國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)高壓艙測(cè)試技術(shù)

毛志豪，尹 豐，孫 欽，王 運(yùn)，王海兵，趙月前

1.中海石油（中國(guó)） 有限公司深圳分公司，廣東深圳 518064

2.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

3.海默科技（集團(tuán)） 股份有限公司，甘肅蘭州 730010

近年來(lái)，隨著我國(guó)海洋油氣工業(yè)的快速發(fā)展，油氣開(kāi)發(fā)工程逐漸由近海走向深海，同時(shí)水下生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步[1-2]。水下多相流量計(jì)作為一款重要的水下工程裝備，可以安裝在水下井口采油樹(shù)或水下管匯，實(shí)時(shí)在線測(cè)量單井油、氣、水的產(chǎn)量以及油氣比、含水率等重要信息，為油氣藏管理優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[3-4]，對(duì)水下油氣田開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)管理的全自動(dòng)化具有重要意義[5-7]。長(zhǎng)期以來(lái)，該產(chǎn)品都由Schlumberger/OneSubsea、FMC/MPM、Emerson/Roxar 等國(guó)外少數(shù)幾家大公司壟斷，抬高了我國(guó)海洋油氣開(kāi)發(fā)的成本并帶來(lái)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。目前，國(guó)內(nèi)海默科技（集團(tuán)）股份有限公司已成功研制出基于伽馬射線技術(shù)的水下多相流量計(jì)，并即將采用水下管匯安裝的方式應(yīng)用于南海某水下油田。

鑒于水下多相流量計(jì)設(shè)計(jì)壽命很長(zhǎng)（一般要求不少于20 年），且要適應(yīng)惡劣的水下環(huán)境，所以其可靠性和安全性是至關(guān)重要的[9-13]。模擬深水外壓的高壓艙試驗(yàn)作為一項(xiàng)重要的水下裝備測(cè)試試驗(yàn)，可以充分檢測(cè)和驗(yàn)證水下多相流量計(jì)的承壓能力及密封性能，而通過(guò)穿艙件進(jìn)行的帶電通訊測(cè)試又可以驗(yàn)證水下多相流量計(jì)通訊系統(tǒng)的可靠性。

目前國(guó)內(nèi)雖然已有針對(duì)水下閥門(mén)[9]、液壓連接器及水下采油樹(shù)關(guān)鍵部件進(jìn)行的高壓艙試驗(yàn)研究[10]，但并沒(méi)有專門(mén)針對(duì)水下多相流量計(jì)開(kāi)展的高壓艙試驗(yàn)研究及案例，缺乏可供指導(dǎo)的相應(yīng)試驗(yàn)方法。

本文通過(guò)研究相關(guān)國(guó)際規(guī)范[14-16]，結(jié)合對(duì)國(guó)外工程實(shí)踐的研究，提出了一套高壓艙模擬外壓試驗(yàn)流程，并按此流程完成了某國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)產(chǎn)品的高壓艙試驗(yàn)，為后續(xù)國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)的工程應(yīng)用及出廠測(cè)試奠定了基礎(chǔ)。

1 國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)

海默科技（集團(tuán)） 股份有限公司研制的國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)基于文丘里和伽馬射線技術(shù)進(jìn)行油氣水流量測(cè)量，其中用文丘里及具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的算法模型測(cè)量總流量，相分率（含氣率和含水率） 則使用雙能伽馬射線技術(shù)。伽馬射線是基于原子水平的測(cè)量技術(shù)，不受流體狀態(tài)（如乳化、油水轉(zhuǎn)相等） 的影響，其對(duì)應(yīng)的多相流量計(jì)產(chǎn)品目前應(yīng)用最為成熟，計(jì)量精度也最高，所以當(dāng)前國(guó)際主流的水下流量計(jì)一般都采用該技術(shù)進(jìn)行相分率測(cè)量。設(shè)備整體采用冗余設(shè)計(jì)，主要結(jié)構(gòu)包括本體（含內(nèi)置文丘里）、伽馬傳感器、溫度壓力變送器、差壓變送器、電子倉(cāng)等，如圖1 所示。

