國產水下多相流量計高壓艙測試技術

毛志豪，尹 豐，孫 欽，王 運，王海兵，趙月前

1.中海石油（中國） 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任公司，北京 100028

3.海默科技（集團） 股份有限公司，甘肅蘭州 730010

近年來，隨著我國海洋油氣工業的快速發展，油氣開發工程逐漸由近海走向深海，同時水下生產系統及設備的國產化研發也取得了長足進步[1-2]。水下多相流量計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或水下管匯，實時在線測量單井油、氣、水的產量以及油氣比、含水率等重要信息，為油氣藏管理優化提供基礎數據[3-4]，對水下油氣田開發及生產管理的全自動化具有重要意義[5-7]。長期以來，該產品都由Schlumberger/OneSubsea、FMC/MPM、Emerson/Roxar 等國外少數幾家大公司壟斷，抬高了我國海洋油氣開發的成本并帶來潛在的風險。目前，國內海默科技（集團）股份有限公司已成功研制出基于伽馬射線技術的水下多相流量計，并即將采用水下管匯安裝的方式應用于南海某水下油田。

鑒于水下多相流量計設計壽命很長（一般要求不少于20 年），且要適應惡劣的水下環境，所以其可靠性和安全性是至關重要的[9-13]。模擬深水外壓的高壓艙試驗作為一項重要的水下裝備測試試驗，可以充分檢測和驗證水下多相流量計的承壓能力及密封性能，而通過穿艙件進行的帶電通訊測試又可以驗證水下多相流量計通訊系統的可靠性。

目前國內雖然已有針對水下閥門[9]、液壓連接器及水下采油樹關鍵部件進行的高壓艙試驗研究[10]，但并沒有專門針對水下多相流量計開展的高壓艙試驗研究及案例，缺乏可供指導的相應試驗方法。

本文通過研究相關國際規范[14-16]，結合對國外工程實踐的研究，提出了一套高壓艙模擬外壓試驗流程，并按此流程完成了某國產水下多相流量計產品的高壓艙試驗，為后續國產水下多相流量計的工程應用及出廠測試奠定了基礎。

1 國產水下多相流量計

海默科技（集團） 股份有限公司研制的國產水下多相流量計基于文丘里和伽馬射線技術進行油氣水流量測量，其中用文丘里及具有自主知識產權的算法模型測量總流量，相分率（含氣率和含水率） 則使用雙能伽馬射線技術。伽馬射線是基于原子水平的測量技術，不受流體狀態（如乳化、油水轉相等） 的影響，其對應的多相流量計產品目前應用最為成熟，計量精度也最高，所以當前國際主流的水下流量計一般都采用該技術進行相分率測量。設備整體采用冗余設計，主要結構包括本體（含內置文丘里）、伽馬傳感器、溫度壓力變送器、差壓變送器、電子倉等，如圖1 所示。

圖1 國產水下多相流量計

國產水下多相流量計產品設計參考了API 17D、API 6A、API 17S 等規范，由挪威船級社（DNV GL） 作為獨立第三方完成了設計認證，故障模式、影響及危害性分析（FMECA） 并見證一系列的型式試驗。該產品的設計參數見表1。

表1 國產水下多相流量計主要設計參數

2 高壓艙試驗的相關標準

作為目前國際上唯一關于水下多相流量計的推薦標準規范，API 17S[16]的8.3.3 部分規定水下多相流量計的高壓艙試驗應遵照API 17D[14]規范（具體參考附錄L） 進行，試驗的壓力應達到最大工作水深壓力的1.1 倍，并且介質溫度應符合與客戶共同確定的溫度范圍要求。整個試驗過程的泄漏量不應超過API 6A[15]附錄F 中PR2 試驗規定的驗收準則。同時API 17D 也建議，在試驗結束后做一次至少15 min 的靜水壓試驗。

在對上述標準解讀的基礎上，本文提出如下針對水下多相流量計的高壓艙測試建議：

（1） 本文研究的國產水下多相流量計不同于水下閥門等設備[9]，整個設備都沒有可動部件，所以應被視為靜態系統。

（2） 按要求高壓艙外壓試驗壓力是項目設計工作水深對應壓力的1.1 倍。按規范要求要做3 次的內壓加壓-泄壓循環，共計近1 h；但由于該國產水下多相流量計在裝配后已先后按規范完成了靜水壓試驗和氣壓試驗，驗證了其承內壓能力滿足項目設計壓力要求，因此本文對水下多相流量計內部不進行打壓，而只通過高壓艙施加外部壓力來驗證國產水下多相流量計在單純承受外部壓力的情況下的密封性。

