CN102985318A - 海底电力分配网络系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用海底电力分配集线器的集成电力分配系统，所述海底电力分配集线器通过脐带缆从主井上设备接收高压电。所述海底电力分配集线器经由跳线逐步减小所述高压电并将适当的电力供应分配给海底生产系统的多个组件(例如，井泵、海底增压泵、海底处理单元、海底阀和海底传感器)。所述集成海底电力分配系统可以用来从完井到井上主设备供应电力给所述海底生产系统的全部所需的处理组件。

Description

海底电力分配网络系统和方法

相关申请

本申请要求2010年4月8日申请的第61/322,199号美国临时专利申请的权益。

发明背景

本章节提供背景信息来促进对本发明的各个方面的更好的理解。应理解本文件的这个章节中的陈述是从这个角度来阅读，并且并非作为对现有技术的许可。

本发明大体上涉及用于供应电力到海底采油设备的装置和方法，并且更具体来说涉及一种促进对海底采油系统的电力分配和海底采油系统的控制功能的海底集成电力网络。

电力是操作与海底采油系统相关的各种组件(例如，装置和系统)所必需的。例如，油井通常需要电来操作位于井中和/或井源上的传感器、布置在井中的潜水电泵(“ESP”)和位于井和流线中的阀和/或致动器。电力也是操作增压泵或压缩器所必需的，所述增压泵或压缩器用于从井或海底处理系统泵抽生产流体(例如，油、水和/或气体)到位于水面或陆上的远端中面设备。高电力需求、糟糕的环境状况以及通常必须限制电力所跨的长距离通常限制了可以高效输送的电力量。

发明概述

根据本发明的一个或多个方面，海底采油系统包括：井上主设备，所述井上主设备包括井上电源；海底电力分配集线器，其可操作地连接到所述井上电源以接收高电压输入，其中所述海底电力分配集线器包括变压器以提供中间电压输出和低电压输出；井泵，其布置在海底井中，所述井泵连接到所述海底电力分配集线器的一个电压输出；和海底增压泵，其连接到所述海底电力分配集线器的一个电压输出。

用于提供电力到海底采油系统的方法的实施方案包括从井上主设备供应高电压输入到位于接近海底处的海底电力分配集线器；将所述海底电力分配集线器上的高电压输入逐步减小到中间电压输出和低电压输出；供应所述中间电压输出到海底采油系统的两个或更多个中间电压装置；和供应所述低电压输出到所述海底采油系统的一个或多个低电压装置。

根据本发明的一个或多个实施方案，海底采油系统的集成电力分配网络装置包括：海底电力分配集线器，其被调适为连接到井上主设备以接收高电压输入并将所述高电压输入逐步减小到中间电压输出和低电压输出；脐带缆，其被调适为可操作地连接所述海底电力分配系统到井上主设备，所述脐带缆包括电导体以传输高电压输入和数据导体以从所述井上主设备传输输出数据到所述海底分配集线器，并从所述海底电力分配集线器传输输入数据到所述井上主设备；被调适为可操作地连接井泵到所述中间电压输出的跳线；被调适为可操作地连接海底增压泵到所述中间电压输出的跳线；和被调适为可操作地连接布置在海底井中的传感器到所述低电压输出的跳线。

上文已经概述本发明的一些特征和技术优点以便可以更好地理解下文本发明的详细描述。下文将描述本发明中形成本发明的权利要求书的标的的另外特征和优点。

附图简述

当结合附图阅读时，可从下列详细描述中更好地理解本公开内容。强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征并非按比例绘制。事实上，各种特征的尺寸可以出于论述方便任意增大或减小。

