海底处理系统的控制系统.pdf

一种包含与外部线连接的系统-模块(110)模块化海底处理单元(100)的控制系统，其使用处理模块中的一个作为测试分离器，所述系统-模块(110)包括系统-模块隔离和连接装置(30)的第一部分(31)，作用于接收的流体。与系统-模块隔离和连接装置(30)的第一部分(31)连通的至少一个输入流体管道(21)及至少一个输出流体管道(81)，用于通过管汇(130)的第二互补部分(32)选择性地将系统-模块与外部流体通道隔离或连接。系统-模块包括控制装置(60)以控制系统-模块的运作；其特征在于，系统-模块(110)包括至少一个与控制装置(60)连接的致动装置(121)；其中系统-模块(110)的所述致动装置(121)与位于管汇(130)的三向分流阀(131)相关联。分流阀(131)可与来自生产井(160，170)的流体输送管道连接和隔断，并能够控制流体流入系统-模块的方向。

1、  一种包含与外部线连接的系统-模块(110)模块化海底处理单元(100)的控制系统，其使用处理模块中的一个作为测试分离器，所述系统-模块(110)包括系统-模块隔离和连接装置(30)的第一部分(31)，作用于接收的流体，和与系统-模块隔离和连接装置(30)的第一部分(31)连通的至少一个输入流体管道(21)及至少一个输出流体管道(81)，用于通过管汇(130)的第二互补部分(32)选择性地将系统-模块与外部流体通道隔离或连接，和连接装置(30)，系统-模块的隔离和连接装置(30)的第一部分(31)通过其适于接合，而且，其中系统-模块包括用于控制系统-模块运作的控制装置(60)，其特征在于，所述系统-模块(110)包括：
至少一个与控制装置(60)连接的致动装置(121)；
其中系统-模块(110)的所述致动装置(121)与位于管汇(130)上的分流阀(131)相关联；
分流阀(131)可与来自生产井(160，170)的流体输送管道连接和隔断，从而能够控制流体流入系统-模块的方向；
控制装置(60)与主控站(150)通信连接；
通过控制线(65)与控制装置(60)连接的测量装置(61，62，63，64)和阀(38，39)，所述控制线适于将处理值传递给主平台(140)并从主平台(140)经脐状电缆(80)通过电连接器(70)接收控制信号；
测量压力、温度和流量的感测装置；以及
将流体抽吸至主机设备的泵装置(50，320，322)。

2、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述系统用于高/低压力或重/轻流体分离或试井。

3、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述致动装置(121)为电控或液压系统。

4、  如权利要求3所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述致动装置(121)优选为电控。

5、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述致动装置(121)与分流阀(131)就位接合。

6、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述致动装置(121)由位于控制装置(60)中的可编程逻辑控制器控制。

7、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于当所述致动装置(121)从主控站(150)经控制装置(60)接收命令时，所述分流阀(131)由致动装置(121)启动。

8、  如权利要求5所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述分流阀(131)、致动装置(121)、主控站(150)和控制装置(60)之间的通信方式是有线和/或无线。

9、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述分流阀(131)是三向阀。

10、  如权利要求9所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述分流阀(131)具有将来自生产井(160，170)的流体转流向其他处理模块或主机设备的第三阀口。

11、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述控制装置(60)适于从主平台(140)上主控站(150)经通信线(141)接收控制信号并经脐状电缆(81)将信号传递至主平台(140)。

12、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述测量装置(61，62，63，64)是温度和/或压力测量设备，或者可以是任何其他的操作参数。

13、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述用于测量流体参数的感测装置可以配置于文氏管流量计(324，326，362)上。

14、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于用于测量温度和压力参数的感测装置可以配置在控制阀(48，49，330，332，360)上。

15、  如权利要求14所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于所述感测装置与控制装置(60)连接。

