CN102561979A - 用于从rov向立管中工具输送感应信号和功率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明名称为“用于从ROV向立管中工具输送感应信号和功率的系统和方法”。本文描述了一种在钻井立管内具有完井座放式管柱的海底井口组装件，并且它包括用于生成交流电流的电源；用于将电源连接到海底井组装件中的插座的连接器；通过连接器电连接到电源的第一电感器；将功率和控制信号传递到海底井组装件的海底控制模块；以及与第一电感器隔开并位于海底控制模块中的第二电感器，放置第二电感器以使得当交流电流通过第一电感器以由此在第二电感器上生成交流信号时在第二电感器上产生EMF。

Description

用于从ROV向立管中工具输送感应信号和功率的系统和方法

技术领域

一般来说，本发明涉及海上钻井，并且具体来说，涉及用于使用脐带缆(umbilical)提供水面钻井平台或ROV之间的电通信的设备和方法。

背景技术

海底设备的控制典型地经由脐带缆通过水面安装的控制站来实现。脐带缆典型地携带水能并可包含电功率，以及用于井(well)中或井上设备的控制和监测的通信。在完成用于海底生产的海底井时，立管从水面船舶延伸并附连到海底井。油管悬挂器通过立管降低到管道(通常称作座放式管柱)上并坐落在油管四通或井口组装件中。连接到油管悬挂器上端的油管悬挂器送入工具在井口或相似设备中设置油管悬挂器的座(landing)的密封和锁定构件。脐带缆沿立管内的管道从送入工具延伸到水面平台。为了安全性和压力控制，典型地采用深海立管总成(“LMRP”)和海底防喷器(“BOP”)。在BOP提供压力控制的主要基础的布置中，BOP典型地在油管悬挂器送入工具上方的位置封闭和接合座放式管柱的外表面。

对于传统的海底BOP，闸板可在送入工具上脐带缆到座放式管柱的附连下方的点处闭合或剪切。如果脐带缆在旁边，BOP闸板无法在不损坏脐带缆的情况下绕管道密封，因此脐带缆被终结并且到油管悬挂器送入工具的单独功能线路通过“BOP交叉支撑接头”进出，该接头使座放式管柱外留出空间并由此在不损坏控制功能的情况下实现BOP闸板的闭合。这种布置对海底完井作业的水面BOP的使用造成了障碍，因为交叉支撑接头必须定位于水面位置，导致脐带缆必须适应取决于水深的可变高度。一般来说，当在海底钻井立管内使用时，送入和作业期间还存在损坏脐带缆的固有风险。为此，在钻井立管系统外部提供功率和控制的部件是有吸引力的。

发明内容

附图说明

通过参照形成本说明书一部分的附图中所示的本发明的实施例，可具有可在以上简述的本发明的更详细、更具体描述中理解将变得显而易见的本发明的特征和优点以及其它方面的方式。但是要注意，附图仅示出本发明的多个实施例，并且因此不是要被认为对本发明的范围的限制，因为本发明的范围也可包括其它有效实施例。

图1是根据本发明实施例的油管悬挂器的示意图，它贯穿立管系统并具有在水面安装的控制站与BOP定位短节之间附连的脐带缆。

图2是根据本发明另一实施例的油管悬挂器的示意图，它贯穿立管系统并利用ROV的脐带缆代替专用外部脐带缆将功率和控制信号从ROV的控制界面传送到BOP定位短节。

图3是根据本发明实施例的、脐带缆与定位于工具串上的供电组之间的连接的框图。

图4是根据本发明实施例的海底控制模块的框图，它会安装在油管悬挂器系统座放式管柱上，并且其中集成有感应接收器和供电组。

具体实施方式

现在参照附图在下文更全面地描述本发明，附图中示出本发明的实施例。但是，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应当解释为局限于本文提出的示出实施例；相反，提供这些实施例的目的在于使本公开透彻和完整，并向本领域技术人员完整告知本发明的范围。在本文中，相似编号表示相似元件。

参照图1描述了海底井组装件，而井口11示意显示位于海床13处。井口11可以是井口罩、油管悬挂器四通或内部可支撑油管悬挂器的采油树类型。适配器15将井口11连接到典型地具有一组管路闸板17的海底防喷器(BOP)18。管路闸板17绕指定大小范围的管路密封，但如果没有管路，将不会完全闭合到井的通路。在优选实施例中，海底BOP18还包括一组剪切闸板19。剪切闸板19用于在紧急情况下完全闭合到井的通路，并将切断井筒内的任何线路或管路。管路闸板17、19可由例如通向水面平台100和控制站(未示出)的脐带缆69来控制。