图1是根据本发明的一个或多个方面的海底采油系统的集成电力分配系统的实施方案的示意图。

图2是根据本发明的一个或多个方面的海底电力分配集线器的示意图。

图3是海底采油系统的集成电力分配系统的另一实施方案的示意图。

具体实施方式

应了解，下列公开内容提供许多不同实施方案或实施例，以实施各种实施方案的不同特征。下文描述组件和设备的特定实施例以简化本公开内容。当然，这些仅仅是实施例并非旨在限制。另外，本公开内容可以重复各种实施例中的参考数字和/或字母。这种重复是出于简洁和清楚的目的并且本身不表示所论述的各种实施方案和/或配置之间的关系。而且，下文第一特征在第二特征上方或上的形成可以包括其中第一特征和第二特征形成为直接接触的实施方案，并且还可以包括其中另外的特征可形成为穿插于所述第一特征和所述第二特征之间，使得所述第一特征和所述第二特征可以不直接接触的实施方案。

图1是根据本发明的一个或多个方面的海底采油系统的集成电力分配网络的一个实施方案的示意图。整体用数字8表示的所描绘的海底采油系统包括海底油井12、集油歧管15、注入井13、处理单元14(例如，分离器、冷凝过滤器等等)、增压泵16和注入泵18。井12和13被钻入海底24下方的地层。完井12和13中的每个通常包括一个或多个传感器(例如，测量仪器)、检测仪表和井上(例如，井源、树)阀。井12和13还可以包括井下阀和井泵(例如，潜水电泵)。油井12通过流线20与井上主设备22流体连通。在所述实施方案中，流线20在船用阀28处连接到井上主设备22。增压泵16通常与油井12(例如，井泵56)流体连接以提供另外的井源以从井12泵抽生产的流体到井上主设备22。

井上主设备22位于井上位置26(例如，陆地、水面)处，所述井上位置可以位于与采油设备组件的海底24位置相距一定延伸距离(例如，步测距离)处。例如，到井上主设备22的步测距离可以是10到150km或以上以传输AC电流并且可以是300km以传输DC电力。在图1中，井上主设备22描绘为位于水面的船舶(例如，船只、油轮、钻井平台等等)。在一些实施方案中，井上主设备22可以位于陆地上。

整体由数字10表示的集成电力分配网络被调适为提供电力到海底采油系统8的限制范围内的多个消耗者。例如，海底采油系统8的限制范围可从海底井12、13的完井延伸到井上主设备22的船用阀。根据至少一个实施方案，电分配网络10包括位于井上主设备22上的电源30和基于处理器的控制器32(例如，可编程逻辑控制器)以及位于海底(例如，海底24)接近海底采油系统8组件处的电力分配集线器34。电力分配集线器34通过脐带缆36可操作地连接到井上电源30和井上控制器32。脐带缆36可以包括用于在井上主设备22和海底分配集线器34之间传输电力和数据的一个或多个导体(例如，导线、光纤等等)。脐带缆36可以例如通过湿式配合连接器连接到海底分配集线器34。海底分配集线器34通过跳线38(例如，脐带缆、电缆、管线、导体、光纤)可操作地连接到电消耗者(例如，井下和泵、传感器、阀、致动器、加热器等等)。跳线38可以包括电力导体和/或数据导体。

图2是根据本发明的一个或多个方面的集成电力分配网络的海底电力分配集线器34的示意图。脐带缆36将海底分配集线器34连接到井上主设备22的井上电源30和井上控制器32。在所描绘的实施方案中，脐带缆36包括一个或多个电导体40以从电源30传输电力。例如，高电压(例如，大于22,000VAC)可以从井上主设备22传输到海底分配集线器34以使导体横截面和传输损耗最小化。根据本发明的一个或多个方面，脐带缆36包括一个或多个专用数据导体42(例如，I导线、电缆、管线、光纤等等)以从井上控制器32传输输出控制数据到海底分配集线器34(例如，海底数据集线器41)以及接着传输到海底采油系统8的不同电消耗者(例如，泵、传感器、阀、致动器等等)并且将在海底分配集线器34上所接收的输入数据传输到井上控制器32。

