CN102245855A - 海底井介入模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从水面船舶经由线缆在井内执行井介入操作的海底井介入模块。该介入模块包括支承结构、用于以可去除的方式将该支承结构附接到井口的结构或附加结构上的附接装置、井操控组件、具有至少一个用于在水中移动该模块的推进单元的导航装置以及用于控制介入操作的控制系统。本发明还涉及一种介入系统和一种介入方法。

Description

海底井介入模块
技术领域
本发明涉及一种用于从水面船舶经由线缆在井内执行井介入操作的海底井介入模块。本发明还涉及一种介入系统和一种介入方法。
背景技术
在采油期间，可能需要在井内执行维修作业或打开生产井。这种井作业称为井介入。将生产套管置于井内，该生产套管在其上端由井口封闭。井口可位于陆地上、石油钻塔上或水下的海床处。
当井口位于深水区的海床时，井介入由于水下的能见度差而更加复杂。此外，海洋气候条件会妨碍介入的完成，并且在海浪大的情况下会中断介入。
关于这种海底介入操作，已知的做法是通过借助多个远程操作的潜水器(vehicle)(ROV)将介入模块从水面船舶下降到井口结构上而执行这些操作。首先，ROV下潜以便将一组导引线固定在井口结构上，从而随后引导和接靠(dock)介入模块。当模块朝井口下降时这些导引线必须保持拉直，在井口处模块随后通过ROV的操作臂紧固。ROV随后用于执行介入操作。
为了将这种介入模块下降到井口上，需要一种特别建造的带有大型起重机的船舶。因此，每个介入操作必须被完善地设计，因为所述特别的船舶无法在每个港口获得并且需要被运输至最近的港口，从而增加了每个操作花费的时间和金钱。
US 7,331,394中公开了一种介入方案。即使使用安装在模块上的推力器来协助将模块移动/操纵到井口上，介入模块仍需由水面船舶上的起重机降下和提升。此外，接靠程序仍需ROV，以便在下降期间引导模块并将模块固定到井口上，并用于控制介入操作。
发明内容
本发明的一方面至少部分地涉及通过提供一种能够与更常用的水面船舶一起使用的改进的海底井介入模块来克服上述公知的介入操作方案的缺点。
从以下说明变得显而易见的该方面和本发明的优点通过一种用于从水面船舶经由线缆在井内执行井介入操作的海底井介入模块来获得，该海底井介入模块包括：
-支承结构，
-用于以可去除的方式将所述支承结构附接到井口的结构或附加结构上的附接装置，
-导航装置，以及
-井操控组件，
其中所述导航装置包括适于调节下潜的井介入模块的浮力的浮力系统。
通过为介入模块提供浮力系统，确保了该模块不会与海床或井口发生硬碰撞并由此损坏其本身或其它元件。此外，介入模块更易于通过远程操作的潜水器(也称为ROV)操作。
在一个实施例中，所述海底井介入模块可具有顶部和底部，所述底部的重量大于所述顶部的重量。
在另一个实施例中，所述导航装置可具有至少一个用于在水中移动模块的推进单元。
此外，所述支承结构可为具有与标准船运集装箱的尺寸相对应的高度、长度和宽度的框架结构。
该海底介入模块还可包括一种用于控制井操控组件、导航装置、浮力系统和介入操作的控制系统。
此外，导航装置可包括用于检测介入模块的位置的检测装置。
用于从水面船舶经由线缆在井内执行井介入操作的海底井介入模块还可包括：
-支承结构，
-用于以可去除的方式将所述结构附接到井口的结构或附加结构上的附接装置，
-井操控组件，
-导航装置，其具有至少一个用于在水中移动所述模块的推进单元，以及
-控制系统，其用于控制井操控组件、导航装置和介入操作，
其中该导航装置包括用于检测介入模块的位置的检测装置。
通过为介入模块提供用于检测介入模块的位置的检测装置获得了一种改进的介入模块，其由于可从水面操作介入模块而免于需要来自远程操作的潜水器(ROV)的支持。而且，导航装置能够使介入模块在水中独立地移动，进一步免除了当在井口上接靠时需要外部引导或导引线。
在一个实施例中，所述支承结构可为具有外部形式并限定出容纳井操控组件和导航装置的内部空间的框架，所述井操控组件和导航装置两者均在该外部形式内延伸。
在另一个实施例中，所述导航装置可包括至少一个用于夹持在另一结构周围以便将所述模块引导就位的导引臂。
在又一个实施例中，该检测装置可使用超声波、声学装置、电磁装置、光学装置等来检测模块的位置和为所述模块导航。
在一个实施例中，该浮力系统包括：
-置换罐(排溢罐，displacement tank)，
-用于控制所述罐的充填的控制装置，以及
-用于当向所述模块提供浮力以补偿所述模块本身在水中的重量时从置换罐排出海水的膨胀装置。
在另一个实施例中，所述浮力系统可至少包括第一可充胀装置和用于使该可充胀装置充胀的膨胀装置。
当然，所述浮力系统的这两个替代实施例的元件可结合在一个浮力系统中。
在本发明的一个实施例中，海底井介入模块可具有平行于井的纵向长度的纵向轴线，并且该模块围绕其纵向轴线基本上是重量对称的。
根据一些实施例，该模块还可包括用于为介入操作供电的供电系统，该系统包括供电装置，例如来自水面船舶的电缆、蓄电池、燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器(producer)等供电装置。
在本发明的一个实施例中，定位在该模块上的供电系统可借助于液压、加压气体、电等能源至少向井操控组件供电。