（3） 為充分驗證國產水下流量計的耐外壓性能，本文提出先進行3 次15 min 的外壓加壓-泄壓循環，然后進行2 h 的連續外壓試驗。

（4） 本試驗參考API 17D 附錄L 的建議，在高壓艙試驗結束后，對水下多相流量計進行了1 倍設計壓力對應的靜水壓試驗。

3 試驗系統結構及功能

本文利用自制的高壓艙進行了高壓艙模擬外壓試驗。該系統如圖2 所示，包括高壓容器一臺、容器啟閉機構一套（含液壓端蓋移動機構）、加壓系統一套、輔助氣源系統一套、深海攝像系統一套、電氣控制系統一套，主要通過電氣控制系統控制高壓容器的啟閉和增壓泄壓。試驗系統可實現水下3 000 m 環境的模擬外壓試驗，也可同步實現模擬外壓環境下艙內設備電信號輸出及在線同步測量。高壓艙控制系統界面如圖3 所示。

圖2 高壓艙試驗系統

圖3 高壓艙控制系統界面

4 測試流程

本項目設計工作水深500 m，所以本次高壓艙試驗的測試壓力為6 MPa（500 m 水深壓力的1.1倍）。測試一共進行3 次15 min 的測試循環和1 次2 h 保壓階段。全程保持水下多相流量計的通訊連接并進行實時測試。驗收準則：當壓力穩定后，保壓過程允許的最大壓降為5%。

試驗程序如下：

（1） 按照流量計總裝圖安裝各零部件，將本體兩端用盲板法蘭封堵。

（2） 流量計裝配完畢后，對電子倉充氮氣；然后將流量計安裝至高壓艙內；關閉高壓艙，充滿潔凈水等待試驗。

（3） 加壓至試驗壓力（6 MPa），加壓速率不超過10 MPa/min。

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

（5） 將壓力泄放至0.2 MPa 以下。

（6） 重復步驟（3） ～（5），進行3 次循環。

（7） 加壓至試驗壓力（6 MPa），加壓速率不超過10 MPa/min。

（8） 保壓15 min，觀察是否有泄漏。若在15 min 內不能保持穩定，停止測試并找出導致壓降的原因。

（9） 若壓力保持穩定，則進入保壓階段，保壓2 h，若壓降超出驗收準則，停止測試并找出壓降原因。

（10） 保壓完畢，釋放壓力，最大降壓速率不超過20 MPa/min。

試驗結果記錄于高壓艙試驗表中，壓力變化曲線如圖4 所示。

圖4 水下多相流量計高壓艙試驗曲線

試驗過程中高壓艙內部安裝的水下攝像頭進行了全程監控，如圖5 所示（2019 年8 月27 日的試驗記錄）。

圖5 試驗過程中高壓艙內部監控

本試驗參考API 17D 附錄L 的建議，在高壓艙試驗結束后，進行了設計壓力對應的靜水壓試驗，試驗壓力為35 MPa。試驗過程中的壓力變化如圖6所示。

圖6 水下多相流量計靜水壓試驗壓力變化曲線

高壓艙試驗完成后，使用內窺鏡對水下多相流量計電子倉及本體進行了內窺檢查，未發現任何滲水現象。

5 結論

本次水下多相流量計高壓艙試驗由權威第三方挪威船級社現場見證。測試結論如下：

（1） 保壓期間無可見泄漏現象。

（2） 保壓15 min 的最大壓降為-0.01 MPa，符合要求。

（3） 整個試驗過程中，對水下多相流量計產品進行帶電通訊測試，各項信號正常。

（4） 試驗結束后用內窺鏡檢查水下多相流量計內部，未發現滲水現象。

（5） 試驗后進行設計壓力的靜水壓試驗，未發現泄漏現象。

本次試驗為國產水下多相流量計的首次高壓艙測試，全程嚴格按照API 相關規范進行，并由權威第三方挪威船級社現場見證，試驗流程及結果被第三方充分認可，這為國產水下工程裝備國產化進程的推進摸索出一條可行的道路。