CN102947537B - 用于海底生产***控制的***和方法 - Google Patents
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Abstract
一种控制测试***使用海底数据中继器来建立表面生产***部件和表面定位的控制器之间的闭环。控制测试***可用于通过表面定位的控制器对海底生产***的全部所需处理部件进行操作控制。
Description
相关申请
本申请要求于2010年4月8日提交的美国临时专利申请61/322,203的利益。
技术领域
背景技术
该部分提供了背景信息以便于更好地理解本发明的各个方案。应当理解的是，据此来阅读该文档该部分的陈述，而不作为现有技术的供认。
本发明总体涉及用于控制海底生产操作的装置和方法，尤其涉及用于通过表面定位控制器来控制和监控海底生产***装置的集成控制测试***。
电力是操作与海底生产***相关联的各种部件(例如，装置和***)所必需的。例如，生产井通常需要电力来操作位于井中和/或井口处的传感器、布置在井中的电动潜水泵(“ESP”)以及位于井中和流线中的阀和/或执行器。使用于将生产流体(例如，油、水和/或气体)从井或海底处理***中泵送到位于水面或陆上的远侧表面设施的升压泵或压缩机运转也需要电力。高的电力需求、恶劣的环境条件以及通常必须对电力进行限制的长距离通常限制了能够高效输送的电量。
发明概述
根据本发明的一个或多个方案的海底生产***包括：部署在海底的多个泵；部署在海底的数据中继器；基于处理器的控制器，其位于表面处，表面的所述控制器通过海底数据中继器可操作地连接至多个泵以控制多个泵的运转。在一个实施方案中，多个泵包括井内泵和海底升压泵。
根据本发明的一个或多个方案的用于控制海底生产***的操作的方法包括：通过表面控制器控制海底生产***的海底操作；以及接收来自海底生产***的位于表面控制器处的反馈环数据。根据一个实施方案，所述控制包括：将来自表面控制器的控制信号发送至海底数据中继器，然后发发送至海底生产***。
通过表面主设施来操作海底生产***的方法的实施方案，所述海底生产***包括多个海底泵，所述表面主设施具有表面控制器和电源，所述方法包括：通过海底分配中继器在所述表面控制器和多个海底泵之间建立闭环控制；通过表面控制器控制多个海底泵；将来自表面主设施的高压输入供给到海底分配中继器；将海底分配中继器处的高压输入逐渐降低至电压输出；以及将电压输出供给至多个海底泵。
为了更好地理解随后的发明详述，前面已经概括了本发明的一些特征和技术优势。下面将对本发明的附加特征和优势进行说明，这些附加特征和优势形成了本发明权利要求的主旨。
附图说明
通过结合附图阅读下面的发明详述，可以最佳地理解本公开。需要强调的是，依照工业标准惯例，各个特征不是按标度绘制的。事实上，为了清晰讨论的目的，各个特征的尺寸可以任意扩大或缩小。
图1是根据本发明的一个或多个方案的用于海底生产***的集成控制***的实施方案的示意图解。
图2是布置有海底配电中继器的根据本发明的一个或多个方案的海底数据中继器的示意图解。
图3是用于海底生产***的集成控制***的另一实施方案的示意图。
发明详述
应当理解的是，下面的公开提供了用于实现各个实施方案的不同特征的多种不同的实施方案或实施例。下面将对部件和布置的具体实施例进行说明以简化公开。当然，这些仅为实施例，而不意在限制。另外，在各个实施例中公开可以重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清晰的目的，而本文并不规定所讨论的各个实施方案和/或配置之间的关系。而且，在随后的说明书中第一特征形成在第二特征上方或上面可以包括第一特征和第二特征形成为直接接触的实施方案，并且还可以包括可以形成介于第一和第二特征之间以使第一和第二特征可以不直接接触的附加特征的实施方案。
