CN103183110A - 用于张紧器系统的独立液体水平检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于张紧器系统的独立液体水平检测设备。立管张紧器具有伸缩地彼此接合的柱形管筒和活塞杆。包含液压流体和气体的外储蓄器安装在管筒外部，用于使液压液体连通于管筒的端部。取决于活塞杆的冲程，储蓄器中的液体水平将波动，并且气体压力变化。储蓄器内的复合棒嵌入有PVDF传感器阵列。PVDF传感器在液体与传感器接触时提供输出信号以指示储蓄器中的液体水平，从而允许液体水平的可靠监测。
Description
技术领域
本发明大体涉及一种在近海钻井采油阶段期间使用的立管张紧器系统，并且特别地，涉及一种独立液体水平检测装置，其用于监测张紧器系统的复合气体积蓄器中的液体水平。提出的检测装置和方法论可扩展到用于液体水平检测的任何其他的压力容器。
背景技术
立管在近海油气钻井采油中用于将钻井泥浆以及采油流体通过海底井口运送到也被称为张力腿平台(TLP)或SPAR的浮式采油平台。张紧器在平台处用于将张力施加于立管。在钻井或采油阶段期间，立管系统典型地保持张力，以避免钻井或采油层叠的结构不稳定性。典型的张紧器包括伸缩式活塞和气缸配置，其供应有来自储蓄器的气体压力。波浪和水流使活塞和气缸伸展和收缩。
在一种类型的张紧器设计中，活塞构件包括管筒，其滑动地接合气缸或其他管筒。每个管筒具有封闭端部和敞开端部，敞开端部彼此流体连通。管筒的内部用作用于接收气体压力的腔。可利用多个活塞。
腔内的流体为动态密封件提供润滑。因此，储蓄器内的液体水平对确保动态密封件的有效润滑而言是关键的。通过利用储蓄器内的液体水平信息，可测量气体体积。气体体积可用于为立管张紧器系统提供阻尼刚性。用于监测储蓄器内的液体水平的新颖技术是期望的。
发明内容
用于立管张紧器的独立液体水平传感器的系统、方法和装置的一个实施例具有柱形管筒和活塞杆，其伸缩地彼此接合。外储蓄器或容器安装在管筒外部，用于使气体量连通于管筒的一侧，并且使液压液体连通于管筒的相对侧。取决于活塞杆的冲程，储蓄器中的液体水平将波动。活塞杆响应于波浪和水流而移入和移出柱形管筒。外储蓄器可用作钻井立管张紧器(DRT)或采油立管张紧器(PRT)。
复合棒同轴地安装在外储蓄器内。复合棒的每个端部处的套管用于将棒固定在适当的位置。每个套管具有孔，其允许气体或液体流入或流出储蓄器，从而保持现状。复合棒嵌入有聚偏氟乙烯(PVDF)传感器阵列。PVDF传感器以期望的间隔布置在复合棒上，该PVDF传感器在液体与传感器接触时提供输出信号以指示储蓄器中的液体水平，从而允许液体水平的可靠监测。取决于气体或液体是否与传感器接触，PVDF传感器阵列产生不同的输出电压。
独立液体水平检测设备可有利地与现有立管张紧器系统一起使用，以精确地监测现有或第三方气体储蓄器中的液体水平，可提供张紧器反馈以使立管系统保持在恒定张力下，利用低成本压电传感器，并且可重新计算气体压力和体积。不要求储蓄器的附加设计变化。动态气体体积测量还便于检测储蓄器内的气体泄漏（如果存在）。
鉴于结合所附权利要求和附图进行的本发明的下列详细描述，本发明的前述和其他的目的和优点对本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图说明
为了如下方式，以该方式获得并且可更详细地理解将变得显而易见的本发明的特征和优点，可参考在附图中示出的本发明的实施例来对以上简要地概括的本发明进行更详细的描述，该附图形成该说明书的部分。然而，将注意，附图仅示出本发明的一些实施例，并且因此不被认为限制本发明的范围，因为本发明可允许其他等效实施例。
图1是根据本发明构造的一种类型的张紧系统的透视图；
图2是根据本发明构造的一种类型的张紧系统的透视图；
图3是图1的活塞组件的透视图；
图4是根据本发明构造的图2的活塞组件的截面图；
图5是根据本发明构造的图4的活塞的储蓄罐中的复合棒的截面图；
图6是根据本发明构造的图5的复合棒上的传感器的平面图；
图7是根据本发明构造的用于安装在复合棒的顶端处的套管的截面图；
图8是根据本发明构造的用于安装在复合棒的底端处的套管的截面图；
图9是图7和图8的套管的透视图；
