用于监测流体的方法和装置 本发明涉及用于烃开采和生产工业的方法和装置, 且尤其涉及用于监测待传输通 过流体导管的流体的方法和装置。监测待传输通过流体导管的流体提供了出现对导管内 的流体流动的不利影响的动态指示。所描述的方法和装置特别用于防止流体管缆 (fluid umbilical) 内的堵塞, 但是该方法和装置还可以适于监测流体在管线、 井筒和提升管内出 现的不利影响。
在烃的生产和运输期间, 包括管线、 井筒、 提升管和管缆的流体导管的内部变得结 垢是常见的。此污垢可能导致在导管的内侧面上累积碎片或颗粒质层, 这减小了导管的有 效内径 (ID) 且因而降低了流量。污垢还可以产生流体导管内的堵塞, 这完全阻止流体流 动。
流体管缆是钢和 / 或热塑性管件和电缆的成束的集合体。它们通常用于传输化学 品、 液压流体、 电能以及地面生产设施与海底生产装置之间的双向数据通信和控制信号。 管 缆的直径通常在高达 10 英寸 (254mm) 的范围内, 且内管直径在 0.5 英寸到 1 英寸 (12.7mm 到 25.4mm) 的范围内。动态管缆是从半潜船悬浮至海床的管缆的一部分, 在海床处, 动态管 缆连接至管缆的静态段。在典型的管缆中, 多个内部导管一起绞合成类似螺旋绳的结构以 便增大抗拉强度。这对动态管缆段来说是特别重要的考虑, 原因是由于动态管缆的自身重 量和来自水流的动态负载, 因此动态管缆必须经受住应力。
在烃开采和生产工艺中最经常通过管缆传输的化学品中的一些实例包括 : 污垢抑 制剂 ; 腐蚀抑制剂 ; 甲醇、 乙醇、 乙二醇、 单乙二醇、 MEG( 水合抑制剂的实例 ) ; 工业甲基化的 酒精 ; 蜡抑制剂和倾点下降剂 (PPD) ; 低剂量水合抑制剂 (LDHI) ; 沥青烯抑制剂和分散剂 ; 流动改进剂和表面活性剂 ; 杀生物剂 ; H2S 清除剂 ; 以及破乳剂。
海底管缆内的内管的相对小的直径连同它们的螺旋路径布置的事实显著增大了 插入到内管中的物体所经受的摩擦阻力, 意味着管缆特别容易堵塞。这样的堵塞完全阻止 流体传输通过管缆, 且因此可能对生产活动造成相当大的扰乱。 此外, 内部导管的螺旋路径 布置意味着常规的清洁装置通常被禁止插入来试图清除堵塞。如果不能清除堵塞, 那么这 导致牵涉操作者显著的时间和成本。 估计替换典型的海底流体管缆所产生的费用累计达数 百万英镑。
为了减少管缆内形成堵塞的风险, 已知本领域提供了其入口处具有过滤器的内 管。 这样的过滤器确实有助于防止某些颗粒和其他碎片进入内部管件。 然而, 实际中发现在 流体管缆内形成堵塞的主要促成因素是人为失误, 这是由于化学加燃料系统的差的设计、 离岸环境中采用的不合适的方法或甚至正在施行的有缺陷的化学相容性测试。例如, 如果 操作者偶然允许不相容的流体沿着同一个内管传输, 那么可能发生凝聚或絮凝, 使得导致 管缆内的堵塞。已知的不相容流体组合的一些实例包括 :
1) 污垢抑制剂和甲醇或二醇。如果污垢抑制剂是基于水的 ( 通常是这种情况 ), 那么甲醇或二醇将使抑制剂沉淀。
2) 倾点下降剂和甲醇或二醇。当甲醇或二醇的水平高于某一水平时, 那么发生一 些聚合物 PPD 的沉淀 ;
3) 沥青烯抑制剂和甲醇 ;
4) 沥青烯分散剂和极性溶剂 ( 如, 醇类、 二醇或水 ) ;
5) 水的流动改进剂和极性溶剂 ;
6) 油的流动改进剂和上面列出的其他被传输的化学品中的任一种 ;
7)H2S 清除剂和甲醇或有机溶剂 ; 和
8) 杀生物剂和甲醇。
流体导管内出现的另外的不利影响是腐蚀开始。 腐蚀作用可以因被传输通过导管 的流体供给的化学性质而得到加强。腐蚀最终可以导致流体导管内的结构损坏, 且因此能 够监测流体导管内的腐蚀的不利影响是明显有益的。
