CN101657670A - 用于井口高完整性保护系统的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于保护井口下游的管道的系统，其包括连接到井口上的入口和连接到下游管道上的出口。两组串联连接的地面安全阀彼此成平行的流体流动关系，且与入口流体连通。彼此流体连通的两个排出控制阀、两个串联连接的安全阀中的各个以及系统的入口和出口在中间连接到安全阀上。各个排出控制阀与排出线路流体连通，以基于产生信号的安全逻辑解算器通过出口控制阀来排出地面安全阀之间的过程压力，该安全逻辑解算器具有预先编程的安全和操作协议以及附连在出口控制阀的上游的压力感测变送器。独立地，在出现电气或液压故障时，各个串联连接的地面安全阀组的紧密切断测试就关闭所有的阀。

Description

用于井口高完整性保护系统的装置和方法
发明领域
本发明涉及一种用于连接到井口管线系统上的高完整性保护系统(HIPS)的操作和测试的方法和装置。
发明背景
在石油和天然气工业中，井口下游的产品流体管线通常为薄壁型的，以便最大程度地减小管线的成本。因此必须保护这种管线，使其免受可能使管破裂的过量的压力的影响，更换管子将非常昂贵，且将导致环境污染。用来保护管线免受过压影响的传统的系统为高完整性保护系统(HIPS)。其通常是采用压力传感器来测量管子中的压力的电动液压系统，通过控制模块的电子器件来使用它们以控制生产管HIPS阀的闭合。这种布置在采油树和HIPS阀之间的较短的管线区段内保持高压(该HIPS阀能够承受该压力)。这就防止了该管线的主要的、壁更薄的区段暴露于可能超过管线的压力额定值的压力水平。
定期测试HIPS的安全性是必然要求，因为HIPS的运行中的故障会引起对管线造成重大损伤的风险。传统的系统不能在其运行期间进行测试。因此，不得不停止生产系统的运行，且将之隔离开来以进行测试。中断运行具有严重的财务影响。另外，必须有至少一个操作者在测试期间接近HIPS，因为阀和其它构件的操作是由人手动地执行的。
已经提出了各种方法来测试和保护阀和管线系统免受过压的影响。例如，已经公布的申请US2005/0199286公开了一种高完整性压力保护系统，其中连接到两个下游管线和两个上游管线上的两个模块具有入口端口和出口端口。导管回路连接这两个端口，且对接歧管安装在管线中上游部分和下游部分之间。对接歧管通过第一模块或第二模块选择性地确定第一管线和第二管线其中各个中的流动的路径。系统允许流动的路径从两个管线的上游区域通过模块中的一个，然后通到管线中的一个的下游区域，以允许移除另一模块来进行维护、修理和/或更换。没有公开或建议用于在系统运行的同时对系统的运行进行测试的装置或方法。
例如，授予Hyde的美国专利No.6,591,201公开了流体能量脉冲测试系统，其中能量脉冲用于测试流体控制装置和系统(例如气升阀)的动态性能特性。这种测试系统对于测试液压回路中的地面安全阀很有用，但这种测试系统不提供整个系统执行安全功能的能力的安全信息。
授予Klaver等人的美国专利No.6,880,567公开了一种包括用于保护下游过程设施免受过压影响的切断阀、传感器和安全控制系统的系统。这个系统利用了局部行程(partial stroke)测试方法，其中关闭截断阀直到到达预定点，且然后将截断阀重新打开。但是，这个系统必须中断生产来进行诊断测试。
授予Webster的美国专利No.7,044,156公开了一种管线保护系统，其中将超过液压流体的基准压力的管道区段中的流体压力供应到差压阀，打开差压阀，从而使得液压促动的阀中的液压经由排放口释放。但是，该保护系统不提供任何阀诊断器件，且必须被迫中断生产，以使切断阀完全关闭。
授予Sullivan的美国专利No.5,524,484公开了一种电磁操作阀诊断系统，该系统允许具有随着时间的推移而监测使用中的阀的状态的能力的阀使用者来检测阀及其构件中的任何退化或问题，并且在阀出故障之前纠正这些退化或问题。这个系统不允许在不中断生产的情况下对切断阀进行测试。
授予Hodge的美国专利No.4,903,529公开了一种用于测试液压流体系统的方法，其中便携式分析装置具有液压流体的供应源、出口导管、用于在压力下将液压流体从供应源供应到出口导管的单元、与供应源连通的返回导管、连接到出口导管上的流体压力监测器，以及在返回导管中的流体流监测器。分析装置使设备的流体入口与源断开，且使流体入口连接到出口导管上，并使设备的流体出口与贮存器断开，且使流体出口连接到返回导管上。在所述单元在该系统中就位的情况下监测出口导管中和通过返回导管的流体流中的流体压力。但是，这种方法要求中断生产来测试液压系统。
授予Roark等人的美国专利No.4,174,829公开了一种压力感测安全装置，其中变换器产生与感测到的压力成比例的电信号，且当感测到的压力超过预定范围时，先导(pilot)装置显示感测超范围的压力，这就允许如有必要则采取适当的补救措施。该装置需要操作者的干预。
