海底BOP液壓流體流量監測的製作方法
2023-10-17 02:35:24
相關申請交叉引用
本申請是pct申請，要求於2014年11月11日提交的美國臨時申請號62/078,236的優先權，其通過引用被全部併入本文中。美國申請號14/884,563於2015年10月15日提交，並要求於2014年10月17日提交的美國臨時申請號62/065,431的優先權，其全部公開內容通過引用都被併入本文中。
本公開一般涉及石油和天然氣設備，並且，更具體地涉及測量流量以確定液壓控制是否作用以執行特定功能的方法。具體地，本公開提供監測液壓控制系統中的總計流率(aggregatedflowrate)和壓力以了解所關心的特定負荷的信息的系統和方法。
背景技術：
防噴器(bop)系統是用來防止海底油井和氣井噴發的液壓控制系統。海底bop設備通常包括兩個或更多個冗餘控制系統的組合，用分開的液壓路徑操作bop組(bopstack)上的指定的bop功能。冗餘控制系統通常被稱作藍黃控制盒。在已知系統中，通信和電力電纜向特定地址的致動器發送信息和電力。致動器又使液壓閥移動，從而開放流體路徑通向控制bop的一部分的一系列其它閥門/管道。
當前的bop系統的一個缺陷是與海面的液壓流體連通是通過一對冗餘管路實現的，由單個來源給管路供應流體，測量手段有限，通常是單個流量表。當在海面上有多個分開的控制系統利用共同的液壓供應給海底部件提供供給時，海面上的多個分開的控制系統可能不能基於共同的測量裝置(諸如共同的流量表或共同的壓力表)準確地了解另一控制系統已經執行了哪些功能。例如，當系統具有共同的流量表時，通過給海底部件供給液壓，用來執行功能的主要海面控制系統可能不能準確地向備用安全系統傳送執行的功能。
在已知系統中，當系統具有使用單個液壓源的兩個或更多個獨立的控制系統時，測量到達特定負荷的流體是困難的。增加附加的流量表和壓力表可能使系統複雜化並引入其它缺陷。
技術實現要素：
本公開的系統和方法的實施例允許在具有多個控制系統的系統上流量表的監測以及分離出有多少流量到達特定負荷。方法的實施例能夠實現負荷的初始激活和初始讀信號的同步。流量表的監測用來分離流量表中的噪聲信號，過濾到達具有多個控制系統的系統中的預期負荷的流率。
本公開的系統和方法能夠使用共同的液壓動力系統和流量表用於多個控制系統。本公開的系統和方法大大地提高了bop系統的分析能力，用最小數目的附加傳感器實現了改進的診斷和安全性。
本文中公開了一種用於準確地測量並監測防噴器(bop)系統中的液壓流體的累積容積的方法。所述方法包括步驟：初始化狀態機算法，所述狀態機算法響應於被激活的所關心的bop功能；測量初始液壓流率基準和初始壓力基準，以創建用於所述狀態機算法中的液壓阻抗變量。在一些實施例中，所述方法還包括步驟：監測所述bop系統隨時間變化的總計液壓流率和壓力；應用所述液壓阻抗變量以排除與所關心的bop功能不相關的bop系統液壓流量。在一些實施例中，所述方法還包括步驟：應用所述狀態機算法以響應於液壓流體的總累積容積，確定所關心的bop功能何時完成。
本文中還公開了一種用於準確地測量並監測所關心的防噴器(bop)功能中的液壓流體的累積容積的系統。所述系統包括：海面液壓部件，所述海面液壓部件包括液壓動力單元(hpu)和至少兩個控制系統，所述至少兩個控制系統與所述hpu流體連接並且是獨立可操作的以使來自所述hpu的液壓流體流動；海底bop部件，所述海底bop部件包括bop組，其中，所述bop組包括bop組功能，其可操作以由來自hpu的液壓流體的流動執行；以及流體流量表，所述流體流量表設置在hpu和所述bop組之間剛性管路上，所述流體流量表可操作以測量從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量。