因此, 本发明一个方面的目的是提供一种用于监测待传输通过流体导管的流体以 便提供出现对导管内的流体流动不利影响的动态指示的方法和装置。
本发明一个方面的另一个目的是提供一种用于监测流体导管系统内堵塞的形成 的方法和装置。
本发明一个方面的又一个目的是提供一种用于监测流体导管系统内的腐蚀水平 的方法和装置。
所描述的方法和装置适于烃开采和生产工业中使用的多种流体导管系统且尤其 是流体管缆。
发明概述
根据本发明的第一方面, 提供了一种用于监测待传输通过位于烃开采和生产装置 内的流体导管的流体供给的方法, 该方法包括以下步骤 :
- 在流体导管的上游设置监测区 ;
- 将流体供给经由监测区引入到流体导管中 ; 和
- 监测监测区内的流体供给, 以便检测出现的对流体供给通过流体导管的流动不 利的一个或多个事件。
监测进入流体导管之前的流体供给是有优势的, 因为这允许早期检测对流体供给 的流动不利的事件, 如指示流体导管腐蚀的化学反应或在流体导管内形成可能的堵塞。这 样, 显著降低了流体导管内发生重大堵塞或结构损坏的风险。
更优选地, 监测监测区内的流体供给的步骤包括检测流体供给内的固体或凝固的 步骤。
优选地, 该方法还包括当检测到凝固时, 切断至流体导管的流体供给的步骤。 切断 至流体导管的流体供给允许操作者检查装置以查看不相容的化学品供给是否已经被引入 到流体供给中。
任选地, 检测流体供给内的固体或凝固的步骤包括监测跨过位于监测区内的过滤 器的压差。 跨过过滤器的压差的变化指示流体供给内的粘度变化且因而流体供给的可能的 污染。
优选地, 当跨过过滤器的压差在流体供给的预定的容许值之外时, 发生切断至流 体导管的流体供给的步骤。
更优选地, 监测跨过过滤器的压差的步骤还包括使所监测到的压差与流体供给的 温度相关联的步骤。 通过使跨过过滤器的压差与流体供给的温度相关联降低了检测到错误的污染事件的风险。
任选地, 检测流体供给内的固体或凝固的步骤包括监测流体供给的水含量的步 骤。
优选地, 当流体供给的水含量在流体供给的预定的容许值之外时, 发生切断至流 体导管的流体供给的步骤。
任选地, 检测流体供给内的固体或凝固的步骤包括监测流体供给中的颗粒或碎片 成分的步骤。
优选地, 当流体供给内的颗粒或碎片成分的密度或质量在流体供给的预定的容许 值之外时, 发生切断至流体导管的流体供给的步骤。
如果至流体导管的流体供给被切断, 那么可以触发警报以告知操作者关闭事件。 任选地, 还可以向合适的预定人员发送自动电子通知以告知他们关闭事件。
优选地, 监测监测区内的流体供给的步骤还包括分析流体供给的化学组成的品质 或纯度的步骤。
任选地, 监测监测区内的流体供给的步骤还包括监测流体供给的流量的步骤。
优选地, 该方法还包括当流体供给的化学组成的品质或纯度在预定的容许值之外 时, 告知操作者在流体导管内发生堵塞的风险的步骤。 任选地, 该方法还包括记录与所监测到的参数中的一个或多个有关的信息的步 骤。记录关于流体清洁度、 粘度、 水含量、 压差、 绝对压力、 温度和流体流量的信息允许产生 历史数据浏览。
根据本发明的第二方面, 提供了一种用于监测被传输通过流体管缆的流体供给的 方法, 该方法包括以下步骤 :
- 在流体管缆的上游设置监测区 ;
- 将流体供给经由监测区引入到流体管缆中 ; 和
- 监测监测区内的流体供给, 以便检测出现的对流体供给通过流体管缆的流动不 利的一个或多个事件。
本发明第二方面的实施方案可以包括本发明第一方面的优选的和任选的特征且 反之亦然。
根据本发明的第三方面, 提供了一种用于监测至流体导管的流体供给的流体监测 单元, 该流体监测单元包括监测区和传感器, 传感器提供用于检测监测区内出现的对流体 供给通过流体导管的流动不利的一个或多个事件的工具, 其中监测区被配置成提供上游的 流体与流体导管的入口的配合 (cooperation)。