授予Hallden等人的美国专利No.4,215,746公开一种用于流体线路的压力响应安全系统，在井的生产线中出现不正常的压力状态的情况下，该系统在井中封闭。一旦安全阀关闭，用于检测压力何时处在预定范围内的控制器就被锁闭而停止工作，且在可以打开安全阀之前必须对该控制器进行手动复位。该系统会导致生产的中断和操作者干预。
因此，本发明的目的是提供一种装置和方法，以便在HIPS作为通向管道系统的流动线路运行时，在HIPS运行的同时测试HIPS而不需要停止HIPS连接在其上的生产线。
另一个目的是提供用于自动地测试HIPS的安全性而不需要操作者干预的装置和方法。
该单元优选地设有标准化的法兰且是一体地构造的。
发明内容
以上目的以及以下所述的其它优点通过本发明的方法和装置来实现，本发明提供了保护和测试对连接到井口上的管道系统的控制的高完整性保护系统(HIPS)。本发明的HIPS具有用于连接到井口上的入口和用于连接到下游管道系统上的出口，在一个优选实施例中，HIPS构造成橇装整体系统，以运输到其将安装在其中的地点。
HIPS包括两组地面安全阀(SSV)、两个排出控制阀(VCV)和安全逻辑解算器。两组SSV都与入口流体连通，且该两组SSV彼此平行。各组SSV都具有两个串联的SSV，且两组SSV中的任何一组或两组都能够作为用于进入入口且穿过用于管道系统的IHPS出口的流体的流动线路来操作。VCV中的各个都连接到两组SSV中间的管道上，且各个VCV都与排出线路流体连通，其在VCV打开时，排放两组SSV之间的液压。安全逻辑解算器与SSV和VCV连通，且产生信号，以控制SSV和VCV的操作。VCV优选以电力操作。
压力感测变送器监测HIPS出口上游的管道区段上的流动线路压力。在一个优选实施例中，出口上设置有三个压力变送器(PT)。逻辑解算器编程为用以传送信号，以在由三个压力传感器中的至少两个传送的压力增加超过阈值时关闭SSV。如本领域普通技术人员将显而易见的，可在该系统的这个部分中采用三个以上或三个以下的压力传感器。
两个VCV中的每一个都连接到与共同的排出线路流体连通的流动线路上。排出线路可连接到贮存罐或其它存储或再循环器件上。各组SSV可独立于平行的SSV组的操作而操作。压力感测变送器定位成用于监测两组SSV中的各组中的SSV之间的压力。
在一个优选实施例中，安全逻辑解算器编程为在全程测试期间在一组SSV从打开位置运动到关闭位置时，使平行的SSV组保持在打开位置上。另外，安全逻辑解算器编程为用以在紧密切断测试期间测量和记录一对关闭的SSV之间的压力，并且在该测试期间打开关闭的SSV之间的VCV一段较短的时间，以减轻或减小线路压力。
在另一个优选实施例中，安全逻辑解算器编程为在紧密切断测试期期间如果在VCV关闭之后关闭的和排出的SSV之间的压力上升超过预定的阈值，则产生故障信号。在又一个优选实施例中，安全逻辑解算器编程为如果在测试期期间关闭的SSV之间的压力没有上升超过预定的阈值，则指定关闭的SSV用作工作的SSV组。
在正常运行期间和全程测试期间VCV是关闭的。
本发明的HIPS进一步包括定位在平行的SSV组中的各组的上游和下游的手动切断阀，该手动切断阀可用于使SSV组中的各组与管道系统隔开，例如以便对系统构件进行维护、修理和/或替换。
在一个优选实施例中，SSV设有电气故障安全阀促动器，由此在电力故障的情况下使所有阀运动到关闭位置。这将导致HIPS下游的管线中的所有流体流停止。如本领域普通技术人员将显而易见的，这种类型的故障安全停止将与井口或HIPS上游的其它地方处的类似的停止要求协调工作。
在本发明的另一个方面中，提供了一种用以测试连接到井口管线系统上的HIPS的运行安全的方法。该HIPS具有与管道系统流体连通的第一组和第二组地面安全阀(SSV)，且这两组地面安全阀彼此平行。各组SSV具有两个串联的SSV，且SSV可响应于来自安全逻辑解算器的信号而操作，如以上所详细描述的。
第一组SSV从打开位置运动到关闭位置，以进行紧密切断安全测试，而第二组SSV打开而作为用于管线系统的流动线路。
定位在关闭的SSV之间的变送器将与两个关闭的阀之间的管道中的流体压力相对应的信号传送到安全逻辑解算器。位于关闭的SSV组之间的VCV在安全测试开始时将关闭的SSV之间的加压流体排出。排出的流体优选被通到贮存器。如果在预定的停止时间期间第一组SSV没有将SSV之间的管道中的压力保持在预定的阈值水平处或以下，则启动报警信号。
在阀的安全切断测试之前和期间记录各组SSV之间的管道区段中的流体的(例如以PSI表示的)压力。优选地提供所记录的压力的图形显示，以协助操作人员在测试期间实时评估系统的性能。