在图2中所描绘的实施方案中，海底分配集线器34包括海底数据集线器41，所述海底数据集线器被调适为接收从海底采油系统8收集的输入数据，包括采油系统参数例如井12、13状况(例如，压力、温度、流速、沙产量、流体相组合、规模等等)、海底泵16、18参数(例如，压力、温度、电流、流速等等)、采油单元14状况(例如，共振时间、压力、温度、电流、输入和输出流体相组合、输入和输出流速等等)和流线状况(例如，压力、温度、水合物形成、流率、温度等等)。所述输入数据(即，采油系统参数)经由跳线38从海底采油系统8组件而被接收在海底数据集线器41上。来自不同海底采油系统8组件的输入数据在海底数据集线器41上被整理并且经由脐带缆36中的一个或多个专用数据导体42传输到井上主设备22和井上控制器32。

输入数据可由井上控制器32用于对不同海底采油系统组件进行闭合回路控制，所述组件包括但不限于井泵(例如，潜水电泵(“ESP”))、海底泵(例如，增压泵16、注入泵18)和处理单元14。井上主设备22，即控制器32可以用于平衡例如海底采油系统8的组件之间的电力分配。根据本发明的一个实施方案，系统10通过在井上控制器32上整理来自海底采油系统8的全部感应输入数据而促进安全、可靠和最优的海底采油。可以将基于处理器的井上控制器32链接到远程互动监控和诊断系统，例如用于对海底采油系统8组件和/或采油参数进行状况监控。

根据至少一个实施方案，高电压(例如，高于22,000VAC)跨脐带缆36从主设备22传输到海底分配集线器34。海底分配集线器34接着通过一个或多个电路(例如，输出)将电力逐步减小并将电力分配给海底采油系统8的不同电消耗者。例如，在所描绘的实施方案中，海底分配集线器34提供中间电压输出44(例如，3000-7000VAC)、低电压输出46(例如，110-700VAC)和DC电输出48。

在所描绘的实施方案中，被分类为中间电压的海底采油系统8的组件可操作地连接到中间电压输出44电路，例如变压器50和可变速度驱动器52(例如，频率转换器)。中间电压装置的实施例包括但不限于泵(例如井中潜水电泵、增压泵和注入泵)、压缩器和流体相分离单元(例如，处理器单元)。所述可变速度驱动器52促进以所需操作频率(Hz)传输电力到井中和海底泵抽设备，并促进从井上主设备的选择性速度变化以满足例如采油井源和流量需求。不同油泵之间的电力平衡和负载共享，例如井泵(例如，潜水电泵、抽水泵)与海底增压泵的组合可以经由井上主设备22的井上控制器32执行。所述集成海底电力分配网络促进同时对来自井上主设备22的多个海底采油系统8组件进行控制操作。

低电压装置被示意描绘为可操作地连接到具有变压器50的低电压输出46。低电压输出46电路可以包括可变速度驱动器52。低电压组件(例如，装置)包括但不限于传感器例如多相仪表；可例如位于井中(即，井下)、井源(例如，采油树、阀树)、流线和集油歧管上的电阀和致动器；局部化学注入泵；和控制与检测仪表系统。静态高电力用户包括但不限于流线加热器和静电冷凝过滤器(例如，处理单元)。

DC供电装置被示意描绘为可操作地连接到具有变压器50和整流器54的DC输出48电路。DC供电装置包括但不限于传感器，例如不限于压力传感器、温度传感器、流速仪表、多相仪表、电流等等。

图3是集成电力分配网络10和海底采油系统8的另一实施方案的示意图。图3描绘油井12和注入井13，其每个穿透一个或多个地层，所述地层整体标注为地层70，并且个别地标注为地层70a、地层70b等等。井12、13中的每个井包括布置在井中并且可操作地连接到井源74(例如，采油树、阀树等等)的完井72。每个完井72可以包括可操作地连接到电力分配集线器34和井上主设备22的一个或多个操作装置(例如，泵、传感器、阀等等)。例如，所描绘的油井12包括至少一个传感器60、井阀58和潜水电泵56，其每个通过海底分配集线器34可操作地连接到主设备22。如下文进一步描述，油井12可以通过海底电力分配集线器34由井上主设备22(即，控制器32)监控、供电并控制。