通过使监测区被配置成提供上游的流体与流体导管的入口的配合, 允许流体监测 单元动态监测进入流体导管之前的流体供给。 这允许早期检测可能的形成堵塞的情况且因 而显著降低发生在流体导管内的重大堵塞的风险。
更优选地, 传感器包括位于监测区内的过滤器和被布置成监测流体供给跨过过滤 器的压差的压力检测器。
优选地, 传感器还包括温度计, 该温度计被布置成提供用于流体监测单元的使所 监测到的跨过过滤器的压差的变化与流体供给的温度变化相关联的工具。
可选择地或此外, 所述传感器包括被布置成监测流体供给的水含量的湿度计。
可选择地或此外, 所述传感器包括被布置成监测被传输通过监测区的流体供给中 颗粒或碎片的存在的颗粒传感器。
颗粒传感器可以包括光学颗粒传感器。 颗粒传感器可以包括无源感应的颗粒传感 器 (passive-induction particulate sensor)。
可选择地或此外, 传感器包括被布置成监测被传输通过监测区的流体供给的化学 组成的 UV 分光计。
可选择地或此外, 传感器包括被布置成监测流体供给的流量的流量计。
更优选地, 流体监测单元包括计算机处理单元, 计算机处理单元提供用于控制传 感器的工具。计算机处理单元还提供用于流体监测单元传输和接收数据的工具。
优选地, 如果流体供给跨过过滤器的压差在预定的容许值之外, 那么计算机处理 单元产生输出信号。
如果流体供给内的水含量在预定的容许值之外, 那么计算机处理单元也可以产生 输出信号。
如果流体供给内的颗粒或碎片成分的密度或质量在预定的容许值之外, 那么计算 机处理单元也可以产生输出信号。 如果流体供给的化学组成的品质或纯度在预定的容许值之外, 那么计算机处理单 元也可以产生输出信号。
根据本发明的第四方面, 提供了一种用于监测至流体管缆的流体供给的流体监测 单元, 该流体监测单元包括监测区和传感器, 传感器提供用于检测监测区内出现的对流体 供给通过流体管缆的流动不利的一个或多个事件的工具, 其中监测区被配置成提供上游的 流体与流体管缆的入口的配合。
本发明第四方面的实施方案可以包括本发明第三方面的优选的和任选的特征且 反之亦然。
根据本发明的第五方面, 提供了一种烃开采和生产装置, 该装置包括至少一个供 给导管和根据本发明第三方面的流体监测单元, 供给导管提供了用于流体源与流体导管之 间的流体相通的工具, 其中流体监测单元位于流体导管上游的供给导管内。
优选地, 装置还包括泵, 所述泵位于流体源与流体监测单元之间。
任选地, 装置还包括截止阀, 该截止阀位于流体监测单元与流体导管之间。
优选地, 来自流体监测单元的输出信号被用作反馈信号以触发泵的关闭。输出信 号还可以被用作反馈信号以触发截止阀的关闭。
优选地, 装置还包括操作控制模块, 该操作控制模块连接至流体监测单元以便提 供用于监测并记录来自流体监测单元的输出数据的工具。
根据本发明的第六方面, 提供了一种烃开采和生产装置, 所述装置包括至少一个 供给导管和根据本发明第四方面的流体监测单元, 供给导管提供了用于流体源与流体管缆 之间的流体相通的工具, 其中流体监测单元位于流体管缆上游的供给导管内。
本发明第六方面的实施方案可以包括本发明第三方面、 第四方面和第五方面的优 选的和任选的特征且反之亦然。
附图简述
当阅读下面的示例性实施方案的详细描述并参考下述附图时, 本发明的各方面和
优势将变得明显, 附图中 :
图 1 呈现了地面生产设施的示意图, 该地面生产设施提供了与管缆的流体相通, 且结合了根据本发明实施方案的流体监测单元 ; 和
图 2 呈现了图 1 的流体监测单元的示意图。
在下面的描述中, 用相同的参考数字标记整个说明书和附图中相同的部件。附图 并不一定按比例绘制且某些部件的部分被放大以更好地阐释本发明实施方案的细节和特 征。