当第一组SSV返回到完全地打开的位置的时候，第二组SSV保持打开。如果第一组SSV没有完全打开，则报警信号启动。两组地面安全阀中的每一组都设有排出控制阀(VCV)。连接到第一组SSV的VCV打开一段预定的时间，以在第一组SSV完全关闭之后实现压力排出。
第一组SSV运动到打开位置，且第二组SSV运动到关闭位置。如果第二组SSV没有将中间管道中的压力保持在预定水平处或以下，则测量第二组SSV中的SSV之间的压力，并启动报警信号。
附图简述
将在下文结合附图对本发明进行进一步的描述，在附图中：
图1是根据本发明的连接到井口和下游管线上的高完整性保护系统(HIPS)的示意图；
图2是用于对图1的HIPS进行紧密切断测试的过程步骤的流程图；以及
图3是说明了在紧密切断测试期间的一对地面安全阀(SSV)的满意和失败压力测试两者的比较说明性图形显示。
为了便于理解本发明，在适当的时候使用了相同的参考标号来标示附图所共用的相同或类似的元件。除非另作说明，附图所显示和描述的特征没有按比例绘制，而是仅出于说明性目的而显示。
具体实施方式
参看图1，高完整性保护系统(HIPS)10安装在管道系统中的井口的附近，以将诸如石油或天然气等加压流体产品经管线104从井口102运送到远程主位置。HIPS具有连接到井口管道102上的入口1和连接到管道系统104上的出口2，液体产品通过这些出口进入和离开HIPS10。HIPS优选地为橇装的，以便输送到井口的部位，且HIPS设有适当的法兰和转接器，以便如有必要则附连到石油现场管道的入口和出口上。
两组地面安全阀(SSV)11、12和13、14与入口1流体连通，且出口2因此能够作为用于流体产品的流动线路来操作。被标识为和称为SSV-1和SSV-2的各组SSV分别具有串联连接的两个SSV 11-12和13-14。SSV在缺少对其供电的时候自动关闭，且通过传统的液压方式或电动促动器而保持在打开位置上，以保护下游管道系统104免受异常运行条件的影响。
两个排出控制阀(VCV)41、42分别连接到两组SSV 11、12和13、14中间的管道上，且与排出线路106流体连通。排出线路106与用作关闭的收集系统罐的流体贮存器70流体连通。或者，排出线路可通向井部位附近的燃烧坑(未示出)。VCV 41、42在其打开时能够将两个SSV之间的加压流体排入排出线路106中。通过阀71、72和81的打开和关闭，它们控制由压力贮存器提供的液压的供应。当阀81打开时，来自罐80的加压氮迫使流体离开贮存器70，或者进入HIPS管道中，或者经过阀72，以便交替使用或被处理。VCV 41、42在其打开时将来自两个SSV之间的加压流体排入排出线路中。压力感测变送器54、55位于相应的SSV之间，以确定两个SSV之间的流动线路压力。多个压力感测变送器可以可选地安装在位置54和55处，以确保可靠性，并且安装为测试系统的后备。
压力感测变送器51、52、53安装在出口2的上游，以监测从出口2离开HIPS的流动线路压力。三个变送器由安全逻辑解算器31监测。如果三个变送器51-53中的任何两个感测到压力升高到预定的阈值以上，逻辑解算器31就经由SSV 11-14在井中自动关闭，从而保护下游管线免受过压的影响。
优选为计算机等中的预先编程的软件模块的安全逻辑解算器31经硬连线连接或通过无线变送器与SSV 11-14、VCV 41、42，以及压力感测变送器51-55连通。安全逻辑解算器31产生和传送信号，以控制SSV 11-14和VCV 41、42的操作。基于来自压力感测变送器51-55的压力数据来执行控制。
将手动阀61-64安装在入口1和出口2与SSV 11-14之间，以在出现紧急情况的时候使两组SSV 11-14与管道系统隔开，并且从而还使得系统可手动地停止，以对系统的任何构件进行修理和/或替换。
所有的阀都可由例如本领域已知的那些传统的阀促动器(未示出)操作。阀促动器和压力变送器51-55具有自诊断能力，且将检测到的任何故障传送到安全逻辑解算器31。
将参看图2描述根据本发明的用于进行切断测试和全程测试的方法。在测试开始之前，对HIPS流动线路进行安全检查。如果流动线路压力超过预定的阈值水平，则关闭所有的SSV。(S20)否则，关闭第一组SSV 11、12，且关闭第二组SSV 13、14。(S30)
然后打开第一组SSV 11、12，以准备第二组SSV 13、14的测试。(S40)确定在第二组SSV 13、14的切断测试期间用作流动线路的第一组SSV 11、12是否是完全打开的。(S50)如果第一组SSV 11、12没有完全打开，则启动报警信号，且终止测试(S60)。如果第一组SSV 11、12完全打开，则关闭第二组SSV 13、14。(S70)检查待测试的SSV 13、14的完全关闭性，以准备紧密切断测试。(S80)如果SSV 13、14没有完全关闭，则启动报警信号(S90)，且终止测试。