16、  如权利要求1所述的模块化海底处理单元的控制系统，其特征在于当处理值显示的不是期待中的产量，主控站(150)能使生产井关闭。

海底处理系统的控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于海底处理系统的流体输送管道的控制系统。更具体地说，该控制系统适用于需要连接及断开系统-模块与海底区域中使用的管汇间的石油和/或天然气输送管道的海底区域。该控制系统包括试井设备和/或其他基于平台的应用。
背景技术
传统的水下油/气田可包括由若干输送管连接的海底井和主机设备之间的可控的水下设备。当从若干分散的海底井中出产碳氢化合物时，最简单的方法是在将混合流体通过单输送管输送至可能在若干公里外的水面主机设备之前，在管汇就地收集井产物。(在本说明书中，术语“主机”和“水面主机设备”可替换使用)
在这样的构造中，所有来自油井的输出都作为单一多相流输送到主机。然而，在多数情况下需要具有确定各单井动态的能力。通常达到该目的的方法是安装一条从管汇到主机的第二输送管。来自所选油井的流体然后通过管汇内集成的遥控致动阀门转流入第二输送管。
来自输送管的流体因而在主机汇集。然后进行相分离和分析以获取单独井的产量和动态。一旦分析过程完成，可以选择另一个井并重复上述过程直到每个井都被测试。由于在输送过程中在输送管道内通常会发生一定量的分离，所以测试结果会有一些偏差。实践中，井和主机相隔若干公里。由于在井产出的时间和井产量测试的时间之间有一个明显的时间延迟，所以无法实时分析。安装第二输送管和与主机相关的升降器会是一笔很大的花费。而且，为了保证下一个测试仅在产自所选井的流体中进行，会有一个相当长的延迟以给出时间清除输送管内上一次测试的流体。
另一个试井的方法是通过“分速器”或通过“推论”来测试。这是通过终止来自各油井的流动并分析来自剩余油井的混合流体而实现的。因此通过对来自剩余油井的混合流测试和分析所得的数据进行计算就能得到各单井的产量和动态。这个方法不是非常精确，因为当关闭了所选油井的流动时，由于对流动的阻力较小，所以会对剩余油井的流动特征产生影响。
近来的技术发展已经能够将多相仪表引入使用。它们通常适应于各分支并能够监控和传递各相的流动信息，但是不能测定碳氢化合物产品的成分分析。虽然这些仪表的精度在慢慢改善，但是它们非常昂贵而且需要临时校准。
EP1555387A1披露了一种用于海底处理系统的可回收模块，它用于在水底开采油田/天然气田。该系统使用的是模块隔离和连接装置，该装置可以在考虑油田特性变化更改或改正或改变开采油田的方法的短时期内进行简单的无需潜水的模块替换。然而，对减少海底安装和维修时间的需求使得模块化处理系统在深水中的应用增加。在海底系统中对可互换模块的使用需要对应的连接系统，该连接系统可使得模块下降就位，而且与石油/天然气供给连通，而且还可通过从海面操作的方式从其中拆除。
GB2261271披露了一种用于将来自油井的石油、天然气和水的混合物分离成单一组分的模块化处理系统。该系统包含海上装置，其中可互换的模块单独支承在位于海底的支承框架内，该模块用于分离混合物。两部分连接器能使模块从海面下降到框架内并连接至油井。该模块还能从系统回收以便能在海面进行维护。
在公布的WO0216734号PCT说明书中披露了一种系统模块和安装方法。该安装方法包含经由单连接将对接单元固定于基座的步骤。输送管连接至所述对接单元，可回收的独立模块从海面下降到包括启动隔离装置的对接单元。该系统可通过部分水底设备来进行重配或替换而无需关闭或显著减少油田产量。
本发明利用上述模块化的海底处理系统结构。其使用处理模块中的一个作为测试分离器，同时来自剩余油井的产出物接通其他处理模块。通过这种方式就能产生快速且精确的结果，因为每次选取不同的油井测试时没有长的输送管需要清理，而且避免了使用高成本的多相仪表。为了更好地理解该系统，本发明优选实施例的附图和相应的描述内容将在具体实施方式部分进行说明。