参考图1到图3，井上主设备22经由脐带缆36可操作地连接到海底功率分配集线器34并且可经由跳线38从海底分配集线器34可操作地连接到海底采油系统8的各种组件。脐带缆36和跳线38包括电力导体40和/或数据导体42以可操作地连接各种海底采油系统8组件。在图3所描绘的实施方案中，电力和/或数据传达被提供给海底采油系统8的组件例如：井(即，井下、井底)泵56(例如，抽水泵、注入泵、潜水电泵)；海底泵例如增压泵16和注入泵18；阀58(例如，阻塞门、井阀、流线阀、树阀、歧管等等)；传感器60(例如，压力、温度、流速、流体相组合(即，油、水、气体))、规模、电流、沙产量检测等等)；局部检测仪表和控制器62，以及整体由数字64标注的其它海底采油系统装置(例如，流线加热器、化学泵、液压泵等等)。受益于本公开内容的本领域所属技术人员会明白可操作的海底采油系统8组件，例如处理单元14；泵56、16、18，可以包括未在本文个别或单独示出的传感器和检测仪表和控制器。

整个集成电力分配网络10和海底采油系统8的控制可以经由在井上主设备22上的井上电源30与井上控制器32的界面建立。控制信号可以经由高电压供应脐带缆36中的专用数据导体42传输到海底分配集线器34，并且对于海底分配集线器34而言例如响应于闭合反馈回路传输到各种海底采油系统组件。高电压电力(例如，AC和/或DC电力)可以传输广延步测距离到海底功率分配集线器34(其中所述高电压电力被逐步减小)(即，变压器50)并且根据海底采油系统8的电组件的驱动电压需求(例如，中间电压44、低电压46、DC电压48)传输到系统组件。海底功率分配集线器34上的一个或多个电路可以包括可变速度驱动器52，所述可变速度驱动器促进海底采油系统8组件(例如但不限于井泵56和海底泵16、18)的井上控制器32的可操作控制；并且提供电力平衡。

从海底采油系统8组件(例如，传感器60、局部检测仪表和控制器等等)到井上控制器32的输入数据的高频流实现实时海底采油系统监控(即，监视)和对海底采油系统8的响应性控制以最优化海底采油，以及系统完整性和保护。可以给予优先权来处理并紧急关闭来自井上主设备22的输入信号以完善系统安全性。举例而言，井上电源30和井上控制系统32的实施方案可以链接到井上主设备22而紧急关闭使得海底采油可以通过实现井关闭和泵系统停止顺序而以安全并受控的方式停止。详细的海底采油系统8广泛的电力监控可以经由例如海底泵抽系统58、16、18之间的负载共享而允许井上主设备22上的电力最优化，并且允许串联操作的海底泵以及井泵56和海床增压泵16的组合的最优启动和运行。另外，固有逻辑将允许经由模拟而对海底采油系统8建模以确保最优的设备操作。

井上控制器32经由可变速度驱动器52和海底分配集线器34在部署在一个或多个井12、13中的两个或更多个潜水电泵抽系统56之间例如提供负载平衡。井上控制器32还可以用于平衡井泵56和海底增压泵16之间的负载。当海底采油系统8中的泵串联连接时，例如，通常泵之间存在不均匀的负载分配。井上控制器32可以促进一个以上泵56、16、18上的负载的手动或自动平衡或选择性失配。在其它实施方案中，井上控制器32可以用于通过控制位于井源74(例如，树)和/或集油歧管15上的阀58(例如，阻塞门)管理泵例如井泵56上的负载。

