胡曉明 王海兵 石 磊 潘艷芝 張大為 趙月前 曹 曼

(1. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451； 2. 海默科技(集團(tuán))股份有限公司 甘肅蘭州 730070)

水下多相流量計是水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，可實時在線測量水下油氣單井的油、氣、水產(chǎn)量[1-4]，對于油氣藏生產(chǎn)優(yōu)化和流動安全保障具有重要意義。水下生產(chǎn)系統(tǒng)在整個生產(chǎn)周期內(nèi)都可能面臨計劃或非計劃關(guān)斷。水下多相流量工作環(huán)境外部為高壓低溫海水，內(nèi)部為高壓高溫流體。當(dāng)臨時關(guān)井時，內(nèi)外溫差會造成管道內(nèi)部熱量持續(xù)散失，如果不采取保溫措施，內(nèi)部流體的溫度急劇下降，可能導(dǎo)致原油結(jié)蠟或水合物生成，造成輸油管道堵塞，使后續(xù)作業(yè)風(fēng)險提高。而水下多相流量計多含有節(jié)流件，若其內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)蠟或水合物等，將無法采用清管球進(jìn)行清理。因此，基于油田開發(fā)方式、油田特性及油品參數(shù)等條件對水下多相流量計結(jié)構(gòu)進(jìn)行保溫設(shè)計，有利于提高其測量精度及整個設(shè)備的安全性、可靠性和使用壽命。

濕式保溫是目前主流的水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的保溫方式[5]，相應(yīng)的濕式保溫材料也得到了很大開發(fā)和廣泛應(yīng)用[6-8]。目前常用的水下設(shè)備及管道保溫的聚合物材料有擠壓聚丙烯、硫化橡膠、聚氨酯、環(huán)氧樹脂、復(fù)合泡沫塑料等，其中硅樹脂基復(fù)合泡沫是FMC公司于2002年開發(fā)的濕式保溫材料，具有密度低、耐高溫(溫度最高可達(dá)200余攝氏度)等特征[7]?！笆濉逼陂g，中國依托國家科技重大專項進(jìn)行了復(fù)合聚氨酯原材料的研發(fā)[9]，并在水下管匯樣機(jī)進(jìn)行了濕式保溫涂覆施工和海上測試[10]。為打破水下多相流量計長期被國外公司所壟斷的局面，中國在“十三五”期間開展了水下多相流量計的國產(chǎn)化研究[11-12]，并在流花油田實現(xiàn)了工程應(yīng)用[13-14]。

本文依托水下多相流量計國產(chǎn)化研究項目，基于所研發(fā)的水下多相流量計的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了水下多相流量計保溫效果分析模型，針對硅樹脂基復(fù)合泡沫材料對水下多相流量計濕式保溫效果進(jìn)行了仿真分析，并將保溫設(shè)計理論計算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了對比，進(jìn)一步驗證了采用硅樹脂基復(fù)合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料的適用性，最后論述了所研發(fā)的國產(chǎn)水下多相流量計的現(xiàn)場應(yīng)用情況，為水下多相流量計的保溫設(shè)計提供了參考。

1 水下多相流量計及保溫材料

本文所研究的國產(chǎn)水下多相流量計主要結(jié)構(gòu)包括源防護(hù)罩、本體(含保溫層)、溫壓傳感器、差壓傳感器、電子倉、電接頭等(圖 1)。

圖1 水下多相流量計整體結(jié)構(gòu)Fig .1 Structure of subsea multiphase flow meter

水下多相流量計的電子倉內(nèi)部元件有散熱要求，需與海水直接接觸散熱，故不能添加保溫涂層。另外，焊頸法蘭和源防護(hù)罩不與內(nèi)部流體直接接觸，為了確保不會因為外部環(huán)境溫度降低直接導(dǎo)致內(nèi)部工作流體溫度降低，因此將焊頸法蘭和源防護(hù)罩的側(cè)面加保溫涂層，而端面和緊固件部分不添加保溫涂層。因此，水下多相流量計的仿真分析及計算基于上述圖1黃色所示的涂層位置進(jìn)行。

本文所依托的目標(biāo)油氣田開發(fā)項目的保溫材料選用硅樹脂基復(fù)合泡沫，整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)施的保溫層厚度為50.8 mm。為與其他水下設(shè)施保持一致，水下多相流量計保溫材料選用硅樹脂基復(fù)合泡沫，保溫層厚度也取50.8 mm。表1為水下多相流量計保溫設(shè)計中所涉及的各種材料的熱力學(xué)參數(shù)。

表1 水下多相流量計保溫設(shè)計材料熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Thermodynamic parameters of materials used for insulation design of subsea multiphase flow meter