在一些實施例中，所述系統還包括：壓力表，所述壓力表設置在hpu上或與與其緊鄰，所述hpu向所述剛性管路供給液壓流體，所述壓力表可操作以測量從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量的管路壓力；以及處理單元，所述處理單元包括處理器並可操作以從所述流體流量表接收總計流體流量數據，並從所述壓力表接收管路壓力數據。所述處理單元包括非瞬態、有形的存儲器介質並與其通信，所述非瞬態、有形的存儲器介質與所述處理器通信，並具有一組存儲的指令，所述一組存儲的指令可由所述處理器執行並包括步驟：初始化狀態機算法，所述狀態機算法響應於被激活的所關心的bop功能；應用測量的初始液壓流率基準和初始壓力基準，以創建用在所述狀態機算法中的液壓阻抗變量；監測隨時間變化從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量以及從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量的管路壓力；應用所述液壓阻抗變量以排除與所關心的bop功能不相關的bop系統液壓流量；以及應用所述狀態機算法以響應於液壓流體的總累積容積，確定所關心的bop功能何時完成。
此外公開了一種設備，所述設備包括具有存儲於其上的一組指令的有形的非瞬態存儲器介質，所述指令由適當的處理單元執行時使所述處理單元執行一種方法，所述方法包括步驟：初始化狀態機算法，所述狀態機算法響應於被激活的所關心的bop功能；應用測量的初始液壓流率基準和初始壓力基準，以創建用在所述狀態機算法中的液壓阻抗變量；監測隨時間變化從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量以及從hpu到所述bop組的液壓流體的總計流量的管路壓力；應用所述液壓阻抗變量以排除與所關心的bop功能不相關的bop系統液壓流量；以及應用所述狀態機算法以響應於液壓流體的總累積容積，確定所關心的bop功能何時完成。
附圖說明
圖1是bop組的示意系統總圖。
圖2是bop系統的示意系統圖表。
圖3是示出本公開的系統和方法的頂層系統圖的一個實施例的流程圖。
圖4是示出海面液壓仿真的一個實施例的流程圖。
圖5是示出海底液壓仿真的一個實施例的流程圖。
圖6是使用狀態機算法(也稱作狀態機系統)對圖3-5中描述的系統進行仿真的流程圖。
圖7是代表隨時間改變s(系統允許的最大流率)的流量補償器功能(s2)的圖形。
圖8是示出代表圖5中描述的海底液壓系統中的重複序列塊的圖形。
圖9是代表在本公開的系統和方法的仿真的一個實施例中的流量的圖形。
圖10是代表在本公開的系統和方法的仿真的一個實施例中在海面上記錄的壓力的圖形。
圖11是代表在本公開的系統和方法的仿真的一個實施例中在海面上記錄的流量的圖形。
圖12是示出在本公開的系統和方法的仿真的一個實施例中隨時間流動的每分鐘加侖(gpm)和總加侖的圖形。
圖13是示出使用本公開的系統和方法從總計流量中去掉洩露流量和來自第二bop功能的流量以獲得用來執行第一bop功能的流量的準確讀數的結果的圖形。
圖14是示出使用本公開的系統和方法從總計流量中去掉洩露流量和來自第二bop功能的流量以獲得用來執行第一bop功能的流量的準確讀數的結果的圖形。
圖15是示出結合本公開的系統和方法使用流率補償器功能的圖形。
圖16示出在本公開的系統中模擬的故障功能的結果的圖形。
圖17提供針對代表本公開的系統和方法的程序邏輯的決策樹的一個實施例。
具體實施方式
描述的方法和系統用於海底bop系統的部件，並且在基本過程控制系統(bpcs)可以從同一液壓源異步地投入和切出負荷時，提供確定到達安全完整性水平(sil)額定負荷的流量或bpcs功能(所關心的功能)的能力。本公開的系統和方法消除了來自系統中洩露的流量噪聲以及由bpcs中的狀態切換和切換暫態引起的流量噪聲。
本文中公開的方法和系統的另一用處是在bpcs比方說例如鑽井控制系統中，需要測量來自各功能的流率，同時忽略系統中存在的任何洩露的流量。系統和方法能夠從由洩露引起的基本噪聲中取出功能信號。
此外，本文中公開的方法的更普遍用處包括測量來自安裝位置的一個控制系統的流量，在安裝位置，幾個獨立的控制系統由共同的液壓源操作各功能。使用邏輯樹和特定算法，系統和方法允許辨別關心的信號，同時忽略其它獨立的控制系統。