井上控制器32可以用于提供过电流保护或其它电保护。此外，井上控制器32可以利用海底可变频率驱动器52经由海底分配集线器34上的电源的主动切换例如来在电消耗者(例如井泵和海底泵)之间提供负载控制。采油系统参数(例如，流速、井眼压力、沙产量等等)可以由井上控制器32响应于调整供应给井泵56和/或增压泵16中的一个或多个的电力信号频率而实现。类似地，各种采油参数(例如，相分率、流速、压力、沙产等等)可以由井上控制器32响应于调整阀58(例如，阻塞门)、处理单元14和增压泵16而实现。

可以通过井上控制器32提供安全性和系统保护。例如，响应于从一个或多个海底保护系统8组件12、14、16、18、56、58、60、62感应的数据，井上控制器32可以实时启动响应性控制动作。例如，响应于井12中的高压测量值的输入，控制器32可以经由停止井泵56和关闭一个或多个阀58例如井下安全阀、井源阀和采油歧管阀而启动油井12的关闭。在另一实施例中，响应于油井12中的高压测量值，井上控制器32可以启动减小井压力的动作。例如，井上控制器32可以增加井泵56的速度，即流速，打开一个或多个阀58，和/或缩短处理单元14上的共振时间。在安全性测量的一个实施例中，在通过井上控制器32启动关闭井泵56时，井上控制器32可以响应于来自传感器60指示井泵56的继续操作的数据输入防止关闭一个或多个阀58。在另一实施例中，井上控制器32可以响应于来自传感器60指示井泵56的过度振动的数据输入而启动井泵56的关闭程序。

可以经由井上主设备22和一个或多个海底采油系统8组件的井上控制器32的可操作控制而控制海底采油。例如，一个或多个海底采油系统8组件的操作状况可以由井上控制器32响应于油井12中测量的输入数据(例如，传感器60、局部检测仪表和控制器等等)而调整。例如，当从布置在油井12中的传感器60接收到沙产量正从地层区70b增加的输入数据(例如，反馈回路数据)后，发送来自控制器32的输出控制信号可以例如减小井泵56的操作速度，和/或致动例如在井源74上的阀58以增加油井12中的井底压力，和/或致动一个或多个井阀58以将地层区70a和其它地层隔离。在海底采油系统8的可操作控制的另一实施例中，海底处理单元14的操作参数可以经过调整而最优化由油井12生产的原始生产流体的相组合的海底分离。

上文概述若干实施方案的特征使得本领域所属技术人员可以更好地理解本公开内容的多个方面。本领域所属技术人员应了解其可以容易使用本公开内容作为设计或修改其它程序和结构以实行本文所介绍的实施方案的相同目的和/或达成相同优点的基础。本领域所属技术人员还应意识到这些等效构造不背离本公开内容的精神和范畴，并且其在不脱离本公开内容的精神和范畴下可以在本文中作出各种改变、替代和变更。本发明的范畴应仅由下文权利要求书的语言来确定。权利要求书中的术语“包括”旨在意味“至少包括”使得权利要求书中所引用的元件列举是开放式组。除非具体说明不包括，术语“一”、“一个”和其它单数形式的术语旨在包括其复数形式。

Claims (20)

1.一种海底生产系统，其包括：

井上主设备，其包括井上电源；

海底电力分配集线器，其可操作地连接到所述井上电源以接收高电压输入，所述海底电力分配集线器包括变压器以提供中等电压输出和低电压输出；

布置在海底井中的井泵，所述井泵连接到所述海底电力分配集线器的所述电压输出之一；和

海底增压泵，其连接到所述海底电力分配集线器的所述电压输出之一。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述井上主设备还包括基于处理器的控制器，所述控制器可操作地连接到所述海底电力分配集线器以传输输出数据到所述海底电力分配系统并从所述海底电力分配系统接收输入数据。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述井上主设备通过包括高电压导体和数据导体的脐带缆而可操作地连接到所述海底电力分配集线器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述井上电源通过脐带缆而可操作地连接到所述海底电力分配集线器以从所述井上电源传输大约22,000VAC或更大到所述海底电力分配集线器。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述中等电压输出是大约3,000VAC到约7,000VAC。