2 保溫效果仿真分析

2.1 仿真模型

為了反映停機(jī)后流量計內(nèi)部介質(zhì)溫度變化，選取水下多相流量計為分析模型，同時在本體外表面、溫壓傳感器、源側(cè)防護(hù)罩和電子倉焊頸法蘭圓周面處添加保溫材料。流量計外部海水溫度為7.9 ℃，流速為0.45 m/s，其對應(yīng)的熱對流系數(shù)為1.2×10-3W/(mm2·K)；內(nèi)部流道介質(zhì)最高溫度為110 ℃，最低溫度為77 ℃，為此按照介質(zhì)溫度的最高值和最低值2種工況分別進(jìn)行保溫效果的分析校核。形成水合物的臨界溫度為11 ℃，探頭適宜使用溫度應(yīng)不超過70 ℃，最大關(guān)井時間為5 h。根據(jù)上述要求，建立水下多相流量計保溫效果分析模型(圖2a，標(biāo)黃色部分為保溫區(qū))，采用自由網(wǎng)格劃分方式得到其網(wǎng)格模型(圖2b)。

圖2 水下多相流量計保溫效果分析模型Fig .2 Model for thermal insulation effect analysis of subsea multiphase flow meter

2.2 介質(zhì)最高溫度工況仿真分析

設(shè)置初始介質(zhì)溫度為110 ℃，海水溫度為7.9 ℃，在水體的外表面施加熱對流參數(shù)1.2×10-3W/(mm2·K)。經(jīng)過有限元分析，得到穩(wěn)態(tài)下及停機(jī)5 h時水下多相流量計溫度場分布，分別如圖 3、4所示。

從圖3c可以看出，水下多相流量計在正常工作狀態(tài)下，探頭最高溫度為64.9 ℃，發(fā)生在探頭端部靠近本體側(cè)；從圖4c可以看出，在停機(jī)5 h時，流量計內(nèi)部介質(zhì)溫度最小值為57.7 ℃，高于水合物形成的臨界溫度(11 ℃)?？梢钥闯?，流量計外表面相應(yīng)位置添加50.8 mm的硅樹脂基復(fù)合泡沫，在停機(jī)5 h內(nèi)不會形成水合物，滿足設(shè)計要求；從圖4d可以看出，在停機(jī)5 h時，探頭最高溫度為56.1 ℃，在探頭最高允許使用溫度范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖3 水下多相流量計穩(wěn)態(tài)下的溫度場分布(高溫工況)Fig .3 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter in steady state(high temperature condition)

圖4 水下多相流量計停機(jī)5 h時整體溫度場分布(高溫工況)Fig .4 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(high temperature condition)

2.3 介質(zhì)最低溫度工況仿真分析

設(shè)置初始介質(zhì)溫度為77 ℃，海水溫度為7.9 ℃，在水體的外表面施加熱對流參數(shù)1.2×10-3W/(mm2·K)。經(jīng)有限元分析，得到穩(wěn)態(tài)下及停機(jī)5 h時的溫度場分布，分別如圖 5、6所示。

從圖5c可以看出，水下多相流量計在正常工作狀態(tài)下，探頭最高溫度為46.5 ℃，發(fā)生在探頭端部靠近本體側(cè)；從圖6c 可以看出，在停機(jī)5 h時，流量計內(nèi)部介質(zhì)溫度最小值為41.8 ℃，高于水合物形成的臨界溫度(11 ℃)。因此，流量計外表面相應(yīng)位置添加50.8 mm的硅樹脂基復(fù)合泡沫，在停機(jī)5 h內(nèi)不會形成水合物，滿足設(shè)計要求；從圖6d 可以看出，在停機(jī)5 h時，探頭最高溫度為40.7 ℃，在探頭最高允許使用溫度范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

圖5 水下多相流量計穩(wěn)態(tài)下的溫度場分布(低溫工況)Fig .5 Temperature field distribution of subsea multiphase flow meter insulation design in steady state(low temperature condition)

圖6 水下多相流量計停機(jī)5 h時溫度場分布(低溫工況)Fig .6 Overall temperature distribution of subsea multiphase flow meter for 5 hours after shutdown(low temperature condition)

3 保溫層厚度理論計算及分析

材料的導(dǎo)熱系數(shù)可通過傅立葉方程式計算，即

(1)

(2)

式(1)、(2)中：Q為所傳遞的熱量，W；K為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；A為接觸面積，m2；ΔT為溫差，K；d為熱量傳遞距離，m；R為總熱阻值，(m2· K)/W。導(dǎo)熱系數(shù)作為材料本身的特性，同大小、形狀、厚度無關(guān)，只跟材料本身成分相關(guān)。