发明内容
使用处理模块中的一个作为测试分离器的模块化海底处理单元的控制系统包含连接外部管道的系统-模块，该系统-模块包括系统-模块隔离和连接装置的第一部分，该隔离和连接装置作用于接收的流体。与系统-模块隔离和连接装置的第一部分连接的至少一个输入管道和至少一个输出管道，用于通过管汇的第二互补部分选择性地将系统-模块与外部流体通道隔离，或将系统-模块与外部流体通道连接。
系统-模块隔离和连接装置的第一部分的连接装置用于接合，其中该系统-模块包括用于控制系统-模块操作的控制装置。系统-模块包括至少一个与控制装置连接的致动装置，其中系统-模块的致动装置与位于管汇的分流阀相关联。该系统-模块的致动装置最好是由位于控制装置中的可编程逻辑控制器控制的电控致动器。系统-模块的致动装置可以是液压系统。系统-模块的致动装置与分流阀就位接合。
分流阀是三通阀，因此它可将流体输送管道与生产井连接和隔离，而且能控制流体流入系统-模块的方向。这些三向分流阀具有将流体经对接-管汇处的输出管道从生产井转向进入其他处理模块或主机装置的第三阀口。该控制装置与主控站连通。当所述致动装置经控制装置从主控站接收命令时，该分流阀由致动装置启动。控制装置适于从主平台上主控站经通信线接收控制信号并将信号经脐状电缆传递给主平台。分流阀、致动装置主控站和控制装置之间的信号传递方式可以是有线和/或无线。
温度和/或压力测量装置和阀门通过控制线与控制装置连接，该控制线适于将处理值传递给主平台和经脐状电缆通过电连接器从主平台接收控制信号。该测量装置是温度和/或压力测量设备或者可以是任何其他的操作参数。用于测量测度压力和温度参数的感测装置可以配置在控制阀延长杆上，测量流体参数的感测装置可以配置于文氏管流量计上。全部感测装置都通过控制线与控制单元连接。在系统-模块内的泵抽装置用于将产出流体经输出管道推向主机。当处理值显示的不是期待中的产量，主控站能使生产井关闭。
附图说明
在附图中：
图1和2示意性表示按照本发明将第一系统-模块安置到海底处理系统。
图3示意性表示按照本发明的用于试井的海底处理系统。
图4表示按照本发明的系统-模块的选择性输入系统的示意图。
图5表示按照本发明的用于试井的可回收系统-模块的示意图。
具体实施方式
参照附图的图1和图2，附图显示的是海底处理系统(100)的安装情况。该海底处理系统(100)总体上具有主平台(140)，该主平台可以在例如陆地上或者固定或浮动的钻探平台上。主平台(140)具有通过通信线(141)与第一系统-模块(110)相连接的主控站(150)。该第一系统-模块(110)包含通过控制线(122)与致动装置(121)相连接的控制单元(60)。第一系统-模块(110)依靠诸如遥控操作器(ROVs)的安装工具或通过船舶或直接从主平台(140)上下降到对接-管汇(130)。然后第一系统-模块(110)通过多孔流体连接器与对接-管汇(130)连接。系统-模块(110)上的致动装置(121)与对接-管汇(130)上的分流阀(131)对准并就位接合。
参照图3，该图显示的是第二系统-模块(120)下降到对接管汇(130)上。对接-管汇(130)通过流体通道(161，171)与生产井(160，170)连接并使得流体从生产井(160，170)流入系统-模块(110，120)。该系统-模块(110，120)可采用英国艾塞克斯的阿尔法泰晤士有限公司(Alpha Thames limited of Essex)设计的组成海底用模块系统一部分的通用类型，参见AlphaPRIME。