6.根据权利要求4所述的系统，其中所述低电压输出是大约110VAC到约700VAC。

7.根据权利要求4所述的系统，其中所述井上主设备布置为距离所述海底电力分配集线器大约10km或以上。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述井上主设备布置为距离所述海底电力分配集线器大约150km。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述海底电力分配集线器包括可变速度驱动器，所述驱动器可操作地连接到所述中等电压输出和所述低电压输出中的至少一个。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述井上主设备还包括基于处理器的控制器，所述控制器可操作地连接到所述海底电力分配集线器以传输输出数据到所述海底电力分配集线器并从所述海底电力分配集线器接收输入数据。

11.根据权利要求10所述的系统，其中：

所述井泵可操作地连接到所述海底电力分配集线器以从所述海底电力分配集线器接收输出数据并将输入数据传输到所述海底电力分配集线器；且

所述海底增压泵可操作地连接到所述海底电力分配集线器以从所述海底电力分配集线器接收输出数据并将输入数据传输到所述海底电力分配集线器。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述电力分配集线器包括整流器以提供DC电力输出。

12.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述井上主设备还包括基于处理器的控制器，所述控制器可操作地连接到所述海底电力分配集线器以传输输出数据到所述海底电力分配系统并从所述海底电力分配系统接收输入数据；

所述基于处理器的控制器和所述井上电源通过包括高电压导体和数据导体的脐带缆可操作地连接到所述海底电力分配集线器；

所述脐带缆从所述井上电源传输22,000VAC或更大到所述海底电力分配集线器；

所述中等电压输出是大约3,000VAC到约7,000VAC；和

所述低电压输出是大约110VAC到约700VAC。

13.一种用于提供电力到海底生产系统的方法，其包括：

从井上主设备供应高电压输入到位于接近海底处的海底电力分配集线器；

将所述海底电力分配集线器上的所述高电压输入逐步减小到中等电压输出和低电压输出；

供应所述中等电压输出到海底生产系统的两个或更多个中等电压装置；和

供应所述低电压输出到所述海底生产系统的一个或多个低电压装置。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述两个或更多个中等电压装置包括：

井泵，其布置在油井中；和

海底增压泵，其与所述井泵流体连接。

15.根据权利要求13所述的方法，其还包括平衡从所述海底电力分配集线器到所述两个或更多个中等电压装置的电力分配。

16.根据权利要求15所述的方法，其中平衡所述电力分配包括将输出数据从所述井上主设备上的基于处理器的控制器供应到所述海底电力分配集线器。

17.根据权利要求13所述的方法，其中供应高压电包括从位于距离所述海底电力分配集线器10km以上处的所述井上主设备供应大约22,000VAC或更大到所述海底电力分配集线器。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述中等电压输出是大约3,000VAC到约7,000VAC；和所述低电压输出是大约110VAC到约700VAC。

19.一种用于海底生产系统的集成电力分配网络装置，其包括：

海底电力分配集线器，其被调适为连接到井上主设备以接收高电压输入并将所述高电压输入逐渐减小到中等电压输出和低电压输出；

脐带缆，其被调适为可操作地连接所述海底电力分配系统到所述井上主设备，所述脐带缆包括电导体以传输所述高电压输入和数据导体以从所述井上主设备传输控制输出数据到所述海底分配集线器，并从所述海底电力分配集线器传输输入数据到所述井上主设备；

被调适为可操作地连接井泵到所述中等电压输出的跳线；

被调适为可操作地连接海底增压泵到所述中等电压输出的跳线；

被调适为可操作地连接布置在海底井中的传感器到所述低电压输出的跳线。

20.根据权利要求1所述的集成电力分配网络装置，其还包括布置在所述井上主设备上的基于处理器的控制器，所述控制器被调适为从所述海底电力分配集线器接收所述输入数据并输出控制数据输出数据到所述海底电力分配集线器。

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