用於海底生產系統控制的系統和方法
2023-04-27 00:37:41 3
專利名稱：用於海底生產系統控制的系統和方法
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該部分提供了背景信息以便於更好地理解本發明的各個方案。應當理解的是，據此來閱讀該文檔該部分的陳述，而不作為現有技術的供認。本發明總體涉及用於控制海底生產操作的裝置和方法，尤其涉及用於通過表面定位控制器來控制和監控海底生產系統裝置的集成控制測試系統。
電力是操作與海底生產系統相關聯的各種部件(例如，裝置和系統)所必需的。例 如，生產井通常需要電力來操作位於井中和/或井口處的傳感器、布置在井中的電動潛水泵(「ESP」)以及位於井中和流線中的閥和/或執行器。使用於將生產流體(例如，油、水和/或氣體)從井或海底處理系統中泵送到位於水面或陸上的遠側表面設施的升壓泵或壓縮機運轉也需要電力。高的電力需求、惡劣的環境條件以及通常必須對電力進行限制的長距離通常限制了能夠高效輸送的電量。發明概述根據本發明的一個或多個方案的海底生產系統包括部署在海底的多個泵；部署在海底的數據中繼器；基於處理器的控制器，其位於表面處，表面的所述控制器通過海底數據中繼器可操作地連接至多個泵以控制多個泵的運轉。在一個實施方案中，多個泵包括井內泵和海底升壓泵。根據本發明的一個或多個方案的用於控制海底生產系統的操作的方法包括通過表面控制器控制海底生產系統的海底操作；以及接收來自海底生產系統的位於表面控制器處的反饋環數據。根據一個實施方案，所述控制包括將來自表面控制器的控制信號發送至海底數據中繼器，然後發發送至海底生產系統。通過表面主設施來操作海底生產系統的方法的實施方案，所述海底生產系統包括多個海底泵，所述表面主設施具有表面控制器和電源，所述方法包括通過海底分配中繼器在所述表面控制器和多個海底泵之間建立閉環控制；通過表面控制器控制多個海底泵；將來自表面主設施的高壓輸入供給到海底分配中繼器；將海底分配中繼器處的高壓輸入逐漸降低至電壓輸出；以及將電壓輸出供給至多個海底泵。為了更好地理解隨後的發明詳述，前面已經概括了本發明的一些特徵和技術優勢。下面將對本發明的附加特徵和優勢進行說明，這些附加特徵和優勢形成了本發明權利要求的主旨。
通過結合附圖閱讀下面的發明詳述，可以最佳地理解本公開。需要強調的是，依照工業標準慣例，各個特徵不是按標度繪製的。事實上，為了清晰討論的目的，各個特徵的尺寸可以任意擴大或縮小。圖I是根據本發明的一個或多個方案的用於海底生產系統的集成控制系統的實施方案的示意圖解。圖2是布置有海底配電中繼器的根據本發明的一個或多個方案的海底數據中繼器的示意圖解。圖3是用於海底生產系統的集成控制系統的另一實施方案的示意圖。發明詳述應當理解的是，下面的公開提供了用於實現各個實施方案的不同特徵的多種不同的實施方案或實施例。下面將對部件和布置的具體實施例進行說明以簡化公開。當然，這些僅為實施例，而不意在限制。另外，在各個實施例中公開可以重複附圖標記和/或字母。·該重複是為了簡要和清晰的目的，而本文並不規定所討論的各個實施方案和/或配置之間的關係。而且，在隨後的說明書中第一特徵形成在第二特徵上方或上面可以包括第一特徵和第二特徵形成為直接接觸的實施方案，並且還可以包括可以形成介於第一和第二特徵之間以使第一和第二特徵可以不直接接觸的附加特徵的實施方案。圖I是根據本發明的一個或多個方案的用於海底生產系統的集成控制系統的實施方案的示意圖解。所描述的海底生產系統通常包括附圖標記8表示，包括海底生產井12、生產匯聚歧管15、噴射井13、處理單元14(例如，分離器、聚結器等)、升壓泵16和噴射泵