详细描述
为了提供对本发明各方面的理解, 图 1 呈现了通常由参考数字 1 表示的地面生产 设施的示意图, 而图 2 呈现了与地面生产设施 1 一起使用的流体监测单元 2 的示意图。
可以看到地面生产设施 1 包括四个供给导管 3, 供给导管 3 提供了用于对应的 流体源 4 与管缆 5 之间经由顶部管缆终端单元 (TUTU)6 的流体相通的工具。在目前所描 述的实施方案中, 流体源包括腐蚀抑制剂 4a( 一种这样合适的腐蚀抑制剂是由 Champion Technologies 以商标 G10000 销售的腐蚀抑制剂 )、 污垢抑制剂 4b( 一种这样合 SA11ON 销售的污垢抑制 适的污垢抑制剂是由 Champion Technologies 以商标 标
剂 )、 甲醇 4c 和蜡抑制剂 4d( 一种这样合适的蜡抑制剂是由 Champion Technologies 以商 WM1840 销售的蜡抑制剂 )。 在每一个供给导管 3 内设置有计量泵 7、 流体监测单元 2 和截止阀 8。每一个计量 泵 7 用于调节其相应的供给导管 3 内的流体的压力流且因此调节进入管缆 5 的内管中的流 体的压力流。流体监测单元 2 位于计量泵 7 与 TUTU 6 之间且用于在所传输的流体被泵送 入管缆 5 之前监测与该流体相关联的一个或多个参数。反馈连接 9 提供了用于流体监测单 元 2 的手段以便当检测到管缆 5 内出现的对流体流动的不利影响时, 如检测到可能形成堵 塞的情况或检测到显著水平的腐蚀时, 停止其相应的计量泵 7 和 / 或关闭相应的截止阀 8, 它们的进一步的细节在下文中提供。
电源 10 提供了用于每一个流体监测单元 2 的专用电源。每一个流体监测单元 2 还连接至可以位于地面生产设施 1 内的操作控制模块 11。 任选地, 操作控制模块 11 连接至 远程操作控制模块 12, 远程操作控制模块 12 提供了用于远程监测和控制进入管缆 5 中的流 体供给的工具。 至设施的和离开设施的通信以及设施本身内的通信可以通过 RS232、 以太网 或无线方式进行。
从图 2 中, 可以看到每一个流体监测单元 2 包括呈导管 13 形式的监测区, 通过导 管 13 传输流体供给, 使得监测区提供了用于上游流体与管缆 5 的内部管件的入口配合的手 段。位于监测区 13 内的是过滤器 14, 过滤器 14 提供了用于防止颗粒和其他碎片进入管缆 5 的内部管件的初始工具。流体监测单元 2 还包括压力传感器 15、 温度计 16 和湿度计 17, 压力传感器 15 提供了用于测量跨过过滤器 14 的流体供给的压差或监测区 13 内的流体供 给的绝对压力的工具 (Able Instrumentation 压差计 126 型号是一种这样合适的压力传感 器 ), 温度计 16 提供了用于测量流体供给的温度的工具 (Able Instruments 8 线、 1 系列温 度开关是一种这样合适的温度计 ), 湿度计 17 提供了用于测量流体供给内的水含量的工具 (Able Instruments HTF 露点传感器是一种这样合适的湿度计 )。任选地, 流体监测单元 2 还包括颗粒或絮凝传感器 18(Able Instruments 980 型系列双光束光度计是一种这样合适的颗粒传感器 ) ; UV 分光计 19(Able Instruments 960 型 UV 分析仪是一种这样合适的 UV 分光计 ) ; 以及流量计 20, 其提供了一种用于准确监测流体在进入管缆 5 的内部管件之前的 流量的工具。 流量计可以是容积流量计, 如螺旋螺杆流量计或旋转活塞流量计, 原因是两种 类型的流量计在相对低流量时提供准确读数。