图10是根据本发明的方法的一个实施例的高层流程图。
图11是根据本发明构造的用于活塞组件的附加实施例。
具体实施方式
参考图1，描绘一种类型的立管张紧系统(“RTS”)10。RTS10可用于保持钻井立管或采油立管上的张力。示出活塞组件12，其在上端处连接于RTS10的框架11，并且在下端处连接于张紧器环13。在该实施例中，活塞组件12相对于立管以角度定向。参考图2，描绘另一种类型的RTS14。示出活塞组件16，其在上端处连接于DRT的框架17，并且在下端处连接于张紧器环(未示出)。在该实施例中，活塞组件16平行于立管定向。用于RTS10和RTS14方位二者的活塞组件12,16在它们的构件方面是相似的，并且在下面被进一步说明。
参考图3，示出图3的活塞组件12的实施例。理解，活塞组件16与图1中示出的活塞组件相似，唯一的区别在于活塞管筒相对于竖直方向的倾斜角度。因此，图3中的该区段还用于描述这种构造。活塞组件12具有柱形管筒18，其滑动地接收活塞杆20。管筒18可具有用于连接于框架17的上连接点22(图3)。活塞杆20具有用于连接于诸如张紧器环(未示出)的构件的连接点24(图2)，其可由于波浪和水流而起伏。因此，活塞杆20还可响应于这种波浪和水流而移入和移出管筒18。
继续参考图3，储蓄器或复合气体积蓄器26示出为连接于柱形管筒18。储蓄器26经由下管28与柱形管筒18的下端流体连通，并且经由上管30与柱形管筒的上端流体连通(N2[氮]气体或其他合适的气体)。上管30和下管28与管筒18和储蓄器26形成闭环系统。将在下面进一步说明上管30和下管28至管筒18和储蓄器26的连接。上管30不在管筒18内敞开。储蓄器26可在形状上为柱形的，并且可包含可压缩气体和不可压缩流体。下面将进一步说明储蓄器26和相关的构件。储蓄器26可由碳环氧树脂复合基质制成，该碳环氧树脂复合基质可利用纤维卷绕技术制造。此外，热压力释放装置31可位于上管30上，并且低压力释放装置32可位于柱形管筒18的上端处。飓风隔离阀(未示出)还可在管筒18的大约中间长度处位于管筒18上。
参考图4，示出活塞组件16的截面图。在操作期间，活塞杆20将响应于波浪和水流而移入或移出管筒18，因此在立管(未示出)上保持恒定的张力。该实施例中的储蓄器26内的腔25包含气体27和液体29二者。气体27可为氮气N2，并且液体29可为也被称为埃利砜流体的乙二醇。可利用其他合适的气体和液体。在该实施例中，N2气体倾向于朝向储蓄器26的上端，并且乙二醇倾向于朝向储蓄器的下端。
在该实施例中，当活塞杆20从柱形管筒18轴向向外移动时，捕集在活塞40下面的乙二醇的部分被迫移出管筒18，并且经由下管28进入储蓄器26。N2气体被限制流入管筒18中，从而导致N2气体占据储蓄器26中的较小体积，这进而导致N2气体在复合气体储蓄器26内处于较高压力。可选地，N2气体可被允许从储蓄器流出，并且经由上管30流入管筒18。当活塞杆20从柱形管筒18轴向向内移动时，储蓄器内的N2气体膨胀，从而降低储蓄器中的气体压力。因此，储蓄器26中的N2气体使乙二醇从储蓄器移出，并且经由下管28进入管筒18。保持在储蓄器26中的N2气体占据更大体积，并且因此处于较低压力。
参考图4，复合棒42从上端44和下端46安装在储蓄器26内。复合棒42用于指示储蓄器26中的诸如乙二醇的液体水平。虽然复合棒42示出为居中地位于储蓄器26内，但是它还可偏心地定位。复合棒42位于储蓄器26的纵向轴线上。棒42还可由除了复合材料之外的材料制造。
参考图5和图6，进一步示出复合棒42。复合棒42可在形状上为柱形的，并且具有从下端46延伸到上端44的轴向通路43。中空的复合棒42在上端44(图4)处敞开并且在下端46(图4)处封闭，以防止流体进入复合棒的内部。在该实施例中，复合棒42包括传感器阵列50。传感器阵列50可为多个传感器52，其可呈薄膜或带的形式，并且由PVDF制成，PVDF嵌入或者结合于复合棒42的外层压部54。传感器52进一步联接于电极56(图6)，其可位于复合棒42的中空区域或通路43内。电极56可径向向内延伸到棒42的中空区域43中。如在随后的段落中说明的，PVDF传感器52的数量n可变化，并且均可作为单独的通道被监测。此外，传感器52可制造成各种类型的形状，其包括但不受限于圆形、正方形、矩形和三角形。