图1是根据本发明的一个或多个方案的用于海底生产***的集成控制***的实施方案的示意图解。所描述的海底生产***通常包括附图标记8表示，包括海底生产井12、生产汇聚歧管15、喷射井13、处理单元14(例如，分离器、聚结器等)、升压泵16和喷射泵18。井12和13钻入海床24以下的水下地层中。完井12和13中的每个通常均包括以一个或多个传感器(例如，计量器)、仪器设备和表面(例如，井口，树木)阀。井12和13还可以包括地下阀和井内泵(例如，电动潜水泵)。生产井12通过流线20与表面主设施22流体连通。在所述的实施方案中，流线20在地板阀28处连接至表面主设施22。升压泵16通常与生产井12(例如，井内泵56)流体连接，以通过将来自井12的生产流体泵送到表面主设施22的附加开拓巷道。
表面主设施22位于表面位置26(例如，陆地、水面)处，表面位置26可位于距生产设施部件的海床24位置的延伸距离(例如，扩边距离)处。例如，距表面主设施22的扩边距离可以为用于AC电流传输的10至150km或更大以及用于DC电力传输的300km。在图1中，表面主设施22被描述为位于水面处的船舶(例如，船舰、油槽船、平台等)。在一些实施方案中，表面主设施22可位于陆地上。
通常由附图标记10表示的集成海底控制***适于经由表面控制器32进行设施生产和/或储器管理。集成海底控制***8可以在海底生产***8的限制内集成所有所需部件。例如，海底生产***8的限制可以从海底井12、13的井内完井延伸到表面主设施22的地板阀。根据至少一个实施方案，控制***10包括电源30、位于表面主设施22处的基于处理器的控制器32(例如，可编程逻辑控制器)以及与海底生产***8的部件紧邻的位于海底(例如，海床24)的配电中继器34。配电中继器34通过控制管缆36与表面电源30和表面控制器32可操作地连接。控制管缆36可以包括用于在表面主设施22和海底分配中继器34之间传输电力和数据的一个或多个导线(例如，电线、光纤等)。控制管缆36可以通过例如湿配式连接器连接至海底分配中继器34。海底分配中继器34通过跨接线38(例如，控制管缆、缆线、管线、导线、光纤)与耗电件(例如，地下的泵、传感器、阀、执行器、加热器等)可操作地连接。跨接线38可以包括电力导线和/或数据导线。
图2是根据本发明的一个或多个方案的集成配电网络的海底配电中继器34的示意图解。控制管缆36将海底配电中继器34连接至表面主设施22的表面电源30和表面控制器32。在所述的实施方案中，控制管缆36包括输送来自电源30的电力的一个或多个电导线40。例如，高压(例如，大于22,000VAC)可以从表面主设施22输送到海底配电中继器34以使导线截面和输送损耗最小化。根据本发明的一个或多个方案，控制管缆36包括一个或多个专用数据导线42(例如，I电线，电缆，管线，光纤等)，专用数据导线42将来自表面控制器32的输出控制信号(即，数据)传送到海底配电中继器34(例如，海底数据中继器41)，然后传送到海底生产***8的各个耗电件(例如，泵、传感器、阀、执行器等)，并且将在海底配电中继器34处接收到的输入数据传送到表面控制器32。
在图2所示的实施方案中，海底配电中继器34包括海底数据中继器41，海底数据中继器41适于接收从海底生产***8的部件收集到的输入数据，所述输入数据包括生产***参数，诸如井12、13的状况(例如，压力、温度、流量、砂产量、流体相组成、结垢等)、海床泵16、18的参数(例如，压力、温度、电流、流量等)、生产单元14的状况(例如，共振时间、压力、温度、电流、输入和输出流体相组成、输入和输出流量等)，以及流线状况(例如，压力、温度、水合物形成、流量、温度等)。输入数据(即，生产***参数)从海底生产***8的部件经由跨接线38在海底数据中继器41处接收到。来自各个海底生产***8的部件的输入数据在海底数据中继器41处合并并且经由控制管缆36中的一个或多个专用数据导线42传送到表面主设施22和表面控制器32。
表面控制器32可以使用输入数据对各个海底生产***部件进行闭环控制，各个海底生产***部件包括但不限于井内泵(例如，电动潜水泵(“ESP”))、海床泵(例如，升压泵16、喷射泵18)以及处理单元14。表面主设施22，即控制器32，可用于平衡例如海底生产***8的部件之间的电力分配。根据本发明的一个实施方案，***10通过在表面控制器32处合并来自海底生产***8的所有感应输入数据而有利于安全、可靠且最优化的海底生产。基于处理器的表面控制器32可以链接至远程交互监控诊断***，例如，用于海底生产***8的部件和/或生产参数的状况监控。
