐蚀性。

（二）数据采集与处理系统的可靠性

在测量过程中，水下测深仪必须收集每个传感器的参数，并将采集到的信号完全下载到流量计算机上，流量计算机处理和计算数据，以获得油井产品的油、气和水含量。如果数据采集系统出现问题，交通计算机无法获得计算所需的准确原始数据。如果流量计算机发生故障，数据采集系统收集的数据不能转换为可用的生产数据，或者转换后的生产数据不能反映实际流量信息。所有这些都需要一整套硬件和软件的可靠性。因此，水下测深仪面临的真正挑战与其说是测量技术，不如说是整个生命周期的可靠性保证。在一个完整的海底多相流量测量系统中，各组成部分和系统相互关联，并存在直接影响海底流量计性能和功能完整性的任何问题。

二、国产水下多相流量计试验验证技术

(1)性能试验根据APISPEC6A-2010和GB/T22513-2013的要求，家庭水下多相流量计应进行静压试验、压力循环试验、大气压力试验、压力/温度循环试验。给出其性能试验的评价结果，跟踪国内海底多相流量计在压力滞留期间的压力泄漏情况。(2)整机研制调试完成后，应在第三方核查机构在场的情况下，在权威性多相流量测试电路中进行测量性能测试。测量给定气相液相速率范围内流量计的测量精度，并给出测量性能测试的分析结果。(3)水下多相流量计的环境应力滤波试验包括随机振动、温度循环、高温老化等要素。通过试验验证通信功能和性能是否符合试验要求。(4)iec tr 61000-4-1:2016(EMC)电磁兼容性测试-第4-1部分:测试测量技术-overviewofiec 61000-4系列和GD22-2015电子模型认证测试指南，用于评估水下多相流量计的电磁适应性(5)为验证海底多相流量计承受外部压力的能力是否符合设计要求，采用API6A、API17D、API17S、ISO10423:2009等标准对国内海底多相流量计进行高压舱试验。模拟深水外部压力的工作环境，以检查压力滞留期间泄漏和通信状态。(6)氦泄漏试验.流量计须进行氦泄漏试验。参照API17S、asmebpvc-v非破坏性试验等标准，检查流量计本体的气压泄漏率是否符合标准要求。

三、水下流量计工程化产品设计关键技术

（一）水下流量计数据通讯设计

RS485接口用于水下测深系统通信，通信协议为RTU。为了最大限度地提高设备的可靠性，水下测深仪通信系统采用冗馀物理结构，电子舱室由两个独立运行的数据采集单元组成，数据同时发送到水下控制模块，该模块随后上载测量数据海底测距仪电子室的数据收集单位不包括计算模块，只负责收集和下载原始数据，以尽量减少能源消耗和传输的数据量；水下测深仪上位机控制系统主要由人机界面和系统算法组成，负责测量计算和外部输出。为了确保海底流量计通信系统与水下控制模块之间的正常通信，业主通常要求海底流量计制造商提供一个具有海底流量计所有通信功能的通信模拟器，以便进行l-系统集成试验。

（二）水下流量计测试及第三方认证

根据目标工程气田的实际工作状态(包括单井流量、温度、压力、流体性质等)。应确定海底流量计的具体尺寸和材料要求，并应选择材料仪器、设计图纸、处理技术等。并制定质量控制计划(ITP)，在第三方证人在场的情况下对传入材料进行检查、处理和组装。为确保水下测深仪的可靠性，严格的第三方测试和认证是通过第三方测试和认证对水下多级测深仪的故障模式、影响和危险分析进行分析的关键环节，以确保产品更好地投入工程。目前，对水下生产系统的测试和认证进行了进一步研究，水下测深仪的测试技术很不发达。APIRP17S目前是海底测距仪领域唯一的API规范。它包含关于产品样式认证、工厂测试等方面的详细规定并广泛参考了海底流量计测试的API6A和API17D等规范。

（三）水下流量计机械连接方案

海底流量计的设计深度为1500米，设计压力为10000psi，即设备既要承受16MPa以上的海水外部压力，又要承受近70MPa的内部压力(静压试验是设计压力的1.5倍)整个装置完全用金属密封，并将非金属辅助接头添加到一些关键部位。

（四）FMECA分析

FMECA分析是一种从故障模式和影响分析(fma)、临界分析(CA)来评估系统可靠性的分析方法。目前，FMECA分析方法广泛应用于石油化工、石油和天然气设备等领域，以确定主要故障模式和影响，优化设计、操作和维护。家用水下测深仪进行的FMECA分析可查明设备的潜在风险，而无需分别考虑现有的控制措施，并可实现以下目标:①查明关键因素和故障模式；②评估现有的重要控制措施；③提出提高设备可靠性的设计改进和降低风险措施。FMECA将由一个权威的第三方挪威分类公司使用IEC60812分析方法进行，组件故障数据来自EMCRH和OREDA数据库，并使用风险矩阵进行关键评估。

结束语

由于水下工作环境复杂严格，水下流量计可靠性要求很高，需要对产品机械连接方案、压力损失计算、数据通信方案、产品测试等进行详细严格的设计。将工程项目的实际技术要求结合起来，交由第三方审查和认证。因此，在设计水下测深仪工程产品时应适用以下原则:

(1)合理的机械连接方案可确保水下测深仪在整个寿命周期内满足目标井测量精度要求，并避免整个过程的重大压力损失。

(2)适当的通信手段和冗馀物理结构确保流量计数据通信的可靠性。

(3)通过第三方核证机构审查和证明水下测深仪设计方案和工厂试验，有助于最大限度地查明潜在问题，及时纠正问题，及时制止损失。

参考文献

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