PVDF是压电材料，其响应于机械应变而产生电。PVDF的电-机械耦合在数学上可利用应变-电荷和应力-电荷压电耦合方程描述。PVDF是由具有作为重复单元的CH2CF2的长分子链组成的半晶体状聚合物。虽然可利用各种类型的压电材料，但是PVDF具有相对于其他压电材料的许多优点，并且能够以薄膜的形式获得，PVDF可嵌入或者结合于复合材料。这些优点中的一些包括：
1. 所有可处理的碳氟化合物的最高抗拉强度；
2. 良好的耐辐射性；
3. 为可熔融加工的，允许PVDF金属化，并且嵌入有复合材料；
4. 高耐磨损性和耐化学性；
5. 可在高达150℃(300℉)的温度处使用；
6. 高柔性、耐用性和轻质，和
7. 低声阻抗。
在该实施例中，PVDF传感器52可具有高达250微米的厚度。参考图6，每个电极56可包括传感器52的内表面上的内涂层58和传感器的外表面上的外涂层60。内涂层58和外涂层60由导电银墨水制成以便于导电。每个电极56可连接于导线，并且作为导体向上定线成形成输出导线组件或线束62，其在内部从复合棒42的下端46(图4)到上端44(图4)收集每个导体信号。当薄膜传感器52中的一个张紧时，薄膜传感器的电压响应可作为模拟电压输出通过导线组件62传输，可进一步分析该模拟电压输出。将在下面进一步讨论电压输出的使用。
参考图7、图8和图9，示出上安装套管70和下安装套管72，它们分别固定复合棒42的上端44和下端46。套管70,72可为金属的，并且可经由过盈配合安置到储蓄器26的每个端部上。可选地，套管70,72可螺纹连接到储蓄器26上。安装套管70,72可用于将复合棒42安装在现有张紧器系统（诸如，RTS14(图2)或RTS10(图1)）的现有储蓄器中。如图9所示，每个安装套管70,72可具有孔或通路74,76。在上安装套管70中，出于允许压力计显示压力读数的目的，孔74允许N2气体离开储蓄器26。在下安装套管72中，孔76允许乙二醇流体进入储蓄器26。如早先说明的，复合棒42的下端46是封闭的，以防止流体进入复合棒。
因此，在复合棒42的外表面54处的嵌入PVDF传感器阵列50可用作便于模拟电压输出响应的液体水平检测装置，该模拟电压输出响应对于乙二醇(液体)和N2(气体)而言是不同的。由于传感器阵列52的每个单独的传感器的压电效应而产生的电压信号可经由导线管80传送到平台，用于通过数据采集系统(DAQ)82、数字信号分析器(DSA)84和处理器86监测和分析，以确定储蓄器26内的乙二醇的水平L。由于RTS10非常接近平台(未示出)，故电压信号以最小的噪声有效地传送到平台。除了在平台处监测信号响应之外，还将监测来自每个单独的传感器52的频率响应，因为如果液体水平下降，并且该特别传感器暴露于气体，则频率变化。
在操作期间，活塞杆20(图4)可响应于起伏或水流而从柱形管筒18(图4)轴向向外或向内移动。当活塞杆20轴向向外移动时，捕集在活塞40下面的乙二醇的部分被迫经由下管28(图4)移出管筒18并且进入储蓄器26(图4)。乙二醇被允许通过形成在下安装套管72中的孔76(图8)流入储蓄器26。因此，储蓄器26中的乙二醇的水平升高，并且压缩储蓄器内的N2，其此时占据储蓄器内的较小体积。如由图10中的流程图示出的，DAQ82收集来自传感器阵列50的电压输出信号，其中，信号通过DSA84分离到输入通道中。通道对应于传感器阵列50中的传感器52的数量n。因此，来自每个传感器52的电压输出信号可通过诸如LabView®的软件的使用而监测。因为与诸如乙二醇的液体的接触使传感器52中的应变不同于由诸如N2的气体放置在传感器上的应变，所以产生以应变为特征的电压输出信号，其允许传感器响应区分乙二醇或N2气体的应变。接着，DSA和处理器可提供适当的活动传感器位置，其对应于从储蓄器26的底部测量的最大乙二醇水平L。接着，可处理适当的传感器位置，并且接着，可显示乙二醇的水平或柱高。此外，因为N2气体是可压缩气体，所以处理器可用于通过施加多方过程方程而计算储蓄器26中的N2气体压力和体积：
其中：
P1为初始气体压力；
V1为初始气体体积；
P2为动态气体压力；
V2为动态气体体积。并且