首先參照圖1，示出bop組的示意性系統總圖。在圖1中，描繪了bop組100，其包括下隔水管總成(lowermarineriserpackage，lmrp)102和下部組104。lmrp102包括環管106、藍控制盒108和黃控制盒110。火線112、藍管114和黃管120從立管122向下進入到lmrp102中並通過管路歧管124到達控制盒108、110。藍電力和通信線116和黃電力和通信線118分別進入控制盒108、110。lmrp連接器126把lmrp102連接至下部組104。液壓致動楔128和130設置成懸掛可連接軟管或管子132，軟管或管子132可以連接至梭板(shuttlepanel)，諸如梭板134。
下部組104可以包括梭板134以及盲剪切閘板bop136、外殼剪切閘板bop138、第一管子閘板140和第二管子閘板142。bop組100設置在井口連接144上。下部組104還可以包括可選的安裝到組的蓄能器146，其包含必需量的液壓流體以操作bop組100內的某些功能。
現在參照圖2，示出bop系統的代表系統圖。bop系統200包括海面單元202和具有立管122的bop組100(圖1中也可見)。海面單元202包括分開的獨立控制系統204、206、208，其與液壓動力單元(hpu)210通信。當這些獨立控制系統中的任何一個活動時，換言之，命令hpu210向bop組100供給液壓流體(例如從液壓儲蓄器(未描繪))和/或電流時，共同的管路212用來向bop組100提供液壓流體和/或電流。液壓流體流量由表214測量。bop系統200還可以包括共同的壓力傳感器216。表214、216設置成緊鄰海面並緊鄰hpu210。
在bop系統200的一個示例中，盲剪切閘板bop136和外殼剪切閘板138可能需要被激活。獨立控制系統204能夠向接近的盲剪切閘板bop136提供液壓流體。不過，此流體中的一些可能洩露。此外，獨立控制系統204可能不能提供足夠的液壓流體以執行兩個功能，並且可能不能激活外殼剪切閘板138。在這種情況下，外殼剪切閘板138可能需要由獨立控制系統206或208激活。在這種情況下，獨立控制系統206或208可能需要知道首先由獨立控制系統204傳送的液壓流體或者負荷的量，以執行任一或兩個功能。
如果沒有本公開的系統和方法，表214不能夠提供對與獨立控制系統204執行的功能獨立的控制系統206、208的準確測量。總計流量讀數不足以知道已經供應了多少液壓流體來執行bop組中海底的各個功能。
在描述的系統和方法中，當所關心的功能被激發或激活時，諸如閘板、狀態機(諸如狀態機系統600(本文中也稱作狀態機算法))，清除所有內部變量和標誌，讀出初始流率基準和初始壓力基準。此讀數創建「液壓阻抗」或井口損失變量，其用來排除由於洩露和/或在所關心的功能之前執行的其它功能造成的任何流量。此變量在本文中也稱作k，其中，k＝p/f。f指流體流量，p指壓力。狀態機使用總計流量表，諸如圖2中的表214，對流量積分得到容積。在狀態機內，檢測流率變化的條件(本文中也稱作df/dt)被監測。
如果檢測到df/dt的值很大，且所關心的功能尚未完成，則使用總流量或者換言之針對所關心的功能的流量和更新的壓力值，使系統重新基準化。在bop系統中，檢測到大的df/dt且功能尚未完成的情況可以包括在一些實施例中在第一功能完成(參見圖13，區域b到c)之前第二功能被調用激發，或者液壓連接失敗，比方說例如軟管洩露。邏輯迴路繼續，直到其時完成或確定錯誤狀態。錯誤狀態可以包括諸如給定功能沒有完成或者對於給定功能液壓流體的容積過大的情況。例如，錯誤狀態可能在以下情況時出現：(1)某功能的逝去時間大於預期的時間量，比方說例如45秒，(2)容積大於或等於所需的功能容積，或(3)所關心的功能被去激活。
現在參照圖3，提供了示出頂層系統圖的一個實施例的流程圖。儘管本公開的實驗和仿真使用電腦程式被編程、運行並驗證，但本領域技術人員會認識到本文中公開的系統和方法能夠使用其它軟體和/或硬體(比方說例如可編程邏輯控制器)編程和運行。