如果SSV 13、14完全关闭，则起动SSV 13、14的紧密切断测试。打开位于第二组SSV 13、14中间的VCV 42，以使SSV 13、14之间的压力减小到稳定值(S100)。
然后关闭VCV 42，且检查VCV 42的压力密封性。(S110)如果VCV 42没有完全关闭，或者阀泄漏，从而在阀之间的管的排出区段中压力持续下降，则启动报警信号(S120)，且采取适当的补救措施。如果VCV 42完全关闭，则测量SSV 13、14之间的压力。(S130)在紧密切断测试直到紧密切断测试期结束期间，SSV 13、14之间的压力持续由压力变送器55监测，且将结果发送到安全逻辑解算器31。(S140)
在图3中，在紧密切断测试期间获得的数据以图形的形式表现为两种不同的情况。当VCV 42打开时，SSV 13、14之间的压力从正常的运行压力下降到更低的压力，且VCV 42完全关闭。如果SSV 13、14之间的压力上升，则很明显在SSV 13、14中的一个或两者中存在泄漏。由于某些最低限度的量的泄漏可能是可接受的，所以必须确定压力增量或压力增加率在紧密切断测试期期间或之后是否超过预定的阈值水平。(S150)如果在测试期期间，压力上升到阈值水平以上，则这表明SSV 13、14的完全密封的能力出现故障，且由安全逻辑解算器31启动报警信号，安全逻辑解算器31告知SSV 13、14的紧密切断测试的故障。(S160)。如果在测试期期间，压力增大不超过阈值水平，则第二组SSV 13、14通过紧密切断测试。第一组SSV 11、13在打开位置上，从而在SSV 13、14的切断测试期间提供用于生产的流径。(S170)为了完成系统功能测试，通过紧密切断测试的第二组SSV13、14再次打开，且用作流动线路。(S180)
如根据以上描述将显而易见的，使用基本相同的方法来对第一组SSV 11、12进行测试。
本发明使得HIPS能够在执行紧密切断测试和全程测试的同时、且在可以采取任何必要的保护措施的同时作为流动线路而持续地运行。由安全逻辑解算器执行的自动操作确保紧急切断状况将得到执行，即便是在测试期间也是如此。测试的记录被存储，且该记录稍后可被恢复，或以电子的方式和/或以打印好的图形形式或者作为列表数据来显示。
虽然已经显示和详细描述了结合了本发明教导的各实施例，但是其它实施例和改变后的实施例将对本领域普通技术人员显而易见，且本发明的范围意图由所附的权利要求书确定。

Claims (26)

1.一种用于测试连接到井口上的管道系统的保护和压力控制的高完整性保护系统(HIPS)，所述HIPS具有连接到所述井口上的入口和连接到所述管道系统上的出口，所述保护系统包括：
与所述入口流体连通的两组地面安全阀(SSV)，所述两组地面安全阀彼此成平行的流体流动关系，各组SSV包括串联的两个SSV，所述两组SSV中的任何一组或两组能够作为用于进入所述入口且通过用于所述管道系统的所述HIPS出口的流体的流径来操作；
两个排出控制阀(VCV)，所述两个排出控制阀(VCV)中的各个连接到所述两组SSV中各组的中间的管道上，所述VCV中的各个与排出线路流体连通，藉由此，在VCV打开时，所述两个SSV之间的过程压力被排出；以及
与所述SSV和所述VCV连通的安全逻辑解算器，所述安全逻辑解算器产生信号，以控制所述SSV和所述VCV的操作。
2.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述HIPS进一步包括：
用于测量和传送所述HIPS出口上游的管道区段上的压力的压力感测变送器。
3.根据权利要求2所述的HIPS，其特征在于，所述HIPS包括三个压力感测变送器，且所述逻辑解算器编程为用以传送信号，以便在由所述三个压力传感器中的至少两个传送的压力增加超过阈值时关闭所述SSV。
4.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述两个VCV中的各个连接到与共同的排出线路流体连通的导管上。
5.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，各组SSV能够独立于平行的所述SSV组的操作来进行操作。
6.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述HIPS包括压力感测变送器，其定位在所述SSV之间，以便测量所述两组SSV中的各组中的所述SSV之间的压力。
7.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为在全程测试期间当一组所述SSV从打开位置运动到关闭位置时，将平行的所述SSV组保持在打开位置上。
8.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为用以在全程测试期间测量和记录各SSV的响应。