根据至少一个实施方案，高压(例如，22,000VAC以上)经过控制管缆36从主设施22输送到海底配电中继器34。海底配电中继器34随后将电力逐渐降低并且通过一个或多个电路(例如，输出)将电力分配给海底生产***8的各个耗电件。例如，在所述的实施方案中，海底配电中继器34提供中级电压输出44(例如，3000-7000VAC)、低压输出46(例如，110-700VAC)和DC电输出48。
在所述的实施方案中，被分类为中级电压的海底生产***8的部件与例如变压器50和变速驱动器52(例如，变频器)的中级电压输出44电路可操作连接。中级电压装置的实施例包括但不限于泵(例如，井内电动潜水泵、升压泵和喷射泵)、压缩机和流体相分离单元(例如，处理单元)。变速驱动器52有利于以要求工作频率(Hz)将电力输送至井内泵送设备和海床泵送设备，并且有利于通过表面主设施进行选择性速度变化以满足例如生产开拓巷道和流的要求。可以经由表面主设施22的表面控制器32来进行例如井内泵(例如，电动潜水泵、升压泵)和海床升压泵的各个生产泵之间共用的电力平衡和负荷。集成式海底配电网络有利于通过表面主设施22进行多个海底生产***8的部件的同时控制操作。
低压装置示意性地描述为与具有变压器50的低压输出46电路可操作地连接。低压输出46电路可以包括变速驱动器52。低压部件(例如，装置)包括但不限于：传感器，诸如多相计量器；电动阀和执行器，其可位于例如井内(即，地下)、井口(例如，采油树、阀树)、流线和汇聚歧管；局部化工喷射泵；以及控制测试***。静高压电力使用件包括但不限于流线加热器和静电聚结器(例如，处理单元)。
DC电力装置示意性地描述为与具有变压器50和整流器54的DC输出48电路可操作地连接。DC电力装置包括但不限于传感器，诸如但不限于压力传感器、温度传感器、流量计量器、多相计量器和电流等。
图3是集成式配电网络10和海底生产***8的另一实施方案的示意图解。图3描述了生产井12和喷射井13，生产井12和喷射井13各自穿透通常标识为地层70并且通常单独标识为地层70a、地层70b等的一个或多个地下地层。井12、13中的每个均包括完井72，完井72布置在井中并且与井口74(例如，采油树、阀树、树等)可操作连接。每个完井72可以包括一个或多个操作装置(例如，泵、传感器、阀等)，操作装置与配电中继器34和表面主设施22可操作地连接。例如，所描述的生产井12包括至少一个传感器60、井内阀58以及电动潜水泵56，这些部件中的每个均通过海底配电中继器34与主设施22可操作连接。如下面进一步说明，生产井12可以通过海底配电中继器34由表面主设施22(即，控制器32)进行监控、管理和控制。
参照图1至图3，表面主设施22经由控制管缆36与海底配电中继器34可操作连接并且经由跨接线38与来自海底配电中继器34的海底生产***8的部件可操作连接。控制管缆36和跨接线38包括可操作地连接各个海底生产***8的部件的电力导线40和/或数据导线42。在图3所示的实施方案中，电力和/或数据通信提供给诸如下述海底生产***8的部件：井内(即，地下、潜孔)泵56(例如，升压泵、喷射泵、电动潜水泵)；海床泵，诸如升压泵16和喷射泵18；阀58(例如，喉管、井内阀、流线阀，树阀、歧管等)；传感器60(例如，压力、温度、流量、流体相组成(即，油、水、气)、结垢、电流、砂产量检测，等等)；局部测试控制件62，以及通常由标记64标识的其它海底生产***装置(例如，流线加热器、化工泵、液压泵等)。本领域技术人员通过获益于本公开将理解的是，诸如例如处理单元14、泵56、16、18等可操作海底生产***8的部件可以包括传感器以及本文未分别或单独示出的测试设备和控件。
整个集成式配电网络10和海底生产***8的控制可在表面主设施22处经由表面电源30和表面控制器32建立。例如，响应于反馈闭环，控制信号可经由高压供给控制管缆36中的专用数据导线42传送到海底分配中继器34并且从海底分配中继器34传送到各个海底生产***部件。高压电力(例如，AC和/或DC电力)可以在扩展的扩边距离内传送到海底配电中继器34，其中高压电力逐渐降低(即，变压器50)，然后传送到与***部件的驱动电压要求(例如，中级电压44、低压46、DC电压48)相符的海底生产***8的电气部件。海底配电中继器34处的一个或多个电路可以包括变速驱动器52，变速驱动器52有利于通过表面控制器32对诸如但不限于井内泵56和海床泵16、18的海底生产***8的部件进行操作控制并且提供电力平衡。
