CN101939503A - 用于提供额外防喷器控制冗余的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种装置，其允许后备或备选的流体流路利用远程安装的可移除的液压软管连接件来围绕出故障的防喷器控制元件。所述后备的流体流路凭借刚性地附接于防喷器的隔离阀发送压力可调的液压流体到防喷器作业上，然后到连接至防喷器上的干预板的软管，最后经过隔离主要流路并建立用以允许连续作业的辅助流路的阀。为了增加可靠性，后备元件从备用防喷器功能件规定路线并且被刚性固定于防喷器。

Description

用于提供额外防喷器控制冗余的系统和方法

【相关申请的交叉引用】

本申请要求2007年9月21日提交的第60/974,339号美国临时申请的优先权。

【技术领域】

本发明一般涉及一种流体供给系统和装置，且更具体地涉及一种用于防喷器的后备液压流体供给系统和装置。

【背景技术】

海底钻井作业可能遭遇井喷，该井喷为流入钻井的地层流体的失控流。井喷是危险和浪费的，并能造成对钻井设备的寿命损耗、污染和损害，以及井产量的损失。为了防止井喷，防喷器(blowout prevention，BOP)设备是必须的。防喷器设备典型地包括一系列能够安全地隔离和控制钻井位置处的地层压力和流体的功能件(function)。防喷器功能件包括液压操作地开启和关闭的管闸板、环形密封件、设计用以剪切管的剪切闸板、用来容许钻井流体的受控流的一系列远程操作阀、以及再入井设备(wellre-entry equipment)。此外，过程和状态监视器件完善了防喷器系统。钻井工业把防喷器系统统称为防喷器组(BOP Stack)。

井和防喷器通过隔水管(marine riser pipe)连接到水面钻探船(surfacedrilling vessel)，该隔水管将地层流体(例如油等)运送到地面(surface)，并使钻井流体循环。隔水管通过下隔水管总成(Lower Marine RiserPackage，“LMRP”)与防喷器连接，该下隔水管总成包含与防喷器连接的器件、用于井控制的环形密封件、以及为操作防喷器而供给液压流体的流控制器件。下隔水管总成和防喷器通常被简单地统称为防喷器，并且在本文中和权利要求书中使用的用语防喷器均指防喷器组和下隔水管总成。许多防喷器功能是液压控制的，且附接至隔水管的管供给液压流体和其他井控制流体。典型地，中央控制单元容许操作人员从地面监视和控制防喷器功能件。中央控制单元包括用于控制不同防喷器功能件的液压控制系统，该液压控制系统中的每一个在其上游具有不同流控制元件。水面钻探船上的操作人员典型地凭借多路电子控制系统操作流控制元件和防喷器功能件。

某些钻井或环境状况要求操作人员从防喷器断开下隔水管总成并将隔水管和下隔水管总成收回到水面钻探船。当下隔水管总成被断开时，防喷器功能件必须控制(contain)井，以便地层流体不泄漏到周围环境中。为了增加在顶掣(upset)或断开状态时对井进行控制的可能性，一些公司典型地包括冗余系统(redundant system)，该冗余系统被设计以在一个控制元件失效时用来防止失控。通常，一些公司通过安装两套独立的中央控制单元而使所有的关键控制单元加倍来提供冗余。钻井工业将这两个中央控制单元称为蓝外壳和黄外壳。一次仅使用一个外壳，另一个提供备份。

尽管现有技术的系统具有双重冗余，这种冗余实际上仅是安全冗余而非可操作的冗余，这意味着单个元件失效将需要停止钻井作业、构建井安全以及替换失效元件。停止钻井来替换元件经常代表较大的停工期并且对钻井承包人和操作人员而言则代表着重大收入损失。

另外，当防喷器在地面上时，测试不同的功能件典型地需要断开与防喷器功能件的螺纹连接(connection)。建立和断开螺纹连接使得有机会损害到该连接，这需要替换和可能的停工期。

钻井工业需要一种简单、可靠并经济(cost effective)的方法来提供额外的冗余并防止无计划的防喷器组的修补。钻井工业需要一种在地面上时控制海底井控制设备以及测试和维护设备的更简单、经济并且有效的方法。

【发明内容】

本发明提供一种改进的方法和装置以凭借备选的流路向流体流动元件提供冗余。在允许连续流到达并控制功能件的同时，本发明允许失效元件有安全并且有效的旁路。本发明可以被集成到现有的不同流动系统中或被安置在全新流动系统上，以提供一层有效的冗余。