18。井12和13鑽入海床24以下的水下地層中。完井12和13中的每個通常均包括以一個或多個傳感器(例如，計量器)、儀器設備和表面(例如，井口，樹木)閥。井12和13還可以包括地下閥和井內泵(例如，電動潛水泵)。生產井12通過流線20與表面主設施22流體連通。在所述的實施方案中，流線20在地板閥28處連接至表面主設施22。升壓泵16通常與生產井12(例如，井內泵56)流體連接，以通過將來自井12的生產流體泵送到表面主設施22的附加開拓巷道。表面主設施22位於表面位置26 (例如，陸地、水面)處，表面位置26可位於距生產設施部件的海床24位置的延伸距離(例如，擴邊距離)處。例如，距表面主設施22的擴邊距離可以為用於AC電流傳輸的10至150km或更大以及用於DC電力傳輸的300km。在圖I中，表面主設施22被描述為位於水面處的船舶(例如，船艦、油槽船、平臺等)。在一些實施方案中，表面主設施22可位於陸地上。通常由附圖標記10表示的集成海底控制系統適於經由表面控制器32進行設施生產和/或儲器管理。集成海底控制系統8可以在海底生產系統8的限制內集成所有所需部件。例如，海底生產系統8的限制可以從海底井12、13的井內完井延伸到表面主設施22的地板閥。根據至少一個實施方案，控制系統10包括電源30、位於表面主設施22處的基於處理器的控制器32 (例如，可編程邏輯控制器)以及與海底生產系統8的部件緊鄰的位於海底(例如，海床24)的配電中繼器34。配電中繼器34通過控制管纜36與表面電源30和表面控制器32可操作地連接。控制管纜36可以包括用於在表面主設施22和海底分配中繼器34之間傳輸電力和數據的一個或多個導線(例如，電線、光纖等)。控制管纜36可以通過例如溼配式連接器連接至海底分配中繼器34。海底分配中繼器34通過跨接線38 (例如，控制管纜、纜線、管線、導線、光纖)與耗電件(例如，地下的泵、傳感器、閥、執行器、加熱器等)可操作地連接。跨接線38可以包括電力導線和/或數據導線。圖2是根據本發明的一個或多個方案的集成配電網絡的海底配電中繼器34的示意圖解。控制管纜36將海底配電中繼器34連接至表面主設施22的表面電源30和表面控制器32。在所述的實施方案中，控制管纜36包括輸送來自電源30的電力的一個或多個電導線40。例如，高壓(例如，大於22，000VAC)可以從表面主設施22輸送到海底配電中繼器34以使導線截面和輸送損耗最小化。根據本發明的一個或多個方案，控制管纜36包括一個或多個專用數據導線42 (例如，I電線，電纜，管線，光纖等)，專用數據導線42將來自表面控制器32的輸出控制信號(即，數據)傳送到海底配電中繼器34(例如，海底數據中繼器41)，然後傳送到海底生產系統8的各個耗電件(例如，泵、傳感器、閥、執行器等)，並且將在海底配電中繼器34處接收到的輸入數據傳送到表面控制器32。在圖2所示的實施方案中，海底配電中繼器34包括海底數據中繼器41，海底數據中繼器41適於接收從海底生產系統8的部件收集到的輸入數據，所述輸入數據包括生產系統參數，諸如井12、13的狀況(例如，壓力、溫度、流量、砂產量、流體相組成、結垢等)、海 床泵16、18的參數(例如，壓力、溫度、電流、流量等)、生產單元14的狀況(例如，共振時間、壓力、溫度、電流、輸入和輸出流體相組成、輸入和輸出流量等)，以及流線狀況(例如，壓力、溫度、水合物形成、流量、溫度等)。輸入數據(即，生產系統參數)從海底生產系統8的部件經由跨接線38在海底數據中繼器41處接收到。來自各個海底生產系統8的部件的輸入數據在海底數據中繼器41處合併並且經由控制管纜36中的一個或多個專用數據導線42傳送到表面主設施22和表面控制器32。表面控制器32可以使用輸入數據對各個海底生產系統部件進行閉環控制，各個海底生產系統部件包括但不限於井內泵(例如，電動潛水泵(「ESP」))、海床泵(例如，升壓泵16、噴射泵18)以及處理單元14。表面主設施22，即控制器32，可用於平衡例如海底生產系統8的部件之間的電力分配。根據本發明的一個實施方案，系統10通過在表面控制器32處合併來自海底生產系統8的所有感應輸入數據而有利於安全、可靠且最優化的海底生產。基於處理器的表面控制器32可以連結至遠程交互監控診斷系統，例如，用於海底生產系統8的部件和/或生產參數的狀況監控。根據至少一個實施方案，高壓(例如，22，000VAC以上)經過控制管纜36從主設施22輸送到海底配電中繼器34。海底配電中繼器34隨後將電力逐漸降低並且通過一個或多個電路(例如，輸出)將電力分配給海底生產系統8的各個耗電件。例如，在所述的實施方案中，海底配電中繼器34提供中級電壓輸出44 (例如，3000-7000VAC)、低壓輸出46 (例如，110-700VAC)和 DC 電輸出 48。