此外，在某些实施例中，该供电系统可包括用于储存从介入操作、例如将操作工具下潜到井内所产生的能量的蓄能系统。
另外，在某些实施例中，所述供电系统可具有至少一条用于从水面上方向模块供电的电缆，该电缆以可分离的方式连接至该模块。
在一个实施例中，该电缆还可包括用于在模块与水面之间传输信号的装置。
在某些实施例中，该控制系统可包括用于分离为系统供电的电缆、用于将模块连接至船舶的线缆或附接装置的分离装置。
在一个有利的实施例中，所述检测装置可包括至少一个图像记录装置。
根据本发明的一个特别的实施例，所述海底井介入模块的井操控组件可包括：
-工具传送系统，该工具传送系统包括：
-至少一个用于下潜到井内的工具，以及
-用于将所述工具通过井口下潜到井内的工具下潜装置，
-至少一个用于连接至井口的井口连接装置，以及
-井口阀控制装置，其用于至少操作第一井口阀以便允许工具通过井口连接装置进入井内。
另外，所述工具传送系统可包括至少一个用于在井内向前驱动所述工具的驱动单元。
在一个实施例中，所述工具下潜装置可包括介入装置，例如展开介入媒介如本地线缆、编织绳或轻质复合缆索的绞盘，该介入媒介连接至工具以将工具下潜到井内并在从井向上拉起工具时卷绕介入媒介。
在又一个实施例中，所述工具传送系统可包括位于工具交换组件中的多个工具。
在一个替代实施例中，所述井操控组件可包括用于去除井口上的保护罩帽的罩帽去除装置。
根据本发明的某些实施例，所述控制系统可包括用于分离井口连接装置的分离装置。
在一个实施例中，所述供电系统可具有一定量的储备电力，所述储备电力的量足够大以便使控制系统将井口连接装置与井口分离、将用于供电的电缆与供电系统分离、将线缆与模块分离或将附接装置与井口结构分离。
此外，该支承结构可至少部分由中空构型制成。
此外，所述中空构型可封闭容纳气体的闭合件。
另外，本发明涉及一种海底井介入系统，其包括：
-至少一个根据权利要求1-19中任一项所述的海底井介入模块，以及
-至少一个用于将所述介入模块导航到井口或另一模块上的远程操作的潜水器(ROV)。
该海底井介入系统还可包括至少一个用于远程控制所述介入模块的一部分或全部功能的远程控制装置，该远程控制装置定位在水上。
在一个实施例中，该井介入系统还可包括：
-至少一个自主(自备，autonomous)通信中继设备，其用于接收来自介入模块的信号、将所述信号转换成无线电传播(airborne)信号并将所述无线电传播信号传输至远程控制装置，并且反之，接收和转换来自远程控制装置的信号并将所转换的信号传输至介入模块。
在海底井介入系统的另一个实施例中，所述自主通信中继设备可设计为浮子并具有悬挂于其下方的弹性通信电缆。
另外，介入模块或介入模块的零件可由金属如钢或铝制成，或者由重量轻于钢的轻质材料如聚合物或复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。
介入模块的这些零件可至少为介入模块的附接装置、井操控组件、导航装置、推进单元、控制系统、检测装置、展开介入媒介例如本地线缆的绞盘、工具交换组件、工具传送系统、蓄能系统等装置的一部分。
此外，本发明涉及一种海底井介入方法，该方法包括以下步骤：
-将水面船舶定位在海底井口附近，
-将海底井介入模块连接至船舶上的线缆，
-通过推动模块越过船舶的一侧或一端而将海底井介入模块倾卸到水中，
-控制介入模块上的导航装置，
-将模块移动到井口上，
-将模块连接至井口，
-控制所述控制系统以执行一个或多个介入操作，
-在执行所述操作之后使所述模块与井口分离，以及
-通过拉拽线缆而将模块回收到水面船舶上。
在所述海底井介入方法的一个实施例中，一个或多个另外的海底井介入模块可在第一模块之后或与第一模块同时被顺次地倾卸。
在所述海底井介入方法的第二实施例中，介入程序开始时的海底井介入模块可通过缆线连接至水面船舶，并且所述介入还可包括在所述模块下潜时从所述模块释放所述缆线的步骤，此后所述模块可在没有任何与水面船舶的物理连接的情况下通过其自身的导航装置在水中上升。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明，附图中：
图1是介入操作的示意图，
图2是被接靠在井口上的根据本发明的介入模块的示意图，
图3是根据本发明的介入模块的示意图，
图4和图5是根据本发明的浮力系统的两个实施例的示意图，
图6是介入模块的一个实施例的示意图，
图7是介入模块的另一个实施例的示意图，
图8示出了海底井介入系统的一个实施例，
图9示出了介入系统的另一个实施例，以及
图10示出了介入系统的又一个实施例。
附图仅为示意性的并基于说明的目的示出。
具体实施方式
本发明涉及一种用于在如图1所示的海底油井101上执行介入操作的海底井介入模块100。海底井介入模块100例如仅通过将模块100从船舶102的后部的甲板或越过船舶102的一侧103推入海中而从水面船舶102入水。由于介入模块的入水可以仅通过将模块100倾卸到水中而完成，从而可通过更多种类的船舶来实现入水，包括更常见的船舶。因此，介入模块100也可通过例如起重机(未示出)投入水104中。
在入水之后，介入模块100如图1所示借助导航装置105或借助远程操纵潜水器(也称为ROV)航行至井101以执行介入。