每一个传感器 15、 16、 17、 18、 19 和 20 连接至 CPU 21, CPU 21 提供了一种用于控制 传感器 15、 16、 17、 18、 19 和 20、 处理所测量的数据以及将数据转送至控制模块 11 和 / 或 12 的工具。
在目前描述的实施方案中, 过滤器 14 包括两微米绝对过滤器, 但是过滤器的尺寸 可以根据系统内的预期流量而被改变。对于目前描述的地面生产设施 1 来说, 流体供给流 量在 40ml/min 的最低流量到 1000ml/min 的最高流量的范围内。通过系统的对应压力在 0 到 5000psi 的范围内。
优选地, 流体监测单元 2 与截止阀 8 之间的距离是足够的, 以至于当流体监测单元 2 检测到出现的对管缆内的流体流动的不利影响时, 截止阀 8 能够在流体供给通过其物理 位置之前被关闭。
上述的流体监测单元 2 允许多种方法来检测供给流体内凝固的出现和分析供给 流体的品质。 流体供给内出现凝固可以指示因不同流体之间的化学反应或低品质或纯度的 流体的使用而引起的凝聚或絮凝, 和 / 或因管缆本身内的腐蚀形成了固体颗粒或碎片。现 将更详细地描述各种技术。
监测压差
第一方法采用压力传感器 15 来监测跨过过滤器 14 的压差。压差与如由温度计 16 测得的流体温度相关联。此关联可以直接发生在压力传感器 15 内, CPU 21 或更优选地 在控制模块 11 或 12 内。流体供给内的粘度变化被检测为跨过过滤器 14 的压差的相应变 化。如果压差变化在特定流体的预定容许值之外, 且不与如由温度计 16 检测到的相应的温 度变化相关联, 那么这指示引起凝聚或絮凝的化学反应, 如污垢抑制剂与甲醇的不小心的 混合。凝聚或絮凝可以导致管缆 5 内开始堵塞且因而在这样的情形中, 流体监测单元 2 将 触发控制模块 11 和 / 或 12 内的警报且优选提供计量泵 7 的自动关闭以及相应的截止阀 8 的关闭。这将允许操作者在过程的足够早期的时候检查设施 1 以查看是否已经错误地引起 不相容的化学品组合, 以便避免出现重大堵塞。
监测水含量
通过采用湿度计 17 实现了用于检测可能开始堵塞的第二方法。湿度计 17 被设定 成使用小电流来检测流体供给内 0%到 100%之间的水的存在。提供了特定流体供给的具 有可接受的容差水平的预定值。如果所检测到的水含量移出预定的容差水平, 那么再次导 致触发警报和 / 或关闭流体供给, 正如前面描述的。例如, 基于水的流体供给如杀生物剂的 水含量可以是约 80%且具有 ±0.5%的可接受的容差水平。如果溶剂如蜡抑制剂被引入基 于水的流体供给中, 那么水含量可能降至约 78%, 因而引发警报和 / 或关闭供给管线。 可选 择地, 基于溶剂的流体供给如沥青烯抑制剂的水含量可以是约 0%且具有 +0.5%的可接受 的容差水平。如果基于水的流体如 H2S 清除剂或甚至仅仅是雨水被引入到基于溶剂的流体 供给中, 那么水含量可能升高至 0.5%之上, 因而引发警报和 / 或关闭供给管线。
对于操作上述凝固诊断重要的是为流体供给建立基准水平的水含量和合适的容差水平。于是, 湿度计 17 允许流体供给的水含量变化被监测且如果水含量超过预定的容许 值, 那么允许采取合适的措施。
优选地, 流体监测单元 2 还能够测量和记录流体供给的绝对压力、 温度和流体流 量。压力传感器 15、 温度计 16 和流量计 20 以及控制模块 11 和 / 或 12 可以有利于所有这 些诊断。
颗粒分析
颗粒传感器 18 的采用提供了用于检测流体供给内颗粒或碎片的存在的工具。颗 粒或碎片可以是被直接传输到监测区 13 内的类型或因监测区 13 内的化学反应, 如经由腐 蚀而形成。