現在參照圖3，提供了示出頂層系統圖的一個實施例的流程圖。在系統300中，在步驟302，提供海面液壓的完整子系統模型(參見例如圖2中的獨立控制系統204、206、208)。在下文還參照圖4描述步驟302。在步驟304，提供子系統模型，該模型模擬液壓洩露、所關心的功能和在預期功能(即所關心功能)中執行的不可預期功能。在下文還參照圖5描述步驟304。
在步驟306，定義狀態機的部件需要的硬體定時器和信號。在一些實施例中，步驟306包括定義內部計算機和/或可編程邏輯控制器部件和/或單獨的定時機構。在步驟308，實現狀態機。在步驟310，定義在系統300中可接受的最大df/dt。可接受的最大df/dt能夠被動態調節，以適應由海面液壓和海底液壓之間的長管道(剛性管路)造成的流量的指數上升(參見圖2，212)。本領域技術人員會認識到附加步驟可以用於仿真器(比方說例如系統300的仿真器)內的驗證。
現在參照圖4，提供了示出海面液壓仿真的一個實施例的流程圖。系統400還定義參照圖3討論的步驟302。在步驟402，把簡單的儲蓄器用作等效迴路，提供hpu(比方說例如圖2中的hpu210)的功能模型。在步驟404，表示液壓流量傳感器，其以gpm為單位可選地測量流量。在步驟406，計算來自hpu滑動模型的總流率，可選地以gpm為單位。步驟404和406代表流量表。步驟404和406的一個物理實施例是流體流量表。
在步驟408，提供液壓傳感器。在步驟410，在來自hpu的管道和剛性管路之間的系統400的壓力表用來創建「壓力轉換器」。步驟408和410一起代表壓力傳送器。再一次，步驟402代表hpu。在步驟412，提供剛性管路(諸如圖2中的管路212)的模型。在一些實施例中，在bop系統的海面和海底部件之間可以使用直至2英裡的剛性管路，任何可能長度的管路都能夠被準確地模擬。本領域技術人員會認識到附加步驟可以用於仿真器(比方說例如系統400的仿真器)內的驗證。
現在參照圖5，提供了示出海底液壓仿真的一個實施例的流程圖。系統500還定義參照圖3討論的步驟304。在步驟502，向系統500提供來自圖4中所示的海面液壓仿真的液壓流體。塊504、506、508分別代表bpcs功能、安全完整性水平(sil)功能和洩露流量。這些塊代表相似功能；不過，在塊504，bpcs同步信號是唯一的，在塊508，其代表洩露流量，較低流率用來代表洩露，而不是期望功能。
在步驟510，代表重複序列的信號被仿真，這打開和關閉在步驟512表示的閘門閥。在步驟512表示的閘門閥是向bop組中所關心的功能供應液壓流體的閥門。在步驟514，計算用於bpcs的同步信號，這只應用於塊504，不應用於塊506和508。步驟516代表把流率設置成近似等於bop組功能所需的流率的管子。本領域技術人員會認識到附加步驟可以用於仿真器(比方說例如系統500的仿真器)內的驗證。
現在參照圖6，提供了對圖3-5中描述的系統進行仿真的流程圖。圖6提供可在本公開的狀態機算法中運行的功能的一個實施例。在本文中描述的附圖和實施例中，以下縮寫適用：a指以加侖累積的液壓流體容積；f指流體流量；p指壓力；fm指來自海面液壓的流量表測量值；pm指來自海面液壓的壓力表測量值；k指「液壓阻抗」或井口損失變量p/f；t指時間，以秒為單位；fault指指示檢測到故障的標誌；s指系統允許的最大流率；s2指隨時間改變s(系統允許的最大流率)的補償器。如果產品用於極短的管道或者不包括電容器的電子器件，則s2能夠被調節。
一些下標數字指示示出的變量的臨時存儲位置。例如，t2是在循環遞進時用來處理時間的臨時位置，或f4是存儲臨時流率的位置。術語「silfnct」是關於圖5描述的bpcs同步變量的局部表示。