在另一个实施例中，导航装置105包括允许例如位于水面船舶102上的操作人员经由控制系统126远程控制介入模块100的通信装置。用于导航装置105的远程控制信号和为介入模块100提供的电力通过从电缆绞盘107绕出的诸如缆线或细缆的电缆106提供。
图2和图7所示的位于海床上的井口120是井101的上端并包括两个井口阀121和用于生产管线(未示出)的连接和用于各种永久和临时连接的端子。阀121通常可被机械地操作，或被液压地操作，或两者兼有。在其顶部，井口120具有在继续进行其它介入任务之前必须被去除的保护罩帽123。通常，海底井口120被承载结构112包围，以在外部单元连接时提供用于井口120本身的卸载。承载结构112可配设有两个、三个或四个附接支柱113。介入模块100的附接装置111必须适合于待在其上接靠介入模块的井口120上的特定类型的承载结构112。附接装置111可仅通过重力将介入模块支承在承载结构112上，或者附接装置111可包括一个或多个锁止装置以在已进行接靠之后保持模块100在井口120上就位。
介入模块100的接靠通过远程控制来执行。介入模块100被导航至井口120，通过被旋转而与井口结构对准，并被操控以接靠在所述结构上。这可通过设置在海底介入模块100中的具有推进装置的导航装置105或ROV来完成。
为了获得良好的竖向机动性，导航装置105设有适于调节下潜的井介入模块100的浮力的浮力系统117。通过控制介入模块100在下潜时的浮力，可使模块在水104中下沉(负浮力)、维持一定深度(零浮力)或上升(正浮力)。通过利用该原理来提供更好的竖向机动性，甚至可以如利用此类布置结构的潜艇所示例的那样有效地控制重物。在一个实施例中，可使用适当定向的竖向推进单元116执行微小的竖向位置调节。
为井介入模块100提供显著增大的浮力所产生的附加效果是降低了模块100的重量施加在井口上的合力。优选地，介入模块100应被保持成接近零浮力，即为“失重的”。这降低了井口120破裂的风险，否则这种破裂将导致巨大的环境灾害。
为了辅助这种接靠程序，导航装置105包括用于检测介入模块100在水104中的位置的检测装置109。
使介入模块100能够在水中独立地移动减少了对水面船舶102的要求，这是因为船舶102仅需将介入模块投入水104中，此后模块100能够根据其本身的命令降入水中，从而避免了需要昂贵的特别装备的水面船舶，例如，带有大的升沉补偿起重机系统(未示出)的水面船舶。
此外，海底介入模块100的下部顺序地重于海底介入模块的上部。这样的目的是确保模块在下潜时不会倒置，从而使模块100的底部而不是顶部面对井口结构或待在其上安装模块100的另一模块。
介入模块100可通过组合的电力/控制电缆106、通过独立的电缆或甚至无线地进行远程控制。由于介入模块100包括能够使模块在水中自由移动的导航装置105，所以不需要导引线或其它外部引导机构来使模块接靠到井口120上。在某些情况下，需要断开水面船舶102与模块100之间的线缆连接件108、118，并且在这些情况下，本发明的模块仍然能够继续运行。此外，不需要投入其它潜水器例如ROV来控制介入模块。这使操作更简单，水面船舶102具有更大的灵活度，例如，从接近的物体等移开。
导航装置可具有推进单元115、116、检测装置109和/或浮力系统117。如果模块100的导航装置105具有推进单元115、116和检测装置109两者，则推进单元能够将模块移动到另一模块上或海床上的井口结构上的适当位置。如果模块100仅具有浮力系统117，则仍需要远程操作的潜水器来将模块移动到位，但浮力系统使导航更容易。
此外，当模块100的底部重于顶部时，确保了模块总是具有正确的定向。
根据本发明的海底井介入模块100、150、160由可在其上安装介入模块的各种子系统的支承结构110形成。支承结构110包括用于以可去除的方式将支承结构110附接到井口120的结构112上或井口的其它结构上的附接装置111。因此，附接装置111允许介入模块100被接靠在井口120的顶部上。在另一个实施例中，第二介入模块160的附接装置111可被接靠在已被接靠在井口120上的第一介入模块150的顶部上。第一模块用于去除井口120的罩帽，而第二模块用于在介入操作中将工具投入井101内。
当一个介入模块在井101内操作时，另一个介入模块安装有另一工具，以用于在井内执行第二操作，也称为第二轮操作。当用于第二轮操作的模块可用时，将该模块倾卸到水104中并在井口120附近等待以准备在“第一轮操作”完成时安装。这样，可在执行前一轮操作的同时执行用于下一轮操作的工具的安装。
因此，每个模块可安装有能够减轻模块在井口120上的重量的一个专用工具，因为模块不具有带有大量工具和用于操纵这些工具的装置的大型工具传送系统170。此外，不存在工具被卡在工具传送系统170内的风险。另外，它们可以更特别地为特定用途设计，因为可针对工具构建其它辅助装置，而这不可能在工具传送系统170中实现。
如图2所示，介入模块100包括井操控组件125，该井操控组件125能够使介入模块执行完成介入作业所需的各种井介入操作。此外，介入模块100具有导航装置105，该导航装置105带有用于使模块在水104中侧向移动的推进单元115、116。但是，推进单元115、116也可被设计成使模块100上下移动。另外，介入模块100具有用于控制井操控组件125、导航装置105和介入操作例如在井101内操作的工具171的控制系统126。