圖1 國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)

國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參考了API 17D、API 6A、API 17S 等規(guī)范，由挪威船級(jí)社（DNV GL） 作為獨(dú)立第三方完成了設(shè)計(jì)認(rèn)證，故障模式、影響及危害性分析（FMECA） 并見(jiàn)證一系列的型式試驗(yàn)。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 高壓艙試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

作為目前國(guó)際上唯一關(guān)于水下多相流量計(jì)的推薦標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，API 17S[16]的8.3.3 部分規(guī)定水下多相流量計(jì)的高壓艙試驗(yàn)應(yīng)遵照API 17D[14]規(guī)范（具體參考附錄L） 進(jìn)行，試驗(yàn)的壓力應(yīng)達(dá)到最大工作水深壓力的1.1 倍，并且介質(zhì)溫度應(yīng)符合與客戶共同確定的溫度范圍要求。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的泄漏量不應(yīng)超過(guò)API 6A[15]附錄F 中PR2 試驗(yàn)規(guī)定的驗(yàn)收準(zhǔn)則。同時(shí)API 17D 也建議，在試驗(yàn)結(jié)束后做一次至少15 min 的靜水壓試驗(yàn)。

在對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)解讀的基礎(chǔ)上，本文提出如下針對(duì)水下多相流量計(jì)的高壓艙測(cè)試建議：

（1） 本文研究的國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)不同于水下閥門(mén)等設(shè)備[9]，整個(gè)設(shè)備都沒(méi)有可動(dòng)部件，所以應(yīng)被視為靜態(tài)系統(tǒng)。

（2） 按要求高壓艙外壓試驗(yàn)壓力是項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作水深對(duì)應(yīng)壓力的1.1 倍。按規(guī)范要求要做3 次的內(nèi)壓加壓-泄壓循環(huán)，共計(jì)近1 h；但由于該國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)在裝配后已先后按規(guī)范完成了靜水壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了其承內(nèi)壓能力滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力要求，因此本文對(duì)水下多相流量計(jì)內(nèi)部不進(jìn)行打壓，而只通過(guò)高壓艙施加外部壓力來(lái)驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)在單純承受外部壓力的情況下的密封性。

（3） 為充分驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)水下流量計(jì)的耐外壓性能，本文提出先進(jìn)行3 次15 min 的外壓加壓-泄壓循環(huán)，然后進(jìn)行2 h 的連續(xù)外壓試驗(yàn)。

（4） 本試驗(yàn)參考API 17D 附錄L 的建議，在高壓艙試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)水下多相流量計(jì)進(jìn)行了1 倍設(shè)計(jì)壓力對(duì)應(yīng)的靜水壓試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

本文利用自制的高壓艙進(jìn)行了高壓艙模擬外壓試驗(yàn)。該系統(tǒng)如圖2 所示，包括高壓容器一臺(tái)、容器啟閉機(jī)構(gòu)一套（含液壓端蓋移動(dòng)機(jī)構(gòu)）、加壓系統(tǒng)一套、輔助氣源系統(tǒng)一套、深海攝像系統(tǒng)一套、電氣控制系統(tǒng)一套，主要通過(guò)電氣控制系統(tǒng)控制高壓容器的啟閉和增壓泄壓。試驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水下3 000 m 環(huán)境的模擬外壓試驗(yàn)，也可同步實(shí)現(xiàn)模擬外壓環(huán)境下艙內(nèi)設(shè)備電信號(hào)輸出及在線同步測(cè)量。高壓艙控制系統(tǒng)界面如圖3 所示。