颗粒传感器 18 优选地包括光学传感器, 由此一个或多个光源和光检测器被布置 成提供监测区 13 内的检测点, 如 Able Instruments 980 型系列双光束光度计。于是, 穿过 检测点的颗粒或碎片起到将来自光源的光散射到光检测器上的作用, 这随后转变成脉冲信 号。每单位时间的脉冲数目与存在的颗粒或碎片的密度成比例。脉冲信号随后被转变成电 压输出, 以便转送至控制模块 11 和 / 或 12。
可选择地, 或除了光学颗粒传感器之外, 颗粒传感器 18 可以包括采用无源感应和 保护探头技术的组合的类型 (Baumer Process Instrumentation 电导率传感器 ISL05x 是 一种这样合适的传感器 )。 当颗粒或碎片在探头附近和探头周围流动时, 在探头内动态感应 微小电流。 这些电流随后可以被处理以提供与存在的颗粒或碎片的质量基本上是线性的绝 对输出。 光学颗粒传感器优选用于基于油的流体或溶剂, 如蜡抑制剂, 而当它们用于基于 水的流体如杀生物剂时, 它们是较低效的。 在这样的流体中, 优选采用无源感应类型的传感 器。
在与上述方式类似的方式中, 限定了特定流体供给的预定的颗粒或碎片水平。如 果颗粒或碎片的质量超过此预定值时, 那么流体监测单元 2 触发相应的警报和 / 或切断流 体供给。
不但流体监测单元 2 被配置成在超过一个或多个预定参数时操作或引发警报和 / 或关闭流体供给, 而且控制模块 11 或 12 还可以被配置成自动给合适的预定人员发送关于 设施 1 内可能的问题的电子邮件。此设施在下述情形中具有特定的应用。
UV 光谱学
在操作地面生产设施 1 期间, 存在需要关闭地面生产设施 1 的时候。有时此关闭 时段可能持续数周。在重新开启地面生产设施 1 时, 可能发现已经形成堵塞, 即使没有出现 明显的流体污染。
本发明人已经认识到形成这种堵塞的原因在于被传输的流体的固有品质或纯度, 即如果流体品质或纯度低于预定值且然后使流体在管缆内保持静止, 那么可能形成堵塞。
UV 分光计 19 的采用提供了用于分析监测区 13 内的流体的化学组成的工具且因而 提供了流体是否降低到预定的品质或纯度水平之下的指示。在这样的情形下, 流体监测单 元 2 告知控制模块 11 和 / 或 12, 流体不应该被允许在管缆 5 内保持静止。
如果在此时段内发生地面生产设施 1 的关闭事件, 那么随后定期的提醒可以被发 送至地面生产设施 1 的操作者, 告知他们除非重新开启流体的泵送, 否则他们将面临管缆 5
内出现堵塞。
上述方法和装置提供了用于保护流体导管且尤其是流体管缆的完整性的手段。 该 方法和装置通过提供用于连续地动态监测注入的流体供给的工具且提供用于检测到流体 管缆内对流体流动可能不利的影响 ( 如, 形成堵塞的情形 ) 时自动泵关闭, 而允许降低这些 昂贵的资产因人为失误导致的易损性。明显地, 流体监测单元提供了一种防止形成堵塞的 主动方法, 而不是允许一种为响应检测到的堵塞而采用的反应方法, 正如已知的现有技术 系统那样的情形。
通过施行实时颗粒分析并监测化学相容性, 经由压力、 温度、 水含量和颗粒含量测 量以及 UV 光谱学, 可以施行昼夜不停的分析。这允许单个管缆或其他流体导管在设施内的 倾向被建立, 且因此能够视情况且在合适时触发警报或自动的关闭。
适合的设施还允许进行定期完整性检查, 其中关于流体清洁度 (NAS 等级 )、 粘度、 水含量、 压差、 绝对压力、 温度和流量的信息可以被实时显示或下载以便浏览历史数据。
已经基于阐释和描述的目的呈现了本发明前面的描述且这些描述并不预期是排 他性的或将本发明限制到所公开的确切形式。 选择和描述所述实施方案以便最佳地解释本 发明的原理和其实际应用, 以由此使本领域技术人员能够在不同实施方案中最佳地利用本 发明且不同的改动适于所设想的特定用途。因此, 可以结合进一步的改动或改进而并不偏 离由所附权利要求限定的本发明的范围。