支承结构110制成允许水通过该结构，从而使任何水流可作用在其上的截面积最小。因此，可通过减小模块的阻力而使模块100能够更快地在水中航行。此外，开口结构使得能够更容易地接近介入模块100的构件。
在另一个实施例中，支承结构110至少部分地构造为管架结构，因为这种结构使重量最轻。因此，支承结构110可由中空构型例如管设计而成，以使结构的重量更轻。这种重量轻的介入模块使得当模块被接靠在井口120上时井口120上的重量减轻，从而降低损坏井口的风险。此外，重量轻的介入模块能够使模块100更易于操纵，例如在登上水面船舶102时。
支承结构110可由金属例如钢或铝制成，或者由轻于钢的轻质材料如复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。支承结构110的某些零件也可由聚合材料制成。
介入模块100的其它零件也可由金属例如钢或铝制成，或者由轻于钢的轻质材料如聚合物或复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。介入模块100的这些其它零件可为介入模块100的附接装置111；井操控组件125；导航装置105；推进单元115、116；控制系统126；检测装置109；展开介入媒介例如本地线缆的绞盘127；工具交换组件；工具传送系统170；蓄能系统119等装置的至少一部分。
支承结构110也可由封装了气体的中空构型制成，从而当潜入海中时进一步为模块100提供浮力。
图3示出了介入模块的一个实施例的支承结构110如何将导航装置105、控制系统126和井操控组件125完全容纳在框架的外部形式内。因此，支承结构110保护导航装置105、控制系统126和井操控组件125免于与例如海床或水面船舶102上的物体发生碰撞。因此，介入模块100能够承受在其下降时撞击海床，并例如当等待被接靠在井口120上时直接置于海床上。
为了执行井介入，井口120的罩帽必须被去除，随后如图6所示将工具投入井101内。因此，接靠在井口120上的第一介入模块150是其中井操控组件125包括用于去除保护罩帽123的装置的模块。在下一介入步骤中，包括用于将工具171配制在井101内的装置的第二介入模块160被接靠在第一介入模块150上。在另一个实施例中，第一模块150和第二模块160可如图2和图7所示包含在一个模块内。
检测装置109使用超声波、声学装置、电磁装置、光学装置或它们的组合来检测模块100的位置并将模块导航到井口120或另一模块上。当使用导航技术的组合时，检测装置109可检测模块100的深度、位置和定向。可使用超声波来测量介入模块100下方的水深并确定竖向位置，同时，可使用陀螺仪来确定介入模块的定向。可使用一个或多个加速计来确定在水平面中相对于已知初始位置的运动。这种系统可提供关于介入模块100的完整位置信息。
在另一个实施例中，检测装置109包括至少一个图像记录装置，例如摄像机。此外，该图像记录装置包括用于经由控制系统126将图像信号传送至水面船舶102的装置。摄像机优选被定向成在接靠程序期间显示介入模块100的附接装置111及井口120。这使得操作人员能够例如在模块被接靠在井口120上时通过可视图像引导介入模块100。如图2所示，图像记录装置可被安装在介入模块100的支承结构110上的固定位置处，或被安装在可由操作人员远程控制的转向座上。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，该可视图像系统可包括任何数量的适当光源，以照亮可视图像系统的光路内的物体。
在另一个实施例中，图像记录装置还包括用于分析所记录的图像信号的装置，从而例如能够使自主导航装置系统通过可视图像移动介入模块100。
为了实现介入模块100在下潜时的更好的机动性，必须能够维持该介入模块100在水104中的竖向位置，同时能够在水平面中移动，并能围绕竖直轴线114旋转，从而允许附接装置111与井口120的承载结构112的附接支柱113对准以便进行接靠。
水平机动性及旋转可由一个或多个推进单元115、116例如推力器、喷水式推进器或任何其它适当的水下推进装置提供。在一个实施例中，推进单元115、116被安装到介入模块100的固定位置上，即，每个推进单元115、116相对于介入模块100具有固定的推力方向。在本实施例中，使用至少三个推进单元115、116来移动模块100。在另一个实施例中，来自一个或多个推进单元115、116的推力方向可通过旋转推进单元本身或通过例如利用方向舵装置等引导水流来控制。这种设置可以通过与所述单元被固定在介入模块100上的情况相比以数量较少的推进单元115、116来实现全部机动性。
介入模块100可远程操作、通过自主系统操作或两者结合。例如，在一个实施例中，模块的接靠由远程操作人员执行，但自主系统在模块100被附接至井口120时保持例如零浮力。浮力系统117还可提供用于考虑到例如温度或盐度引起的周围海水密度的变化而调节浮力的装置。