在圖6中的步驟602，狀態機系統600不在監測流量。在步驟604，用以下功能初始化流量監測：entry:a＝0；entry:f1＝fm；entry:p1＝pm；exit:k＝p1/f1；entry:flag＝0；entry:dt＝0；entry:t2＝0；entry:t＝0；entry:fault＝0；entry:s2＝5*s；entry:f4＝0；以及exit:k2＝p1/f1。步驟604是初始化狀態，其在同步信號之前設置變量的起始值。在步驟606，流量監測正用以下功能進行：entry:f2＝fm；p2＝pm；entry:t＝t+1；entry:dt＝t-t2；exit:t2＝t；exit:a＝a+((fm-(pm/k))*dt/60)；以及exit:s2＝s*(1+5^exp(-t/2))。用於流量監測的步驟606是主要狀態。在監測狀態中，流量和壓力表被監測，時間變量響應於硬體時鐘(諸如在圖3的步驟306的硬體定時器和信號)被更新。此外，加法器求流量表的總和，計算隨時間變化的s2補償器。在步驟608，用以下執行存儲功能：entry:fi-f1-(p1/k)以及exit:flag＝1。當監測步驟606中的第一時間被調用時，執行用於存儲功能的步驟608。步驟608捕獲可能由於洩露或其它功能造成的初始流量。
在步驟610，用以下功能執行更新功能：entry:t＝t+1；entry:k3＝pm/(fm-f4)；以及exit:k＝(k2*k3)/(k2+k3)。在步驟612，由以下執行保存主s(系統允許的最大流率)功能：entry:f4＝f2；p4＝p2；以及entry:t＝t-1。在步驟614，用以下執行循環檢查：exit:df＝fm-f2以及entry:t＝t+1。步驟614計算由循環使用的df/dt。如果df/dt小於s2，s2為gpm，且功能沒有完成，則系統返回監測步驟606。如果df/dt太大，則通過在步驟610和612計算新液壓阻抗變量k，過程被重新基準化。步驟616是偽狀態(dummystate)。
偽狀態是允許循環執行兩個時間周期而不更新變量的臨時狀態，提供循環和系統中的物理裝置之間的同步功能。
步驟618是具有entry:fault＝1的故障狀態。步驟618是狀態機系統600已經確定功能失效的點。例如，故障狀態可以在a>75或者換言之累積的容積大於75加侖且所關心的功能尚未完成時存在。或者例如，故障狀態可能在t>45且as，則決策樹前進到步驟1724。如果|δf|不大於s，則決策樹返回步驟1710。在步驟1724，如果a完成或者換言之，累積的容積達到期望的累積容積，則在步驟1726，決策樹完成。如果累積的容積還未達到期望的累積容積，或者a沒有完成，則決策樹轉到步驟1728，在此，讀出流量的第四值f4和壓力的第四值p4。在步驟1730，根據k＝p4/(f4-fi)再一次計算k。在步驟1730之後，決策樹返回步驟1710，邏輯被執行，直到a完成或者已經達到期望的累積容積。
在描述的本公開的各個實施例中，本領域技術人員會認識到各種類型的存儲器可由計算機讀，諸如參考各個計算機和伺服器(例如計算機、計算機伺服器、網絡伺服器或具有本公開的實施例的其它計算機)描述的存儲器。
單數形式「一(a)」、「一(an)」和「所述(the)」包括複數引用，除非上下文另有明確規定。
計算機可讀介質的示例可以包括但不限於：一個或多個非易失性硬編碼類型的介質，諸如只讀存儲器(rom)、cd-rom和dvd-rom或可擦除電可編程只讀存儲器(eeprom)；可記錄類型的介質，諸如軟盤、硬碟驅動器、cd-r/rw、dvd-ram、dvd-r/rw、dvd+r/rw、快閃記憶體、存儲棒和其它更新類型的存儲器；以及傳輸類型的介質，諸如數字和模擬通信鏈路。例如，這些介質可以包括操作指令以及與之前描述的系統和方法步驟有關的指令，並且這些介質能夠在計算機上操作。本領域技術人員會理解代替或除了描述的存儲電腦程式產品(例如其上包括軟體)的位置之外，這些介質可以在其它位置。本領域技術人員會理解之前描述的各個軟體模塊或電子部件可以由電子硬體、軟體或兩者的組合實現和維護，並且這些實施例由本公開的實施例考慮。
在附圖和說明書中，已經公開了方法、系統和具有存儲的本公開的電腦程式的非瞬態計算機可讀介質的實施例，儘管使用了特定術語，但這些術語只是在描述意義而不是出於限制目的使用的。已經參照這些圖示的實施例特別詳細地描述了方法、系統和具有存儲的本公開的電腦程式的非瞬態計算機可讀介質的實施例。不過，顯然在如前面的說明書中描述的方法、系統和具有存儲的本公開的電腦程式的非瞬態計算機可讀介質的實施例的精神和範圍內，可以進行各種改進和變化，並且這些改進和變化被認為是本公開的等同物和一部分。