从海底生产***8的部件(例如，传感器60、局部测试设备和控件等)到表面控制器32的高频输入数据流使能进行实时海底生产***监控(即，监视)和海底生产***8的部件的响应控制，以使海底生产以及***集成和保护最优化。为了整个***的安全性，优先权可赋予来自表面主设施22的处理和应急断路输入信号。例如，表面电源30和表面控制***32的实施方案可链接至表面主设施22应急断路，从而通过实现井关闭和泵***停止序列来以安全且可控的方式停止海底生产。详述的海底生产***8的宽范围电力监控可容许经由例如海底泵送***58、16、18之间共用的负荷实现表面主设施22处的电力优化并且允许串联运转的海底泵以及井内泵56和海底升压泵16的组合的优化启动和运行。另外，固有逻辑电路将允许经由模拟对海底生产***8进行建模，以确保优化设备操作。
表面控制器32提供了例如经由变速驱动器52和海底配电中继器34进行的部署于一个或多个井12、13中的两个或更多个电动潜水泵送***56之间的负荷平衡。表面控制器32还能用于平衡井内泵56和海床升压泵16之间的负荷。例如，当海底生产***8中的泵串联连接时，通常在泵之间存在不均匀的负荷分布。表面控制器32能够有利于多于一个的泵56、16、18上的负荷的手动或自动平衡或选择性失配。在其它实施方案中，通过控制例如位于井口74(例如，树)和/或生产汇聚歧管15处的阀58(例如，喉管)，表面控制器32能够用于管理诸如井内泵56的泵上的负荷。
表面控制器32能够用于提供过流保护或其它电气保护。另外，表面控制器32可以使用例如海底变频驱动器52，在海底配电中继器34处经由电源的主动切换来提供诸如井内泵和海底泵的耗电件之间的负荷控制。可通过表面控制器32响应于调节供给至井内泵56和/或升压泵16中的一个或多个的电源信号频率来实现例如流量、钻井压力、砂产量等生产***参数。类似地，可通过表面控制器32响应于阀58(例如，喉管)、处理单元14和升压泵16的调节来实现各种生产参数(例如，相分率、流量、压力、砂产量等)。
安全和***保护可由表面控制器32来提供。例如，响应于由一个或多个海底生产***8的部件12、14、16、18、56、58、60、62感测到的数据，表面控制器32能够实时地发起响应控制动作。例如，响应于井12中的高压测量值的输入，控制器32能够通过停止井内泵56并关闭例如地下安全阀、井口阀和生产歧管阀的一个或多个阀58而发起生产井12的关闭。在另一实施例中，响应于生产井12中的高压测量值，表面控制器32能够发起降低井压的动作。例如，表面控制器32能够提高井内泵56的速度(即，流量)，打开一个或多个阀58，和/或减少处理单元14处的共振时间。在安全测量的一个实施例中，在通过表面控制器32发起井内泵56的停止时，表面控制器32能够响应于来自传感器60的表示井内泵56的持续操作的数据输入而防止一个或多个阀58的关闭。在另一实施例中，表面控制器32能够响应于来自传感器60的表示井内泵56的过度振动的数据输入而发起井内泵56的停机处理。
可以通过表面主设施22和表面控制器32对一个或多个海底生产***8的部件进行操作控制来控制海底生产。例如，可以通过表面控制器32响应于在生产井12中测量(例如，传感器60、局部测试和控制等)来调节一个或多个海底生产***8的部件的操作条件。例如，在接收到来自布置在生产井12中的传感器60的表示来自地层区70b的砂产量正在增加的输入数据时，从控制器32发射的输出控制信号可以例如降低井内泵56的运转速度，和/或致动例如井口74处的阀58以增加生产井12中的井底压力，和/或致动一个或多个井内阀58以将地层区70a与其它地下地层隔离。在海底生产***8的操作控制的另一实施例中，可以调节海底处理单元14的操作参数以使由生产井12产出的原产流体的相组成的海底分离最优化。