圖2 高壓艙試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 高壓艙控制系統(tǒng)界面

4 測(cè)試流程

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作水深500 m，所以本次高壓艙試驗(yàn)的測(cè)試壓力為6 MPa（500 m 水深壓力的1.1倍）。測(cè)試一共進(jìn)行3 次15 min 的測(cè)試循環(huán)和1 次2 h 保壓階段。全程保持水下多相流量計(jì)的通訊連接并進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試。驗(yàn)收準(zhǔn)則：當(dāng)壓力穩(wěn)定后，保壓過(guò)程允許的最大壓降為5%。

試驗(yàn)程序如下：

（1） 按照流量計(jì)總裝圖安裝各零部件，將本體兩端用盲板法蘭封堵。

（2） 流量計(jì)裝配完畢后，對(duì)電子倉(cāng)充氮?dú)?；然后將流量?jì)安裝至高壓艙內(nèi)；關(guān)閉高壓艙，充滿潔凈水等待試驗(yàn)。

（3） 加壓至試驗(yàn)壓力（6 MPa），加壓速率不超過(guò)10 MPa/min。

（4） 待壓力穩(wěn)定后保壓15 min，記錄保壓開(kāi)始及保壓15 min 的壓降情況。

（5） 將壓力泄放至0.2 MPa 以下。

（6） 重復(fù)步驟（3） ～（5），進(jìn)行3 次循環(huán)。

（7） 加壓至試驗(yàn)壓力（6 MPa），加壓速率不超過(guò)10 MPa/min。

（8） 保壓15 min，觀察是否有泄漏。若在15 min 內(nèi)不能保持穩(wěn)定，停止測(cè)試并找出導(dǎo)致壓降的原因。

（9） 若壓力保持穩(wěn)定，則進(jìn)入保壓階段，保壓2 h，若壓降超出驗(yàn)收準(zhǔn)則，停止測(cè)試并找出壓降原因。

（10） 保壓完畢，釋放壓力，最大降壓速率不超過(guò)20 MPa/min。

試驗(yàn)結(jié)果記錄于高壓艙試驗(yàn)表中，壓力變化曲線如圖4 所示。

圖4 水下多相流量計(jì)高壓艙試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)過(guò)程中高壓艙內(nèi)部安裝的水下攝像頭進(jìn)行了全程監(jiān)控，如圖5 所示（2019 年8 月27 日的試驗(yàn)記錄）。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程中高壓艙內(nèi)部監(jiān)控

本試驗(yàn)參考API 17D 附錄L 的建議，在高壓艙試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行了設(shè)計(jì)壓力對(duì)應(yīng)的靜水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為35 MPa。試驗(yàn)過(guò)程中的壓力變化如圖6所示。

圖6 水下多相流量計(jì)靜水壓試驗(yàn)壓力變化曲線

高壓艙試驗(yàn)完成后，使用內(nèi)窺鏡對(duì)水下多相流量計(jì)電子倉(cāng)及本體進(jìn)行了內(nèi)窺檢查，未發(fā)現(xiàn)任何滲水現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本次水下多相流量計(jì)高壓艙試驗(yàn)由權(quán)威第三方挪威船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證。測(cè)試結(jié)論如下：

（1） 保壓期間無(wú)可見(jiàn)泄漏現(xiàn)象。

（2） 保壓15 min 的最大壓降為-0.01 MPa，符合要求。

（3） 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)水下多相流量計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行帶電通訊測(cè)試，各項(xiàng)信號(hào)正常。

（4） 試驗(yàn)結(jié)束后用內(nèi)窺鏡檢查水下多相流量計(jì)內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

（5） 試驗(yàn)后進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力的靜水壓試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

本次試驗(yàn)為國(guó)產(chǎn)水下多相流量計(jì)的首次高壓艙測(cè)試，全程嚴(yán)格按照API 相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，并由權(quán)威第三方挪威船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證，試驗(yàn)流程及結(jié)果被第三方充分認(rèn)可，這為國(guó)產(chǎn)水下工程裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的推進(jìn)摸索出一條可行的道路。