在一些实施例中，流体供给装置包含液压流体主源、防喷器功能件、来自液压流体主源的主要流体流路，其经过协助操作的防喷器功能件的主要元件、经过第一阀、经过第二阀、然后达到防喷器功能件，以及来自液压流体主源的辅助流体流路，其经过刚性地附接至防喷器的隔离阀、经过刚性地附接至防喷器的先导阀、经过可移除地连接于干预板的软管、经过第二阀而达到防喷器功能件，其中辅助流体流路旁路协助操作防喷器功能件的主要元件和第一阀。

在一些实施例中，远程操纵潜水器(remotely operated vehicle，ROV)可以给丧失常规控制的防喷器功能件配置可选的液压供给。滑阀具有硬性地管接到防喷器功能件上的出口、连接到另一个滑阀上的入口以及从接收板硬性地管接的辅助入口。在正常流动期间，滑闸(shuttle)处于正常流动位置，流体进入主要入口并围绕滑闸杆(shuttle stem)和出口之外的范围流动。当后备流被引入辅助入口时，流体迫使滑闸到启动位置，隔离主要入口并且仅允许来自辅助入口的流。

在一些实施例中，防喷器液压控制系统包括蓝色中央控制外壳、黄色中央控制外壳以及一个或多个备用功能件，该备用功能件能够从任一个中央控制外壳或者代表任一个中央控制外壳供给流体。

防喷器功能件上的独立和/或冗余控制减少了停工期并且增加了安全性。本发明与许多已建立的系统兼容并且为防喷器系统元件提供便宜的冗余。在本发明的另一个实施例中，备用功能件上的控制显而易见地集成到现有的多路控制系统中，允许操作人员利用现有的控制系统来控制备用功能件。

前述内容已经相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便本发明接下来的详细描述可以被更好地理解。本发明另外的特征和优点将在下文中描述，这些特征和优点构成了本发明权利要求的主题。本领域技术人员应当理解的是：本发明公开的构思和特定实施例可以被容易地用作修改或设计其它结构以实现本发明的相同目的的基础。本领域技术人员也应当认识到：此类等同构造没有脱离如在所附的权利要求中阐述的本发明的精神和范围。当结合附图考虑时，将从以下的描述更好地理解被认为是本发明的特点的新特征、兼及它的组织和操作方法、连同其它的目的和优点。然而，应清楚地理解的是：每幅图仅为了说明和描述的目的而提供，并无意作为限制本发明的限定。

【附图说明】

为了更全面地理解本发明，现在参照结合附图的以下描述，其中：

图1是结合了本发明的一个实施例的、包括下隔水管总成的防喷器装置的透视图；

图2是代表本发明的一个实施例的海底控制系统的示意图。

【具体实施方式】

如本文中所使用的，用词“一个(a/an)”在权利要求书和/或说明书中结合用语“包含”(或同义词“具有”)使用时可以意味着“一个(one)”，但其也与“一个或多个”、“至少一个”以及“一个或多于一个”的意思一致。此外，如本文中所使用的，词组“连接于”意味着联接至、或者直接地或通过中间元件放入以进行连通(place into communication with)。

参考图1，本发明的一个实施例包含提供可操作的冗余的装置。在图1所示的实施例中，防喷器系统1000包含防喷器组1001、下隔水管总成1002、干预板1003和1004、黄色外壳1005以及蓝色外壳1006。在典型作业中，液压流体经由主要流路流向防喷器功能件，该主要流路可以包括但不限于，诸如阀、管、软管、密封件、连接件(connection)以及仪表的元件。防喷器控制功能件包括但不限于，液压控制地开启和关闭的管闸板、环形密封件、设计用以剪切管的剪切闸板、容许钻井流体的受控流的一系列远程操作阀、隔水管连接器以及再入井设备。

没有根据本发明备份的控制外壳1005或1006内的任意一个元件的失效或出故障均可能需要停止钻井并检修(serve)控制外壳，这要花费很多钱。当蓝色或黄色控制外壳内、或别处的控制元件出故障时，控制元件对应的防喷器功能件将不会对正常命令做出响应(例如，环形密封件将不会关闭)。原有的备份包括硬性地管接(piped)至不同的防喷器功能件的控制外壳，这意味着如果控制外壳1005或1006内的一个元件失效且必须进行修理，则必须断开整个控制外壳或下隔水管总成，并且终止或限制控制外壳在防喷器功能件上的控制。如本文所使用的，“硬性地进行管接”或“硬性地管接”或“刚性地连接”指管、元件以及相关连接件是永久性的或者是不易用远程操纵潜水器移除的。这是重要的，因为刚性连接的元件更为可靠。此外，出于安全和调节的原因，钻井作业不能或不会仅用一个运转的控制外壳来操作。因此，一个控制外壳的一个元件的失效迫使钻井作业停止。通过用集成到防喷器的备用功能件为许多防喷器功能件提供可选的后备控制，本发明的一个实施例克服了海底钻井中的这个问题。