图4和图5示出了浮力系统117的两个不同的实施例。一般而言，浮力系统117必须能够置换/排放与介入模块100本身的总重量对应的质量的水。例如，如果模块重30吨，则被置换的水的质量必须为30吨，大致对应于30立方米的体积，以确保零浮力。但是，并不需要将全部体积充填水以使模块100下降，因为这样会使模块很迅速地下沉。因此，浮力系统117的一部分可布置成永久向模块提供浮力，而浮力系统117的另一部分可置换一定体积以将浮力从负浮力调节为正浮力。浮力系统117的永久浮力可由充填有气体或适当的低密度材料如合成泡沫的置换罐130的密封隔室提供。最小浮力将取决于模块100下降时所受的阻力。类似地，可获得的最大浮力应选择为使模块100能够以合理的高速度上升以允许方便的操作，但该速度不高于模块100的安全航行所规定的速度。
图4示出了包括可被充填海水或气体例如空气的置换罐130的浮力系统117。为了增加模块100的浮力，将气体导入罐130内，从而置换海水。为了降低浮力，通过控制装置131将气体从罐130导出，从而使海水进入。用于控制对罐充填海水的控制装置131可仅为一个或多个使罐130内的气体逸出的远程操作阀。该罐可具有开口底部，或其可完全封装内容物。在开口罐的情况下，当气体逸出时水将自动充满罐130，但在封闭罐的情况下，需要进口阀来允许水进入罐130。
图5示出了一浮力系统117，该浮力系统117包括多个可由膨胀装置132充胀的可充胀装置140。可以设想任何数量的可充胀装置140，例如，一个、两个、三个、四个、五个或更多。可充胀装置140可为气球、气密囊袋等形式，并且例如当介入模块100在介入程序之后要上升到海面时可被充胀以增加浮力。膨胀装置132可包括压缩气体，例如空气、氦气、氮气、氩气等。或者，可充胀装置140的充胀所需的气体通过化学反应产生，类似于用于汽车中的气囊的充胀的系统。可充胀装置140必须由足够牢固以承受在期望的操作深度处存在的水压的材料制成。此类材料可为使用芳族聚酰胺或碳纤维增强型聚合物材料、金属或任何其它适合的增强材料。如图5所示的浮力系统117可以可选地包括用于部分或完全从可充胀装置440释放气体或甚至用于释放整个可充胀装置140本身的装置。
在一个实施例中，介入模块100、150、160具有平行于井101的纵向长度的纵向轴线，并且所述模块围绕其纵向轴线重量对称。这种对称的重量分布确保了介入模块100在被接靠到井口上时不会扭转井口120和相关的井口结构。
在另一个实施例中，浮力系统117适于确保浮力作用于其上的浮力中心与介入模块100的质心位于相同的纵向轴线上，并且浮力中心位于质心上方。本实施例确保了介入模块100的方向稳定性。
如图2所示，介入模块100、150、160包括定位在模块上的供电系统119。供电系统119可呈连接至水面船舶102的电缆106的形式或呈蓄电池、燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器等本地供电装置的形式。在一个实施例中，供电系统119对井操控组件125和/或使用液压、加压气体、电等能量的模块的其它装置供电。通过向介入模块100提供本地供电装置或储备电力，介入模块能够从井口120或另一模块自行释放，并且如果需要的话，能够提升井101内的工具。这至少使得介入模块100能够在出现损坏或其它紧急情况的情况下自行浮上水面。在另一个实施例中，本地供电装置允许介入模块100在无外部电源的情况下独立地执行部分介入程序。
在某些实施例中，供电系统119包括用于储存从介入操作例如操作工具171下潜到井101内所产生的能量的蓄能系统133。在一个这样的实施例中，蓄能系统133包括当工具171在井101内下降时所释放的能量的机械储存，该储存的能量可用于以后提升工具。蓄能系统133可包括机械储存装置，该机械储存装置能够是任何种类的张紧系统、气动储存装置、液压储存装置或任何其它适当的机械储存装置。通过为介入模块100提供蓄能系统133，例如操作所需的电力的要求容量由于所储存的能量的重复利用而降低。当然，介入模块100可包括两个或更多个供电装置的任何组合。
此外，介入模块100的供电系统119可由用于从水面上方向介入模块供电的至少一条电缆106供电。电缆106通过连接件108以可分离的方式连接至介入模块100，所述连接件108能够使电缆在水面船舶102需要移动的情况下容易地与介入模块分离。这种情况在图6中示出，其中电缆106刚好分离。电缆106可适合为介入模块100供应来自水面船舶102的电力并且例如可作为缆线或细缆提供。
与水面船舶102通信使得介入模块100能够被远程操作并且将各种测量和状态数据传回船舶。介入模块100可有线地或无线地与水面船舶102或与下潜的或水面上的其它单元通信。通信导线可以是作为单独的电缆或作为电缆内的单独的线提供的专用通信线，或电力传输导线连接，例如电力电缆。在另一个实施例中，如图8和图9所示，介入模块100包括无线通信装置，例如无线电频率通信、声学数据传输、光链路或任何其它适当的无线水下通信装置。通信可使用接受器直接进行，或通过代理、即中间发送器和接收器单元例如中继设备190进行。通信装置可实现双向或单向通信，这种通信从介入模块100传送诸如在接靠程序期间的视频反馈、位置、当前深度读数、子系统的状态或例如来自井101内的其它测量数据之类的数据。对介入模块100的通信例如可为对返回数据、移动操作、用于井操控组件的控制数据即控制实际介入过程本身等的需求。