在所述的實施方案中，被分類為中級電壓的海底生產系統8的部件與例如變壓器50和變速驅動器52 (例如，變頻器)的中級電壓輸出44電路可操作連接。中級電壓裝置的實施例包括但不限於泵(例如，井內電動潛水泵、升壓泵和噴射泵)、壓縮機和流體相分離單元(例如，處理單元)。變速驅動器52有利於以要求工作頻率(Hz)將電力輸送至井內泵送設備和海床泵送設備，並且有利於通過表面主設施進行選擇性速度變化以滿足例如生產開拓巷道和流的要求。可以經由表面主設施22的表面控制器32來進行例如井內泵(例如，電動潛水泵、升壓泵)和海床升壓泵的各個生產泵之間共用的電力平衡和負荷。集成式海底配電網絡有利於通過表面主設施22進行多個海底生產系統8的部件的同時控制操作。
低壓裝置示意性地描述為與具有變壓器50的低壓輸出46電路可操作地連接。低壓輸出46電路可以包括變速驅動器52。低壓部件(例如，裝置)包括但不限於傳感器，諸如多相計量器；電動閥和執行器，其可位於例如井內(即，地下)、井口(例如，採油樹、閥樹)、流線和匯聚歧管；局部化工噴射泵；以及控制測試系統。靜高壓電力使用件包括但不限於流線加熱器和靜電聚結器(例如，處理單元)。DC電力裝置示意性地描述為與具有變壓器50和整流器54的DC輸出48電路可操作地連接。DC電力裝置包括但不限於傳感器，諸如但不限於壓力傳感器、溫度傳感器、流量計量器、多相計量器和電流等。圖3是集成式配電網絡10和海底生產系統8的另一實施方案的示意圖解。圖3描述了生產井12和噴射井13，生產井12和噴射井13各自穿透通常標識為地層70並且通常單獨標識為地層70a、地層70b等的一個或多個地下地層。井12、13中的每個均包括完井72，完井72布置在井中並且與井口 74 (例如，採油樹、閥樹、樹等)可操作連接。每個完井72可以包括一個或多個操作裝置(例如，泵、傳感器、閥等)，操作裝置與配電中繼器34和表面主設施22可操作地連接。例如，所描述的生產井12包括至少一個傳感器60、井內閥·58以及電動潛水泵56，這些部件中的每個均通過海底配電中繼器34與主設施22可操作連接。如下面進一步說明，生產井12可以通過海底配電中繼器34由表面主設施22 (B卩，控制器32)進行監控、管理和控制。參照圖I至圖3，表面主設施22經由控制管纜36與海底配電中繼器34可操作連接並且經由跨接線38與來自海底配電中繼器34的海底生產系統8的部件可操作連接。控制管纜36和跨接線38包括可操作地連接各個海底生產系統8的部件的電力導線40和/或數據導線42。在圖3所示的實施方案中，電力和/或數據通信提供給諸如下述海底生產系統8的部件井內(即，地下、潛孔)泵56(例如，升壓泵、噴射泵、電動潛水泵)；海床泵，諸如升壓泵16和噴射泵18;閥58(例如，喉管、井內閥、流線閥，樹閥、歧管等)；傳感器60(例如，壓力、溫度、流量、流體相組成(即，油、水、氣)、結垢、電流、砂產量檢測，等等)；局部測試控制件62，以及通常由標記64標識的其它海底生產系統裝置(例如，流線加熱器、化工泵、液壓泵等)。本領域技術人員通過獲益於本公開將理解的是，諸如例如處理單元14、泵56、16、18等可操作海底生產系統8的部件可以包括傳感器以及本文未分別或單獨示出的測試設備和控制項。整個集成式配電網絡10和海底生產系統8的控制可在表面主設施22處經由表面電源30和表面控制器32建立。例如，響應於反饋閉環，控制信號可經由高壓供給控制管纜36中的專用數據導線42傳送到海底分配中繼器34並且從海底分配中繼器34傳送到各個海底生產系統部件。高壓電力(例如，AC和/或DC電力)可以在擴展的擴邊距離內傳送到海底配電中繼器34，其中高壓電力逐漸降低(即，變壓器50)，然後傳送到與系統部件的驅動電壓要求(例如，中級電壓44、低壓46、DC電壓48)相符的海底生產系統8的電氣部件。海底配電中繼器34處的一個或多個電路可以包括變速驅動器52，變速驅動器52有利於通過表面控制器32對諸如但不限於井內泵56和海床泵16、18的海底生產系統8的部件進行操作控制並且提供電力平衡。