万一主要流路中失效，则后备流路包括备用功能件1010，该备用功能件可以是刚性地连接至防喷器的任一备份的或非关键的功能件。备用功能件1010的刚性的、不可移除的特性消除了失效点并且增加了可靠性。来自备用功能件1010的流体流经包括软管1009在内的元件并且进入干预板，该干预板硬性地管接至如下所述的失效功能件。

如图所示，远程操纵潜水器1007连接着软管1009，包括热入扣(hotstab)1008到干预板1004。一旦热入扣1008被连接上，调节流形的加压液压流体(regulated manifold pressurized hydraulic fluid)通向对应于入扣位置的功能件，允许可操作冗余并且避免停工期。配置软管1009的远程操纵潜水器1007能够从干预板1003或1004将其连接或断开。远程操纵潜水器1007可由操作人员从地面操作，或者可以被预编工艺以基于来自多路控制系统的输入执行特定的连接或断开。

凭借与干预板1003或1004的暂时连接件，软管1009连接至防喷器功能件，该暂时连接件包含可商购获得的入扣连接件(stab connnection)，诸如那些具有延伸入连接端口并与其液压回路匹配的外部调心液压环(external self-aligning hydraulic link)的连接件。一般地，入扣连接件包含接受器或阴性部件以及入扣或阳性部件，而两者中任一部件通常可以被称为入扣连接件。

在一些实施例中，地面上的多路电子控制系统(“MUX”)以及操作人员控制和/或监视防喷器功能件和液压供给。在简单意义上，多路电子控制系统允许操作人员通过按动按钮等来控制防喷器功能件。例如操作人员通过按下按钮来关闭环形密封件，或输入电子命令向液压系统发信号来关闭环形密封件。在一些实施例中，本发明被集成到现有的多路系统中，以便能够通过按动按钮来命令启动后备液压供给。此外，软件能够允许正常流和后备流之间的转换，很明显地是因为操作人员按动相同的按钮来控制特定的功能件而无论所使用的是正常流或后备流。

图2显示了包括控制系统1100的本发明的一个实施例。在标准作业中，加压液压流体从地面经由管线1101中的隔水管流动经过控制外壳1102或1103。假定通过控制外壳1102的流来控制防喷器的“开启”功能件，流体流动经过调节器1104、经过不同的设备、然后经过管线1105和阀1106流到功能件1107。

通过提供来自备用功能件的液压流体的集成源，所示的本发明的实施例而增加了一层可操作的冗余，其中备用功能件凭借热入扣1008刚性地附接到防喷器上、管接到额外阀1109上并从阀1109管接到功能件上。例如，万一主要液压通路出故障，热入扣1008能被连接至干预板，以便流体迫使阀1109移动并且允许流体凭借相关联的硬性管流到防喷器功能件1107。阀1106和1109可以是各种已知的阀，诸如滑阀。

后备供给通路最好开始于调节器1104的下游并且通向刚性地附接至防喷器的阀1110，该阀可以是可由远程操纵潜水器操作的隔离阀或另外的合适的阀，以阻止经过后备通路的流直到需要之时。经过阀1110的流通向阀1111，阀1111通向软管1009。来自诸如热备用件(hot spare)1112的备用出口(或者如果不存在备用件，则是非关键功能件)的先导液压信号(pilot hydraulic signal)能够充当热备用件并且能被用于移动阀1111，以便经过软管1009向热入扣1008供给调节过的流体。在一个实施例中，阀1111是一个凭借热入扣螺线管先导的、下隔水管总成式(LMRP-mounted)板式安装阀(spare sub-plate mounted valve，SPM valve)。因为所有关键元件被刚性固定于防喷器装置，消除了点失效并且提供了可操作冗余的可靠来源。

因此，当发生失效时，远程操纵潜水器可以规定液压引线热入扣软管(flying lead hydraulic hot stab hose)1009的路线，其从备用源1010通向位于下隔水管总成或防喷器组上的干预板1003或1004上的、合适的远程操纵潜水器的输入端。现在，热入扣替代来自失效外壳回路的输出来供给液压输出。于是，地面上防喷器控制面板上的备用功能件被标记为其现在能控制的功能件。因此，提供了允许全部功能件可连续作业的完全可操作的冗余。