现在参照图4，显示的系统-模块(110)具有用于高/低压力或重/轻流体分流的选择性输入系统。为了清楚起见，系统-模块(110)中所有试井所需的装置都被省略，这些装置将会在随后的描述中具体说明。图4中所示的系统-模块(110)通过多孔流体隔离连接器(30)与对接-管汇(130)连通，其中安装工具能如前所述那样被遥控操作器(ROVs)或者直接从船或主平台(140)上操控。GB2261271中对系统-模块(110)和对接-管汇(130)之间通过多孔流体连接器(30)的连接方式进行了说明，该连接方式这里也被采用。多孔流体连接器(30)具有两个互补部分(31，32)，其中一个部分(31)组成系统-模块(110)的一部分，另一个部分(32)在对接-管汇(130)上。这两部分各具有多个孔(33，34，35，36，37)，当互补部分(31，32)接合时这些孔对准。各所述孔(33，34，35，36，37)分别具有相关联的隔离阀。所述隔离阀包括系统-模块部分(31)的阀门(38，39，40，41，42)和对接-管汇部分(32)的阀门(43，44，45，46，47)，当两个互补部分(31，32)分离时，这些阀都被关闭。
图4所示的系统-模块(110)具有增压泵(50)。若干导管或流体通道(51，52)从多孔流体隔离连接器(30)的第一部分(31)导向增压泵(50)，各导管(51，52)具有阀门(38，39)以控制从油井通过对接-管汇(130)流入系统-模块(110)的流体的混合。各阀门(38，39)通过控制线(65)与控制单元(60)连接。在各导管(51，52)上分别设有止回阀(43，44)，也就是公知的不能回流的阀门。流体从导管(51，52)穿过阀门(38，39)和止回阀(43，44)经由单输入管道(56)进入增压泵(50)。提供压力测量装置(61)和温度测量装置(62)以测量单输入管道(56)进入增压泵前的下游处的压力和温度。各测量装置通过控制线(65)与控制单元(60)连接。类似地，增压泵(50)的出口设有压力测量装置(63)和温度测量装置(64)以测量输出流体通道(57)的压力和温度。所有压力和温度测量装置都通过控制线(65)与控制单元(60)连接。流体从生产井被抽吸至相互连接的管道系统(132)，或通过系统-模块(110)的增压泵(50)经由输出管道(81)抽吸至其他处理模块。
增压泵(50)由高压电源供电，其通过位于对接-管汇(30)上的电源线(66)与电源连接器(70)相连。控制单元(60)从压力和温度测量装置接收信息并将这些数据或信息经脐状电缆(80)传递给主机设备。控制单元(60)最好包含外壳，该外壳分成分别容纳固态控制电子和配电开关的两个舱室。控制单元(60)容纳在一个称作控制柜的压力容器中，其中该柜具有从柜外表面连接到电源和控制线的电缆贯入器。主平台(140)经由脐状电缆(80)为模块供电并经由通信线(67)与控制单元(60)通讯。由于控制单元(60)控制着模块的正常运转，所以可以通过主机设备经由脐状电缆(80)对它进行如控制、编程或者命令来关闭模块。系统-模块(110)还包含通过控制线(122)与控制单元(60)连接的致动器(121)，对接-管汇(130)含有分流阀(131)，该阀将在后面的描述中说明。
现在参照图5，该图描述的是置于对接-管汇(130)上、用于试井的系统-模块(110)。系统-模块(110)含有三相分离容器(300)，其中该分离容器(300)具有水平传感器(302)，该传感器用于探测与控制单元(60)相连的分离容器(330)中油、水和天然气之间分界面的位置。三相分离器(300)的第一输入管道(56)通过下游含有隔离阀(48，49)的流体管道(51，52)与触动式自动防故障阀(57)连通。该触动式自动防故障阀(57)与控制单元(60)相连，当异常情况发生时，其中的系统-模块将被关闭。从生产井(160，170)流出的流体通过输入流体通道(21，22)经多孔流体连接器(30)到流体管道(51，52)进入三相分离器(300)。