從海底生產系統8的部件(例如，傳感器60、局部測試設備和控制項等)到表面控制器32的高頻輸入數據流使能進行實時海底生產系統監控(即，監視)和海底生產系統8的部件的響應控制，以使海底生產以及系統集成和保護最優化。為了整個系統的安全性，優先權可賦予來自表面主設施22的處理和應急斷路輸入信號。例如，表面電源30和表面控制系統32的實施方案可連結至表面主設施22應急斷路，從而通過實現井關閉和泵系統停止序列來以安全且可控的方式停止海底生產。詳述的海底生產系統8的寬範圍電力監控可容許經由例如海底泵送系統58、16、18之間共用的負荷實現表面主設施22處的電力優化並且允許串聯運轉的海底泵以及井內泵56和海底升壓泵16的組合的優化啟動和運行。另外，固有邏輯電路將允許經由模擬對海底生產系統8進行建模，以確保優化設備操作。表面控制器32提供了例如經由變速驅動器52和海底配電中繼器34進行的部署於一個或多個井12、13中的兩個或更多個電動潛水泵送系統56之間的負荷平衡。表面控制器32還能用於平衡井內泵56和海床升壓泵16之間的負荷。例如，當海底生產系統8中的泵串聯連接時，通常在泵之間存在不均勻的負荷分布。表面控制器32能夠有利於多於一個的泵56、16、18上的負荷的手動或自動平衡或選擇性失配。在其它實施方案中，通過控制例如位於井口 74 (例如,樹)和/或生產匯聚歧管15處的閥58 (例如，喉管)，表面控制器32能夠用於管理諸如井內泵56的泵上的負荷。 表面控制器32能夠用於提供過流保護或其它電氣保護。另外，表面控制器32可以使用例如海底變頻驅動器52，在海底配電中繼器34處經由電源的主動切換來提供諸如井內泵和海底泵的耗電件之間的負荷控制。可通過表面控制器32響應於調節供給至井內泵56和/或升壓泵16中的一個或多個的電源信號頻率來實現例如流量、鑽井壓力、砂產量等生產系統參數。類似地，可通過表面控制器32響應於閥58 (例如，喉管)、處理單元14和升壓泵16的調節來實現各種生產參數(例如，相分率、流量、壓力、砂產量等)。安全和系統保護可由表面控制器32來提供。例如，響應於由一個或多個海底生產系統8的部件12、14、16、18、56、58、60、62感測到的數據，表面控制器32能夠實時地發起響應控制動作。例如，響應於井12中的高壓測量值的輸入，控制器32能夠通過停止井內泵56並關閉例如地下安全閥、井口閥和生產歧管閥的一個或多個閥58而發起生產井12的關閉。在另一實施例中，響應於生產井12中的高壓測量值，表面控制器32能夠發起降低井壓的動作。例如，表面控制器32能夠提高井內泵56的速度(即，流量)，打開一個或多個閥58，和/或減少處理單元14處的共振時間。在安全測量的一個實施例中，在通過表面控制器32發起井內泵56的停止時，表面控制器32能夠響應於來自傳感器60的表示井內泵56的持續操作的數據輸入而防止一個或多個閥58的關閉。在另一實施例中，表面控制器32能夠響應於來自傳感器60的表示井內泵56的過度振動的數據輸入而發起井內泵56的停機處理。可以通過表面主設施22和表面控制器32對一個或多個海底生產系統8的部件進行操作控制來控制海底生產。例如，可以通過表面控制器32響應於在生產井12中測量(例如，傳感器60、局部測試和控制等)來調節一個或多個海底生產系統8的部件的操作條件。例如，在接收到來自布置在生產井12中的傳感器60的表示來自地層區70b的砂產量正在增加的輸入數據時，從控制器32發射的輸出控制信號可以例如降低井內泵56的運轉速度，和/或致動例如井口 74處的閥58以增加生產井12中的井底壓力，和/或致動一個或多個井內閥58以將地層區70a與其它地下地層隔離。在海底生產系統8的操作控制的另一實施例中，可以調節海底處理單元14的操作參數以使由生產井12產出的原產流體的相組成的海底分離最優化。
前面概括了多個實施方案的特徵以使本領域技術人員可以更好地理解本公開的方案。本領域技術人員應當理解的是，可以容易地以本公開作為設計或改進用於實施相同目的和/或實現本文介紹的實施方案的相同優勢的其它處理和結構的基礎。本領域技術人員還應當認識到，這些等同構造不偏離本公開的精神和範圍，並且可以在不偏離本公開的精神和範圍的情況下在此做出各種變型、替代和改變。本發明的範圍應當由隨後的權利要求書的語言唯一地確定。權利要求書中的術語「包括」意在指「至少包含」，以使權利要求中所列元件為開放式組。除非特別排除，否則術語「一(a)」、「一個(an)」和其它單數術語意在包含其複數形式。·