9.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为用以在紧密切断测试期间测量和记录在所述关闭的SSV之间的线路压力，并且用以在所述测试期间打开所述关闭的SSV之间的所述VCV一段较短的时间，以减轻所述线路压力。
10.根据权利要求8所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为在被测试的SSV中的一个的压力响应超过可接受的限值的情况下产生故障信号。
11.根据权利要求8所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为在所述紧密切断测试期期间如果在所述VCV关闭之后所述关闭的SSV之间的压力上升超过预定的阈值，则产生故障信号。
12.根据权利要求8所述的HIPS，其特征在于，所述安全逻辑解算器编程为如果在所述测试期期间在所述关闭的SSV之间的压力没有上升超过预定的阈值，则指定所述关闭的SSV用作工作的SSV组。
13.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述VCV在正常运行期间和全程测试期间是关闭的。
14.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述HIPS进一步包括手动切断阀，其定位在所述平行的SSV组中的各组的上游和下游，以用于使所述SSV组中的各组与邻近的所述管道系统隔开。
15.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述HIPS一体地安装，以便在可动的平台上进行运输。
16.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，所述SSV设有电动的故障安全阀促动器，在电力故障的情况下，通过其而使所述阀运动到关闭位置。
17.根据权利要求1所述的HIPS，其特征在于，其中所述VCV是以电力操作的。
18.一种用于对连接到井口管线系统上的高完整性保护系统(HIPS)进行运行安全测试的方法，所述方法包括：
提供具有与所述管道系统流体连通的第一组和第二组地面安全阀(SSV)的HIPS，所述两组地面安全阀彼此平行，各组SSV具有串联的两个SSV，所述SSV能够响应于来自安全逻辑解算器的信号而操作；
使所述第一组SSV从打开位置运动到关闭位置以进行紧密切断安全测试，同时所述第二组SSV打开而作为用于所述管线系统的流动线路；以及
如果所述第一组SSV没有将所述SSV之间的管道中的压力保持在预定的阈值水平处或以下，则启动报警信号。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，其中定位在所述关闭的SSV之间的至少一个压力感测变送器将与所述两个关闭的阀之间的所述管道中的流体压力相对应的信号传送到所述安全逻辑解算器。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述安全测试开始时排出所述关闭的SSV之间的加压流体。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包括在进行所述阀的所述安全切断测试之前和期间记录各组SSV之间的所述管道区段中的流体压力。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法包括提供对所记录的压力水平的显示。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述第一组SSV返回到完全打开位置时，所述第二组SSV保持打开。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，如果所述第一组SSV没有完全打开，则启动报警。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
为所述两组地面安全阀(SSV)中的各组提供排出控制阀(VCV)；以及
打开连接到所述第一组SSV上的所述VCV一段预定的时间，以在所述第一组SSV关闭时实现所述压力排出。
26.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
使所述第一组SSV运动到所述打开位置；
使所述第二组SSV运动到所述关闭位置；
测量所述第二组SSV的所述SSV之间的压力一段预定的时间；以及
如果所述第二组SSV没有将中间管道中的所述压力保持在预定水平处或以下，则启动报警信号。
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