如图2所示，系统可以提供用于“蓝色”外壳1102和“黄色”外壳和1103的冗余。因此，阀1113补充了阀1110，而热备用件1114补充了备用件1112；并且，在两种情形中，滑阀(shuttle valve)(分别为1115和1116)或其它合适的阀调制两个补充阀之间的流。尽管未详细地显示，但是额外热备用件总成(hot spare package)1117(包括热备用件和阀1111的补充阀)可以从阀1110和1113下游的管线分出来以操作第二热入扣，该第二热入扣将在入扣位置1118处进入干预板，该入扣位置已与阀1119和1120相关联，阀1119和1120分别与阀1106和1109相似。可以增加额外的热备用件总成，其中每一个均可以从地面单独地进行控制。

对于凭借干预板而提供有可操作冗余的每一个功能件，将利用如阀1109和1120(以及相关联的管)的阀。虽然每一个阀可以用外径为1/2英寸的管连接至干预板，然而可以使用其它的管。在一个实施例中，干预板和插座按API 17D的规格构造，但其它的配置落在本发明的范围内。

然而，不需要热备用件总成来为每一个防喷器/下隔水管总成功能件提供冗余，并且热备用件总成的数目可以少到一个。这是因为，几个防喷器功能件同时失效不是一般的情形，因此一个或两个热备用件总成通常将满足需要。

此外，当防喷器组在地面上时，干预板和相关联的阀(例如，阀1109和1120)以及管路或管允许启动防喷器功能件，方便维护而不必建立、断开或操控现有连接件，而这可能导致损失和失效。操作人员可以简单地使得连接件入扣到干预板上的合适插座中，然后测试或另外在相关联的功能件上执行维护。

因此，系统增加了冗余并消除了侵入维护行为。这种改进包括即使在主要防喷器控制功能件失效后，在海底防喷器组上安装最少量硬件以允许连续作业(凭借额外防喷器控制冗余)。虽然许多功能件可以提供冗余，但用于此类冗余的最佳候选冗余可以通过分析潜在的单点失效来确认。此外，当防喷器组在地面上时，增加的硬件将允许启动防喷器功能件，方便维护而不必中断现有连接件。此额外特征方便在地面上维护并且减少遭遇由维护导致的失效的可能性。

尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但是应该理解的是：在本文中可以进行不同的改变、替换和变型而不脱离由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围。此外，本申请的范围无意被限定于在说明书中所描述的工艺、机械、制造、组成(composition of matter)、机构、方法或步骤的具体实施例。本领域的技术人员从本发明的公开内容将容易理解：目前现有的或者今后发展出来的实质上执行与在本文中所描述相应实施例同样功能或者实质上获得与相应实施例同样的结果的工艺、机械、制造、组成、机构、方法或步骤，其中在本文中所描述相应实施例可根据本发明而被利用。因此，所附的权利要求意图包括落在其范围内的此类的工艺、机械、制造、组成、机构、方法或步骤。

Claims (10)

1.一种防喷器流体供给装置，其包含：

液压流体主源；

防喷器功能件；

来自液压流体主源的主要流体流路，经过协助操作防喷器功能件的主要元件，经过第一阀，经过第二阀，然后达到防喷器功能件；以及

来自液压流体主源的辅助流体流路，经过刚性地固定于防喷器的隔离阀，经过刚性地固定于防喷器的先导式热备用阀，经过可移除地连接至干预板的软管，经过第二阀而到达防喷器功能件，其特征在于：辅助流体流路旁路协助操作防喷器功能件的主要元件和第一阀，并且提供液压流体来操作防喷器功能件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，主要流体流路和辅助流体流路穿过调节器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，辅助流体流路允许防喷器功能件的可操作冗余。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，先导阀在地面站处是可控制的并从防喷器上的热备用源获得用于先导操作的液压流体。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包含在地面站的多路电子系统，该多路电子系统能够被预编工艺以控制主要流体流路和辅助流体流路。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，干预板包含通向相应的多个防喷器功能件的多个连接端口。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一阀和第二阀为滑阀，并且先导阀为板式安装电磁阀(SPM solenoid-operated valve)。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，隔离阀能够由远程操纵潜水器操作。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，主要流体流路经过主要入口进入第二阀，而辅助流体流路经过辅助入口进入第二阀。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，主要流体流路包含蓝色外壳的主要流体流路且辅助流体流路包含蓝色外壳的辅助流体流路；并且还包含：

来自液压流体主源的黄色外壳的主要流体流路，经过协助操作防喷器功能件的黄色外壳的主要元件，经过第一阀，经过第二阀，然后达到防喷器功能件；以及

来自液压流体主源的黄色外壳的辅助流体流路，经过刚性地固定于防喷器的黄色外壳的隔离阀，经过连接至蓝色外壳的隔离阀的滑阀，经过先导阀，经过连接至干预板的软管，经过第二阀而到达防喷器功能件，其中黄色外壳的辅助流体流路旁路协助操作防喷器功能件的黄色外壳的主要元件和第一阀。

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