根據(jù)EN 673標(biāo)準(zhǔn)[15]，U值(評價材料在單位面積上允許熱量通過的能力，W/(m2·K))的計算式如下：

(3)

式(3)中：he、hi分別為外部、內(nèi)部介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；ht為總熱導(dǎo)率，W/(m2·K)，其計算式為

(4)

式(4)中：dj為材料層厚度， m；rj為各層材料的熱阻，(m·K)/W；M為材料層的數(shù)量，j表示材料所在層數(shù)，j=1，2，… ，M。

由于在水下環(huán)境中，流量計內(nèi)、外導(dǎo)熱系數(shù)(he、hi分別為油和水)較大。因此，在水下多相流量計傳熱系數(shù)計算時，U值的計算式可簡化為

(5)

本文所研究的水下多相流量計本體材料為F51，導(dǎo)熱系數(shù)K=16 W/(m·K)，計算時取中部最薄處，外徑260 mm，內(nèi)徑66 mm，可求得中部最薄處厚度d為97 mm。

由式(1)、(2)可得

(6)

將數(shù)據(jù)代入式(6)，可求得水下多相流量計本體總熱阻值R為0.006(m2·K)/W，將其代入式(5)即可求得流量計本體材料的U值為167 W/(m2·K)。

可以看出，金屬傳熱系數(shù)較大，同理傳感器殼體傳熱系數(shù)也很大，無法直接實現(xiàn)隔熱保溫效果，容易成為系統(tǒng)冷點(diǎn)。為避免水下多相流量計成為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的冷點(diǎn)，須添加一定厚度的隔熱涂層。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，要求水下多相流量計的U值不大于6 W/(m2·K)。

為驗證水下多相流量計保溫效果的仿真分析結(jié)果，進(jìn)一步對50.8 mm厚度的硅樹脂基復(fù)合泡沫所對應(yīng)的U值進(jìn)行計算。添加涂層后，設(shè)R1為涂層熱阻，R為本體熱阻，d1表示硅樹脂基復(fù)合泡沫的涂層厚度(即50.8 mm)，已知硅樹脂基復(fù)合泡沫材料的K值為0.167 W/(m·K)，則根據(jù)式(6)得到涂層熱阻R1為0.304(m2·K)/W。由前所述本體熱阻R為0.006(m2·K)/W，則水下多相流量計涂層熱阻和本體熱阻之和R總=R1+R=0.310 (m2·K)/W。將其代入式(5)，即可求得添加50.8 mm厚度的硅樹脂基復(fù)合泡沫作為水下多相流量計的保溫層后，流量計對應(yīng)的U值為3.26 W/(m2·K)，不高于6 W/(m2·K)，滿足水下多相流量計的保溫設(shè)計要求。

4 國產(chǎn)水下多相流量計現(xiàn)場應(yīng)用情況

本文研制的國產(chǎn)水下多相流量計最終應(yīng)用在流花21-2油田，與進(jìn)口的水下多相流量計并聯(lián)安裝在水下管匯上進(jìn)行倒井計量[14]。現(xiàn)場按照上述保溫設(shè)計方案，選用50.8 mm厚度的硅樹脂基復(fù)合泡沫對水下多相流量計進(jìn)行了保溫(圖7)。該設(shè)備已于2021年8月初完成投產(chǎn)調(diào)試，目前正在平穩(wěn)運(yùn)行中，測試結(jié)果與進(jìn)口水下多相流量計很接近，其中液量誤差與客戶預(yù)期差距小于3%。

圖7 國產(chǎn)水下多相流量計現(xiàn)場安裝圖Fig .7 Site installation drawing of domestic subsea multiphase flow meter

5 結(jié)論

1) 以硅樹脂基復(fù)合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料，其保溫涂層厚度選用水下生產(chǎn)系統(tǒng)常用的保溫層厚度(50.8 mm)，仿真分析結(jié)果表明：在內(nèi)部流道介質(zhì)最高溫度(110 ℃)和最低溫度(77 ℃)2種工況下，無論是穩(wěn)態(tài)還是停機(jī)5 h的情況下，水下多相流量計內(nèi)部介質(zhì)溫度均高于水合物形成的臨界溫度，伽馬探頭處的最高溫度在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。此外，通過理論計算，得出50.8 mm厚度的硅樹脂基復(fù)合泡沫材料對應(yīng)的U值為3.26 W/(m2·K)，也滿足水下多相流量計U值不大于6 W/(m2·K)的設(shè)計要求。

2) 目前所研制的國產(chǎn)水下多相流量計在油田現(xiàn)場運(yùn)行良好，也充分說明采用50.8mm厚度的硅樹脂基復(fù)合泡沫作為水下多相流量計濕式保溫材料的適用性。