在一个实施例中，控制系统126包括有线和无线通信装置两者，例如，使得可通过导线传输高带宽要求的视频反馈，直到介入模块100被接靠在井口120上为止。当模块已被接靠时，可借助中继设备190无线地执行较低带宽要求的通信，例如在介入本身期间所需的通信。
如果例如与电力电缆结合的通信导线从介入模块100被释放，则在任何表面或下潜的船舶与介入模块之间没有物理连接，因为介入模块仍可通过无线连接180、191控制。因此，在一个实施例中，控制系统126包括用于使向系统供电的电缆分离的分离装置108、用于将介入模块100连接至船舶102的线缆或附接装置111。继分离之后，介入模块100继续依靠其自身的电源工作。当电缆已从介入模块100被释放并在水面船舶102上被回收时，船舶可自由航行离开其位置，例如，以避免来自浮动障碍物如冰山、船只等的危险。
如所述的，为了执行实际介入任务，模块100包括井操控组件125，该井操控组件可为罩帽去除装置134或工具传送系统170。工具传送系统170包括至少一个用于下潜到井101内的工具171和用于将工具通过进口120下潜到井101内的工具下潜装置172。将工具传送系统170的工具下潜装置172安装在模块100上使得能够独立于水面船舶102操纵工具。这确保了井口120不会承受来自例如从井口120延伸至水面船舶102的长导线或导引线的任何过大的应变或扭矩。这种应变或扭矩是极不希望的，因为其最终可能引起进口120破裂，这种破裂有可能引起巨大的环境灾害。
为了将井操控组件125连接至井口120，该组件还包括至少一个井口连接装置173和用于至少操作第一井口阀121的井口阀控制装置174，以使工具通过井口连接装置173进入井101内。井口通常具有机械地或液压地操作的阀。因此，由介入模块控制系统126控制的井口阀控制装置174包括用于操作阀控制装置如机械臂或液压接头的装置，以及用于将所需的机械或液压力传送至阀控制装置的系统。
工具下潜装置172可为绞盘127，该绞盘127展开连接至工具以便将工具下潜到井101内的介入媒介如本地线缆、编织绳或轻质复合缆索，并且当从井向上拉工具时盘绕介入媒介。
井介入通常需要通过线缆、盘绕管等将工具下潜到井101内。在井101的一部分未大致竖直的情况下，可使用井下牵引车作为驱动单元来将工具一直驱动到井内的适当位置。井下牵引车是能够在井下推动或拉动工具的任何种类的驱动工具，例如
Figure BDA0000067351070000161
支承结构110是具有对应于标准船运集装箱的尺寸的高度、长度和宽度的框架结构。船运集装箱可具有不同尺寸，例如美国军队使用的8英尺(2.438m)立方体(2.44m×2.44m×2.44m)单元，或后来的标准化集装箱，其具有更长的长度，例如10英尺(3.05m)、20英尺(6.10m)、40英尺(12.19m)、48英尺(14.63m)和53英尺(16.15m)。欧洲和澳洲的集装箱可稍宽，例如宽2英寸(50.8mm)。
连接装置173通常包括用于连接至井口120并用于当工具未被配置时提起工具的润滑器178。此外，连接装置173通常包括油脂喷头，该油脂喷头用于在工具下潜装置172周围建立紧密密封而同时仍允许工具下潜装置通过密封部以便将工具移入和移出井101。在一个实施例中，控制系统126包括用于分离井口连接装置173的分离装置108，从而使润滑器178能够与井口120分离。在紧急情况下，该工具包括用于在工具在井下卡住的情况下从该工具释放缆索的释放装置。
在又一个实施例中，供电系统119具有一定量的储备电力，该储备电力的量足够大以便控制系统126将井口连接装置173与井口120分离、将用于供电的电缆与供电系统119分离、将线缆与模块分离或将附接装置111与井口结构分离。这样，即使例如由于水面船舶102遇到风险而需要使缆索分离，介入模块100也可重新浮上水面。在一个实施例中，可通过使介入模块100配设有能够实现所需操作的适当数量的电池来提供所需的储备电力。
井介入模块100、150还可包括当未被配置时贮藏在工具交换组件中的两个或更多个工具。由控制系统126控制的工具交换组件能实现两个或更多个工具之间的工具交换，从而允许在不需要模块重新浮上水面或其它外部影响的情况下，通过同一模块执行需要不同工具的多个介入操作。
除带有工具的构型外，常见的介入操作需要井操控组件125的至少一个附加构型。如所述的，该附加构型可为包括罩帽去除装置134的罩帽去除组件151，如图6所示。这种罩帽去除装置134可适于根据井口120和/或保护罩帽123的设计来拉动或旋松井101的保护罩帽123。此外，罩帽去除装置134可适于使罩帽123振动以松动可能已经沉积在罩帽上的碎屑和沉淀物。
如所述的，罩帽去除组件151可被安装在专用于作为罩帽去除模块150的特定介入模块上。该罩帽去除模块150可适于允许后续的介入模块100、160在附接至井口120时被增设地接靠在其本身上。图6所示的模块包括朝向支承结构110的顶部的接纳装置155，其中接纳装置155适于接纳后续的介入模块100、160的附接装置111。在图6所示的实施例中，缆索此时已与模块100分离以便被水面船舶102回收。罩帽去除模块150的控制系统此时通过无线链路与水面船舶102通信连接。