前面概括了多个实施方案的特征以使本领域技术人员可以更好地理解本公开的方案。本领域技术人员应当理解的是，可以容易地以本公开作为设计或改进用于实施相同目的和/或实现本文介绍的实施方案的相同优势的其它处理和结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这些等同构造不偏离本公开的精神和范围，并且可以在不偏离本公开的精神和范围的情况下在此做出各种变型、替代和改变。本发明的范围应当由随后的权利要求书的语言唯一地确定。权利要求书中的术语“包括”意在指“至少包含”，以使权利要求中所列元件为开放式组。除非特别排除，否则术语“一(a)”、“一个(an)”和其它单数术语意在包含其复数形式。
Claims (15)
1.一种海底生产***，包括：
部署在海底的多个泵；
部署在海底的多个阀；
部署在海底的数据中继器；
基于处理器的控制器，其位于表面处，表面的所述控制器通过海底的数据中继器与所述多个泵和所述多个阀可操作地连接以控制所述多个泵和所述多个阀的运转；以及
海底处理单元，其通过海底的数据中继器与表面的所述控制器可操作地连接；
其中，表面的所述控制器能够平衡所述多个泵与海底处理单元之间的电力分配；并且
其中，表面的所述控制器能够控制所述阀以管理所述多个泵上的负荷。
2.如权利要求1所述的***，其中，海底的所述多个泵包括井内泵和海底升压泵。
3.如权利要求1所述的***，其中，表面的所述控制器用于平衡所述多个泵之间的电力分配。
4.如权利要求1所述的***，其中，表面的所述控制器通过闭环控制***与所述多个泵可操作地连接。
5.如权利要求1所述的***，进一步包括：
部署在海底的配电中继器；以及
电源，其位于表面处，表面的所述电源通过海底的所述配电中继器与海底的所述多个泵可操作地连接。
6.如权利要求5所述的***，进一步包括控制管缆，所述控制管缆包括电导线和数据导线，其中所述数据导线可操作地连接表面控制器和海底的所述数据中继器，并且所述电导线将表面的所述电源可操作地连接至海底的所述配电中继器。
7.一种控制海底生产***的操作的方法，包括：
通过表面控制器来控制所述海底生产***的海底操作；
接收来自所述海底生产***的位于所述表面控制器处的反馈环数据；
平衡多个海底泵和海底处理单元之间的电力分配；以及
控制多个海底阀以管理所述多个海底泵上的负荷。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述控制包括：将来自所述表面控制器的控制信号发送至海底数据中继器，然后发送至所述海底生产***。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个海底泵包括井内泵和海底泵。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述控制包括：响应于所接收到的所述反馈环数据而操作海底生产装置。
11.如权利要求8所述的方法，其中，所述控制包括：响应于接收到来自海底传感器的反馈环数据而使海底泵运转。
12.一种通过表面主设施操作海底生产***的方法，所述海底生产***包括多个海底泵、多个海底阀和海底处理单元，所述表面主设施具有表面控制器和电源，所述方法包括：
通过海底分配中继器在所述表面控制器和所述多个海底泵和所述海底处理单元之间建立闭环控制；
通过所述表面控制器来控制所述多个海底泵、所述多个海底阀和所述海底处理单元并进一步平衡所述多个海底泵和所述海底处理单元之间的电力分配；
控制所述海底阀以管理所述多个海底泵上的负荷；
将来自所述表面主设施的高压输入供给到所述海底分配中继器；
将所述海底分配中继器处的所述高压输入逐渐降低至电压输出；以及
将所述电压输出供给至所述多个海底泵。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述多个泵包括海底泵和井内泵。
14.如权利要求12所述的方法，进一步包括：通过所述海底分配中继器在所述表面控制器和所述多个海底泵之间建立闭环控制。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述控制所述多个海底泵包括：平衡从所述海底分配中继器到所述多个海底泵的电力分配。
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