分离容器(300)的第一出口(304)通过油管(306)经多孔流体连接器(30)与通向主机设备的专用石油管道(82)连接。分离容器(300)的第二出口(308)通过水管(310)经多孔流体连接器(30)与水管道(83)连接。该水管道可以通向主机设备或通向专用水处理井。分离容器(300)的第三出口(312)通过气道(314)经多孔流体连接器(30)与通向主机设备的专用气体管道(81)。
油管(306)和水管(310)分别具有增压泵(320，322)、流量控制阀(330，332)、文氏管流量计(324，326)和增压泵(320，322)下游分别通向油管道(81)和水管道(83)的止回阀(354，356)。在油增压泵(320)和油流量控制阀(330)之间是油管(306)的接头(340)，油回流管道(344)从该接头将油管(306)经公知作为非回流阀门的止回阀(350)与流体入口(56)连接。同样，在水增压泵(322)和水流量控制阀(332)之间是水管(310)的接头(342)，水回流管道(346)从该接头将水管(310)经止回阀(352)与下游回向分离容器(300)的油回流管道(344)连接。气管(314)具有压力控制阀(360)、文氏管流量计(362)和下游经多孔流体连接器(30)通向专用气管道(81)的止回阀(364)。所有上述泵、文氏管流量计、流量控制阀和压力控制阀都由控制单元连接和控制。为了清楚起见，省略了控制单元(60)、泵、文氏管流量计、流量控制阀和压力控制阀之间的连接。
系统-模块(110)还包含至少两个优选的通过控制线(122)与控制单元(60)连接的电控致动器(121)。在现有技术中，EP0596900公开了致动器，其中该致动器包含贯穿致动器主体、与阀门耦接的杆，这样杆的轴向移动就可以打开和关闭阀门。这些现有技术具有一个同轴环绕设置的外轴，与杆螺纹啮合，并与电动机耦接，以向轴输送转动力，这样轴相对杆的轴向移动使弹簧压缩。该轴被带有压紧弹簧的螺线管-致动闭塞机构可释放地保持在预定位置，这样，轴的进一步转动就会引发杆相对轴轴向移动从而启动阀门。
系统中所用的致动器(121)是转动式致动器，它连接着位于对接-管汇(130)的三相分流阀(131)。当系统-模块(110)下降到对接-管汇(130)时，致动器(121)与分流阀(131)对准并就位接合。三相分流阀(131)被优选的电控致动器(121)启动并能够控制液体流入系统-模块(110)的流向。对接-管汇(130)内相互连接的管道系统(132)将生产井(160，170)(图3)经输入流体管道(21，22)与多孔流体连接器(30)的第二部分(32)连接。当这两部分(31，32)分离和/或系统-模块(110)因维护或重新配置以适应区域特性改变而被回收时，相互连接的管道系统(132)被隔离阀(43，44，45，46，47)关闭。三相分流阀(131)具有第三阀口以使得流体从生产井(160，170)经对接-管汇(30)处的输出管道(84，85)转向其他处理模块或主机设备。
致动器(121)通过控制线(122)与控制单元(60)连接。系统-模块(110)的控制单元(60)由电源和控制柜内以及主平台(140)上主控站(MSC)(150)内的可编程逻辑控制器(PLC)的网络组成。控制单元(60)经通信线(141)从主控站(150)接收命令并由控制线(122)将信号传递给致动器(121)。因此，当接收到来自主控站(150)的命令时，三相分流阀(131)被致动器(121)启动。
所有控制回路都是就地运作无需从主平台(140)上的主控站(150)发出和接收的大量数据流的快速传递。指令从主控站(150)发出，处理值经通信线(141)和脐状电缆(80)被传送至主控站(150)而无需打断生产过程。采用这种方法，向水上主控站(150)发送数据以及仅需水上员工对异常情况采取手动控制，就可以对海底系统进行持续监控和控制。