立管21从BOP系统18向上延伸，并使用单独立管管路之间的连接达到必需的长度。备选地，立管21可利用具有固定在一起的螺纹端的套管，该套管的直径典型地小于容纳水面BOP的传统钻井立管。立管21向上延伸出海平面23，由平台100的张紧器(未示出)支撑。平台100可以是多种类型的并将具有用于钻井作业和完井作业的井架和绞车，而且还可具有定位于其上的本地控制站102，用于提供海底设备的功率和控制。

图1示出降低放入井口11下的井中的一串生产油管29。固定在生产油管29上端的油管悬挂器31以传统方式坐落在井口11中。传统油管悬挂器送入工具33可释放地固定到油管悬挂器31，以便将其送入并锁定到井口11，并用于设置油管悬挂器31与井口11的内径之间的密封。油管悬挂器座放式管柱37可以是油管或钻杆，并典型地在位于BOP 18的闸板17、19下方的通向油管悬挂器送入工具33的接口处包含快速断开构件35。断开构件35允许送入工具33和油管悬挂器31在紧急情况下从管道37断开。闸板17将能够在座放式管柱37上闭合并密封，并且闸板19配置成在极为紧急的情况下剪切座放式管柱37。

脐带缆线路81可沿立管21延伸，但不在其内部，并且经由供电组104供给电功率到送入工具53。脐带缆线路81在封套内包含多条导线，用于连接到罩以控制送入工具33和互补连接器73的多种功能。互补连接器73插入适配器15的接合构件中(或备选地插入可集成在BOP系统18内的相似接合构件中)，并且包含电感器300，它将感应功率输送到安装在与油管悬挂器送入工具相关联的供电组104之内或附近的第二电感器402，如图3中所示。电功能可包括在测量期间感测送入工具33的多种位置和流体压力的反馈，但主要是传送功率到供电组以经由泵410生成水能，从而实现送入工具自身的操作和可并入在座放式管柱系统内的任何其它功能。如常规执行，送入工具53可具有定向凸轮或槽55，放置成接触安装到管路闸板17下方的适配器62侧壁的定向销57。在送入工具53被降低、凸轮槽55接触定向销57时，送入工具53将旋转到相对井口11的所需朝向。优选地，定向销57是可伸缩的，以使得定向销57在正常钻井作业期间不会伸入适配器15的孔。可实践多种其它部件来实现相同的结果，即将油管悬挂器部署在已知朝向中。然后，使用此记录器(register)相对位于油管悬挂器送入工具33上方的供电组104内的匹配感应功率连接402定向外部电源插座73。

海底控制模块104在图3和图4中示出，并包括电控制和液压控制，其优选地包含液压蓄能器408，液压蓄能器408在通过脐带缆81收到信号时供给加压的液压流体。海底控制模块104的功能是通过指引存储在流体储罐408和紧急储罐412中的液压流体来实现油管悬挂器送入工具和需要由座放式管柱系统控制的任何其它可操作装置的操作。可以看到，海底控制模块104感应地连接到位于立管21外部的脐带缆81(而不是内部脐带缆)。脐带缆81一直延伸到安装在平台100上的控制站102。

如图4中所示，海底控制模块104包括供电组402、海底电子模块(SEM)404、流体储罐408、泵410、方向控制阀模块(DCV)406、及紧急储罐412。供电组402包含电感器302和相关联的电子器件(例如，AC/DC转换器)。电感器302与互补连接器73的电感器300一起结合，以本质上构建变压器。本领域技术人员将意识到，变压器可用于将AC电压从一个电路传递到另一个电路，由此充当第二电路的电源。在这种情况下，电感器300/电感器302组合将功率连同例如与控制站102之间的双向通信信号一起传递到海底控制模块104。如所提到的，供电组还可包括AC/DC转换器或DC/AC转换器或其它电子器件，以将一些或全部AC信号转换成DC信号或反之，以便一些模块使用和实现双向通信。例如，整流器(未示出)可用于将AC信号转换成DC信号，并且换流器(未示出)可用于将来自SEM的DC信号转换成AC信号，以便通过电感器300/电感器302组合来传输。

SEM 404从供电组402接收信号以为其功能供电，并可进一步将信号转换成数字信号以便SEM的一些电子组件(例如，微控制器或其它数字装置)使用。这样，电感器300/电感器302组合允许脐带缆从钻井立管21外面将功率和控制信号从控制站102传送到海底井组装件。SEM 404监测和指引海底设备的控制，海底设备包括所有传感器、阀和外部泵及DVC模块，如本领域常规已知的。RE 41，173中公开了SEM 404的示范SEM实施例，通过引用结合到本文中。如其中所述，SEM 404可连接到井筒内的多种压力传感器、温度传感器和其它传感器，以监测井的功能。在这些实施例中，SEM可包括例如调制解调器，以将信号从传感器传播到电感器300/电感器302组合，以便到控制站102的通信。