權利要求
1.一種海底生產系統，包括 部署在海底的多個泵； 部署在海底的數據中繼器； 基於處理器的控制器，其位於表面處，表面的所述控制器通過海底的數據中繼器與所述多個泵可操作地連接以控制所述多個泵的運轉。
2.如權利要求I所述的系統，其中，海底的所述多個泵包括井內泵和海底升壓泵。
3.如權利要求I所述的系統，其中，表面的所述控制器用於平衡所述多個泵之間的電力分配。
4.如權利要求I所述的系統，其中，表面的所述控制器通過閉環控制系統與所述多個泵可操作地連接。
4.如權利要求I所述的系統，進一步包括部署在海底的處理單元，其中海底的所述處理單元通過海底數據中繼器與所述表面控制器可操作地連接。
5.如權利要求4所述的系統，其中，表面的所述控制器用於對所述多個泵和所述處理單元之間進行負荷平衡。
6.如權利要求I所述的系統，進一步包括 部署在海底的配電中繼器；以及 電源，其位於表面處，表面的所述電源通過海底的所述配電中繼器與海底的所述多個泵可操作地連接。
7.如權利要求6所述的系統，進一步包括控制管纜，所述控制管纜包括電導線和數據導線，其中所述數據導線可操作地連接表面控制器和海底的所述數據中繼器，並且所述電導線將表面的所述電源可操作地連接至海底的所述配電中繼器。
8.—種控制海底生產系統的操作的方法，包括 通過表面控制器來控制所述海底生產系統的海底操作；以及 接收來自所述海底生產系統的位於所述表面控制器處的反饋環數據。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述控制包括將來自所述表面控制器的控制信號發送至海底數據中繼器，然後發送至所述海底生產系統。
10.如權利要求8所述的方法，其中，所述控制包括平衡多個海底生產裝置之間的電力分配。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述多個海底生產裝置包括多個海底泵。
12.如權利要求11所述的方法，其中，所述多個海底泵包括井內泵和海底泵。
13.如權利要求10所述的方法，其中，所述多個海底生產裝置包括井內泵、海底泵和海底處理單元。
14.如權利要求9所述的方法，其中，所述控制包括響應於所接收到的所述反饋環數據而操作海底生產裝置。
15.如權利要求9所述的方法，其中，所述控制包括響應於接收到來自海底傳感器的反饋環數據而使海底泵運轉。
16.—種通過表面主設施操作海底生產系統的方法，所述海底生產系統包括多個海底泵，所述表面主設施具有表面控制器和電源，所述方法包括 通過海底分配中繼器在所述表面控制器和所述多個海底泵之間建立閉環控制；通過所述表面控制器來控制所述多個海底泵； 將來自所述表面主設施的高壓輸入供給到所述海底分配中繼器； 將所述海底分配中繼器處的所述高壓輸入逐漸降低至電壓輸出；以及 將所述電壓輸出供給至所述多個海底泵。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述多個泵包括海底泵和井內泵。
18.如權利要求16所述的方法，其中，所述控制所述多個海底泵包括平衡從所述海底分配中繼器到所述多個海底泵的電力分配。
19.如權利要求16所述的方法，進一步包括通過所述海底分配中繼器在所述表面控制器和所述多個海底泵之間建立閉環控制。
20.如權利要求19所述的方法，其中，所述控制所述多個海底泵包括平衡從所述海底分配中繼器到所述多個海底泵的電力分配。
全文摘要
一種控制測試系統使用海底數據中繼器來建立表面生產系統部件和表面定位的控制器之間的閉環。控制測試系統可用於通過表面定位的控制器對海底生產系統的全部所需處理部件進行操作控制。
文檔編號E21B43/01GK102947537SQ201180018147
公開日2013年2月27日 申請日期2011年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者P·巴索, J·埃爾德, O·雷克斯滕, J-L·莫納克, D·R·帕特爾 申請人:弗拉姆工程公司