如图9所示，海底井介入系统100的某些实施例包括至少一个自主通信中继设备190，其用于从介入模块100、150、160无线接收水中传播信号、将所述信号从模块100转换为无线电传播信号191并且将所述无线电传播信号传输至远程控制装置192，并且反之亦然，接收和转换来自远程控制装置的信号并且将所转换的信号传输至介入模块100。
在一个实施例中，自主通信中继设备190被设计为浮子并具有悬挂在下方的弹性通信电缆194、199。通信中继设备190可为小船、小艇、浮子或任何其它适当的漂浮结构。优选地，中继设备190包括导航装置105，该导航装置105能够使中继设备190从水面船舶102被远程控制，例如，以维持特定位置。而且，在某些实施例中，中继设备190包括用于检测其当前位置的装置，例如用于全球定位系统(GPS)的接收器193。
在图8中，弹性通信电缆194、199悬挂在船舶102下方，其中电缆的端部具有用于与第一模块100、150和第二模块100、160通信的装置。
往返介入模块100的无线电传播通信在水下通信装置与水面上方通信装置如从图9所见的天线192之间中继。水下通信装置可为连接至介入模块100(参见图10)的导线，或者其可以是例如利用无线电频率信号或光学的或声学信号进行无线水下通信的装置。如果使用无线通信，则通信中继设备190可适于将水下通信装置下降到深水处，例如，到达水深的10-100％、或25-75％或甚至40-60％的深度。这限制了所需的水下无线传输距离，因为需要避免电磁辐射在海水中的过大传输损失。无线电传播通信可通过水面船舶102或例如远程操作中心发生。
图10示出了一实施例，其中中继设备190的水下通信装置是连接至介入模块100并且可在介入模块下降时从中继设备190拉出的通信导线199。中继设备190可设有用于绕出导线199的装置，或者所述导线可仅在模块下降时由于介入模块100的重量而被从卷轴拉出。导线199可通过电子机械装置例如绞盘或通过纯机械装置例如张紧系统提升。
利用了根据本发明的介入模块的海底井介入因此包括以下步骤：将水面船舶102定位在海底井口120附近，将海底井介入模块100连接至船舶上的线缆，通过推动海底井介入模块100越过船舶的边缘而将该模块从水面船舶102倾卸到海中，控制介入模块100上的导航装置105，将模块100移动到井口120上，将模块100连接在井口120上，控制控制系统126以执行一个或多个介入操作，在执行所述操作之后将模块100与井口120分离，以及通过拉拽线缆而将模块100回收到水面船舶102上。水面船舶102不需要被精确地定位在井口120上方，因为模块100独立地航行并且不从所述船舶悬挂。此外，由于模块100可仅被推动越过水面船舶102的一侧103，因此将介入模块配置到水中的通常关键的现有技术程序得以明显简化。这使得介入模块100能够在否则不能够进行介入操作的不利条件下进行配置。而且，由于模块100是远程操作的，所以不需要配置另外的潜水器，例如ROV，从而进一步简化了介入操作。
在根据本发明的介入方法的某些实施例中，在第一模块之后或与第一模块同时顺次地倾卸一个或多个另外的海底井介入模块。当第一介入模块执行其指定操作时，可在水面船舶102上准备下一介入模块并将其投入海中以朝井口120下降。当第一介入模块已执行其操作后，第一介入模块可通过其自身的装置返回水面而第二介入模块在井口120附近等待被接靠在井口上。与需要通过起重机例如经由一组导引线将多个介入模块下降到井口上的情形相比——在该情况下，需要更多的时间来执行介入——通过提供等待的第二介入模块可以实现从一个介入模块到下一介入模块的快速变换。

Claims (25)

1.一种用于从水面船舶(102)经由线缆在井(101)内执行井介入操作的海底井介入模块(100)，包括：
-支承结构(110)，
-用于以可去除的方式将所述支承结构附接到井口(120)的结构或附加结构上的附接装置(111)，
-导航装置(105)，以及
-井操控组件(125)，
其中所述导航装置包括适于调节下潜的所述井介入模块的浮力的浮力系统(117)。
2.根据权利要求1所述的海底井介入模块，其特征在于，所述海底井介入模块具有顶部和底部，所述底部的重量高于所述顶部的重量。
3.根据权利要求1或2所述的海底井介入模块，其特征在于，所述支承结构是具有外部形式并限定出容纳所述井操控组件和所述导航装置的内部空间的框架结构，所述井操控组件和所述导航装置两者均在所述外部形式内延伸。
4.根据权利要求1所述的海底井介入模块，其特征在于，所述导航装置具有至少一个用于在水(104)中移动所述模块的推进单元(115，116)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述支承结构是具有与标准船运集装箱的尺寸相对应的高度、长度和宽度的框架结构。
6.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述海底井介入模块还包括用于控制所述井操控组件、所述导航装置、所述浮力系统和所述介入操作的控制系统(126)。
7.根据权利要求6所述的海底井介入模块，其特征在于，所述支承结构是具有外部形式并限定出容纳控制系统的内部空间的框架结构，所述控制系统在所述外部形式内延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述导航装置包括至少一个用于夹持在另一结构周围以便将所述模块引导就位的导引臂。