可以看到，DCV 406在SEM 404的指引下操作，以使用泵410输出存储在海底井组装件内的流体储罐408中的液压流体，从而启动流量。最后，可采用紧急储罐412以在由于例如储罐或海底井组装件中的任何线路或阀泄漏而导致储罐408中的流体耗尽的情况下提供液压流体动力。紧急储罐412的启动操纵传统换向阀999，以将到DCV 406的输入液压供给换向成来自紧急储罐，旁路了来自储罐的正常泵启动液压供给，并实现阻塞和切断压力以将积蓄的紧急储罐供给压力填充(charge)到规定的水平。但是，如本领域技术人员将意识到的，可应用其它控制电路来实现到紧急储罐的供给变更，并且这些实施例在本公开的范围内。

现在将描述图1的实施例的操作。当油管悬挂器31在井口中接合时，ROV(未示出)接合定向销57以使其伸出。在送入工具53向下移动时，定向销57接合凸轮槽55并将送入工具53旋转到所需的对齐。ROV(未示出)提供击打定向销57的部件，该部件是电的、液压的或扭力的。还可采用其它已知部件以实现油管悬挂器在座上的定向(例如，送入工具凸轮槽的类似ROV销)，或经由位于油管四通或树中的油管悬挂器下方的凸轮指引部件。

ROV将脐带缆连接到互补连接器73。这使连接器73前进与插座59接合。然后，控制站的操作人员提供功率给脐带缆，以感应地输送功率和控制信号到供电组104中的接收器402、SEM 404(控制信号)和泵410，由此经由SCM将液压压力传递到多种线路，从而使送入工具53设置油管悬挂器31。

操作人员还可以通过脐带缆81感测多种功能，例如组件的位置或压力。在这些实施例中，电感器300/电感器302组合可充当控制站102与井口组装件之间的双向通信链路。典型地，操作人员将测试油管悬挂器31的密封以确定密封是否已正确设置。这可通过在BOP 25绕管道37闭合的情况下对立管21的环中的流体施加压力来完成。备选地，可通过利用遥控车辆(图4中未示出“ROV”)接合位于适配器62侧壁中的测试端口68来完成测试。在这种情况下，管路闸板17将启动以绕断开构件35闭合，将液压压力限制在油管悬挂器31的密封与管路闸板17之间的腔室。ROV通过供给内部加压的液压流体来供给液压压力。在这些实施例中，施加到这种腔室的压力可通过脐带缆81监测。

在图2的实施例中，互补连接器73安装到适配器62。互补连接器73与图4的连接器61相同，只是取代连接到如图1中的控制站，它具有由ROV 75接合的端口。ROV 75是经由例如连接到控制器83的脐带缆81、无线通信控制等连接到水面的传统类型。ROV 75具有能够供给AC功率的内部电源和部署在其中能够将控制信号调制到AC电流波形上的调制器(未示出)。例如，ROV可具有连接到电感器的DC电池，用于向海底井组装件供电。优选地，压力源将包含具有足够容量以击打定向销85和互补连接器73的蓄能器，并可选地测试油管悬挂器31的密封。

在这个实施例的操作中，ROV 75先连接到定向销85并使它伸出，然后移动到互补连接器73。在送入工具53到达油管悬挂器31后，ROV75击打互补连接器73以与送入工具53接合，并由此将电功率输送到供电组104以设置油管悬挂器31并操作任何其它座放式管柱功能。然后，ROV 75移动到测试端口68，用于以结合图4描述的相同方式提供用于测试目的的液压流体压力。

在上述每一个实施例中，完井作业期间功率和液压线路或控制线路未暴露于井压力。这些实施例有助于在如上所述采用任一种或两种海底或水面BOP及相关联的“交叉支撑接头”时，减少损坏从水面船舶到送入工具的脐带缆或使其失效，或造成立管内端接点泄漏的风险。图1-3中的实施例还有助于减少与具有通过立管延伸的控制线路的传统组装件相关联的问题的风险，同时与井口组装件的筒保持流体通信。

在附图和说明书中，公开了本发明的典型优选实施例，并且虽然采用特定术语，但这些术语仅用于描述性意义，而不是用于限制目的。已特别参照这些所示实施例相当详细地描述了本发明。但是很显然，可在以上说明书描述的本发明的精神和范围之内进行多种修改和变更。

Claims (18)

1.一种在钻井立管内具有完井座放式管柱的海底井口组装件，且包括：

电源，其用于生成交流电流；

连接器，其用于将所述电源连接到所述海底井组装件中的插座；

第一电感器，其通过所述连接器电连接到所述电源；

海底控制模块，其将功率和控制信号传递到所述海底井组装件；以及

第二电感器，其与所述第一电感器隔开并位于所述海底控制模块中，放置所述第二电感器以使得当所述交流电流通过所述第一电感器以由此在所述第二电感器上生成交流信号时在所述第二电感器上产生EMF。