9.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述导航装置包括用于检测所述介入模块的位置的检测装置(109)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述浮力系统包括：
-置换罐(130)，
-用于控制所述罐的充填的控制装置(131)，以及
-用于当向所述模块提供浮力以补偿所述介入模块本身在水中的重量时从所述置换罐排出海水的膨胀装置(132)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述检测装置包括至少一个图像记录装置。
12.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述井操控组件包括：
-工具传送系统(170)，该工具传送系统包括：
-至少一个用于下潜到所述井内的工具(171)，以及
-用于将所述工具通过所述井口下潜到所述井内的工具下潜装置(172)，
-至少一个用于连接至所述井口的井口连接装置(173)，以及
-井口阀控制装置(174)，该井口阀控制装置用于至少操作第一井口阀(121)以便允许所述工具通过所述井口连接装置进入所述井内。
13.根据权利要求12所述的海底井介入模块，其特征在于，所述工具传送系统包括至少一个用于在所述井内向前驱动所述工具的驱动单元。
14.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述井操控组件包括用于去除所述井口上的保护罩帽(123)的罩帽去除装置(134)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述海底井介入模块还包括用于为介入操作供电的供电系统(119)，例如来自所述水面船舶的电缆(106)、蓄电池、燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器等供电装置。
16.根据权利要求15所述的海底井介入模块，其特征在于，所述供电系统包括用于储存从介入操作、例如操作工具(171)下潜到所述井内所产生的能量的蓄能系统(133)。
17.根据权利要求15或16所述的海底井介入模块，其特征在于，所述供电系统具有一定量的储备电力，所述储备电力的量足够大以便所述控制系统将所述井口连接装置与所述井口分离、将用于供电的电缆与所述供电系统分离、将所述线缆与所述介入模块分离或将所述附接装置与所述井口结构分离。
18.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入模块，其特征在于，所述支承结构至少部分地由中空构型制成。
19.根据权利要求18所述的海底井介入模块，其特征在于，所述中空构型封闭容纳气体的闭合件。
20.一种海底井介入系统(200)，包括
-至少一个根据权利要求1-19中任一项所述的海底介入模块，以及
-至少一个用于将所述介入模块导航到海底的井口或另一海底模块上的远程操作的潜水器。
21.根据权利要求20所述的海底井介入系统，其特征在于，所述海底井介入系统还包括至少一个用于远程控制所述介入模块的一部分或全部功能的远程控制装置(192)，所述远程控制装置定位在水面上方。
22.根据权利要求20或21所述的海底井介入系统，其特征在于，所述海底井介入系统还包括：
-至少一个自主通信中继设备(190)，所述至少一个自主通信中继设备用于接收来自所述介入模块的信号、将所述信号转换成无线电传播信号并且将所述无线电传播信号传输至所述远程控制装置，并且反之接收和转换来自所述远程控制装置的信号并且将所述转换的信号传输至所述介入模块。
23.根据前述权利要求中任一项所述的海底井介入系统，其特征在于，所述介入模块或所述介入模块的零件由金属、例如钢或铝制成，或者由重量轻于钢的轻质材料如聚合物或复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。
24.一种海底井介入方法，包括以下步骤：
-将水面船舶定位在海底井口附近，
-将海底井介入模块连接至所述船舶上的线缆，
-通过推动所述模块越过所述船舶的一侧(103)或一端而将所述海底井介入模块倾卸到水中，
-控制所述介入模块上的导航装置，
-将所述模块移动到所述井口上，
-将所述模块连接至所述井口，
-控制所述控制系统以执行一个或多个介入操作，
-在执行所述操作之后使所述模块与所述井口分离，以及
-通过拉拽所述线缆而将所述模块回收到所述水面船舶上。
25.根据权利要求24所述的海底井介入方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
-将第二海底井介入模块连接至所述船舶上的所述线缆，
-在回收所述前一海底介入模块之前通过推动所述第二海底井介入模块越过所述船舶的一侧或一端而从所述水面船舶将所述模块倾卸到水中。
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