2.如权利要求1所述的井口组装件，其中，所述海底控制模块还包括：

具有其中部署的电感器的供电组，所述供电组适合接收来自所述第二电感器的所述交流信号并将其上生成的所述交流信号的一部分转换成直流信号；以及

海底电子模块，由所述供电组供电并接收所述直流信号，所述海底电子模块监测包括多种液压线路的温度和压力的、所述井口组装件中的多种测量，并启动方向控制阀以控制液压流体的流量，从而在所述井口组装件和/或座放式管柱上起作用。

3.如权利要求2所述的井口组装件，其中，所述海底控制模块还包括：

流体储罐，其连接到所述方向控制阀和泵，所述泵由所述电供给驱动并从所述流体储罐将液压流体供给到所述井口组装件或座放式管柱。

4.如权利要求3所述的井口组装件，其中，所述海底电子模块控制所述泵，以将液压流体供给到所述井口组装件和/或座放式管柱。

5.如权利要求4所述的井口组装件，其中，所述井口组装件还包括液压流体的紧急储罐，所述紧急储罐包括在所述海底电子模块的压力读数指示所述液压线路至少之一中的压力下降时打开的阀。

6.如权利要求5所述的井口组装件，其中，阻塞和切断线路压力用于启动所述紧急储罐。

7.如权利要求1所述的井口组装件，其中，在供给到所述第一电感器的电流上调制水面控制信号，并且所述供电组对所述第二电感器上产生的所述交流信号进行解调，以向所述海底电子模块供给所述水面控制信号。

8.如权利要求1所述的井口组装件，还包括：

在所述井口上绕油管悬挂器部署的适配器，所述适配器包括油管悬挂器定向销，

其中，所述插座位于所述适配器中，并与所述油管悬挂器定向销对齐，以将所述第一电感器的所述插座与安装在所述油管悬挂器送入工具上的所述第二电感器对齐。

9.一种在钻井立管内具有完井座放式管柱的海底井口组装件，且包括：

电源，其用于生成交流电流；

连接器，其用于将所述电源连接到所述海底井组装件中的插座；

第一电感器，其通过所述连接器电连接到所述电源；

海底控制模块，其将功率传递到所述地下井组装件；以及

第二电感器，其与所述第一电感器隔开并位于所述海底控制模块中，放置所述第二电感器以使得当所述交流电流通过所述第一电感器以由此在所述第二电感器上生成交流信号时在所述第二电感器上产生EMF。

10.如权利要求9所述的井口组装件，其中，所述海底控制模块还包括：

具有其中部署的电感器的供电组，所述供电组适合接收来自所述第二电感器的所述交流信号并将其上生成的交流信号转换成直流信号；以及

海底电子模块，由所述供电组供电并接收所述直流信号，所述海底电子模块监测包括多种液压线路的温度和压力的、所述井口组装件中的多种测量，并启动方向控制阀，以控制经过所述井口组装件的阀和所述线路的液压流体的流量。

11.如权利要求10所述的井口组装件，其中，所述海底控制模块还包括：

流体储罐，其连接到所述方向控制阀和泵，所述泵由所述电供给驱动并从所述流体储罐将液压流体供给到所述井口组装件和/或座放式管柱。

12.如权利要求11所述的井口组装件，其中，所述海底电子模块控制所述泵，以将液压流体供给到所述井口组装件和/或座放式管柱。

13.如权利要求12所述的井口组装件，其中，所述井口组装件还包括液压流体的紧急储罐，所述紧急储罐包括在所述海底电子模块的压力读数指示所述液压线路至少之一中的压力下降时打开的阀。

14.如权利要求13所述的井口组装件，其中，阻塞和切断线路压力用于启动所述紧急储罐，并且所述紧急储罐被启动。

15.如权利要求9所述的井口组装件，还包括：

在所述井口上绕油管悬挂器部署的适配器，所述适配器包括油管悬挂器定向销，

其中，所述插座位于所述适配器中，并与所述油管悬挂器定向销对齐，以将所述第一电感器的所述插座与安装在所述油管悬挂器送入工具上的所述第二电感器对齐。

16.如权利要求10所述的井口组装件，其中，所述电源是连接到钻井平台上的控制站的脐带缆，所述脐带缆将功率和控制信号提供到所述海底控制模块。

17.如权利要求16所述的井口组装件，其中，通过在供给到所述电感器的交流信号上调制所述控制信号，而将所述控制信号传递到所述海底控制模块。

18.如权利要求17所述的井口组装件，其中，ROV在供给到所述第一电感器的电流上调制所述控制信号，并且所述供电组对所述第二电感器上产生的所述交流信号进行解调，以向所述海底电子模块供给所述控制信号。

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