对于氮气，n=1.1，n为气体常数。
如先前说明的，每个单独的传感器52的响应将与传感器经历的应变成正比。因此，由于气体压力而经历的应变将不同于由于与单独传感器52的流体相互作用而发展的应变。因此，第一传感器可从棒42的底侧定位，该第一传感器示出来自复合气体积蓄器26(图4)中的最大液体水平的响应。对于在规定条件下的气体和液体二者的相互作用而言，可确定用于传感器的输出响应趋势。
本领域技术人员理解，用于获得、分析和处理来自传感器阵列50的电压输出信号的以上方法论对于当活塞杆20朝向管筒18轴向向内移动时而言也是有效的。在这种情况下，储蓄器26中的乙二醇将经由下管28流入管筒18，从而使储蓄器中的乙二醇的水平下降。如在先前的段落中说明的，DAQ82、DSA84和处理器将收集、分析和处理传感器阵列50的生成的电压输出，以确定储蓄器26中的乙二醇的水平。在附加实施例中，在图11中示出图1的活塞组件12。活塞组件12与活塞组件16(图4)相同，具有管筒100和活塞杆102，其响应于起伏和水流而从管筒100轴向向内和向外移动。活塞组件12还具有活塞104，其连接于活塞杆102的上端。活塞104将诸如乙二醇的液体捕集在其下面。活塞组件12与下管110流体连通，用于乙二醇液体流。上管108可允许N2气体与诸如计量器的压力读取装置连通，但是不允许与管筒100连通。如在关于活塞组件12的先前段落中描述，复合棒112安装在储蓄器106内。此外，由多个传感器116制成的PVDF传感器阵列114如图5所述地嵌入在复合棒106中，并且以相同的方式用于获得、分析和处理来自传感器116的电压输出信号。然而，活塞组件12以离水平方向的角度θ倾斜，角度θ可在0度到90度之间变化。另一个区别在于在图11中结合或者嵌入传感器，可与被给予倾斜轴线的水平方向精确平行地结合或者嵌入传感器带。
因此，液体乙二醇的水平可由传感器116确定，并且通过考虑活塞组件12的倾斜而进行随后的处理。
虽然仅以本发明的形式中的一些示出或者描述本发明，但是对本领域技术人员而言，显而易见的是，它不被如此限制，而是在没有背离本发明的范围的情况下，被允许各种变化。
Claims (19)
1. 一种用于将张力施加于延伸到浮式近海结构的海底部件的张紧器，其包括：
柱形管筒；
活塞杆，其伸缩地接合所述柱形管筒；
用于流体和气体的外储蓄器，其安装于所述柱形管筒的外部；
流体导管，其从所述外积蓄器延伸到所述柱形管筒的外壁表面，用于使其间的流体连通；
气体导管，其从所述外积蓄器延伸到所述柱形管筒的外壁表面，用于使其间的气体连通；和
安装在外积蓄器内的流体水平指示器，其中，所述流体水平指示器包括至少一个聚偏氟乙烯(PVDF)传感器。
2. 根据权利要求1所述的张紧器，其特征在于，所述流体水平指示器包括具有敞开端部和封闭端部的中空棒，并且所述传感器包括沿着所述棒的长度间隔的多个PVDF传感器。
3. 根据权利要求2所述的张紧器，其特征在于，所述PVDF传感器中的一个嵌入或者结合在复合棒中。
4. 根据权利要求3所述的张紧器，其特征在于，所述PVDF传感器中的一个包括带，其缠绕在所述中空复合棒的外表面周围。
5. 根据权利要求2所述的张紧器，其特征在于，进一步包括从所述PVDF传感器延伸的电极，其在所述PVDF传感器由于与液体或气体接触而张紧时传输电压输出信号。
6. 根据权利要求5所述的张紧器，其特征在于，与所述PVDF接触的液体为乙二醇，并且由此在所述PVDF传感器上产生应变。
7. 根据权利要求5所述的张紧器，其特征在于，所述PVDF传感器的电极与数据采集系统电气连通。
8. 根据权利要求7所述的张紧器，其特征在于，所述流体水平指示器经由如下构件安装在所述外积蓄器内：
上套管，其具有至少一个通路，所述至少一个通路使所述上套管的内表面与外表面连通，和
下套管，其具有至少一个通路，所述至少一个通路使所述下套管的内表面与外表面连通。
9. 一种用于张紧器的流体水平指示器，其包括：
棒，其适合于轴向地安装在储蓄器内，所述储蓄器安装在活塞组件的外部；和
布置在所述棒的外表面上的多个传感器，其中，所述传感器中的每一个包括PVDF薄膜，以便提供指示所述传感器是否与液体或气体接触的信号。
10. 根据权利要求9所述的流体水平指示器，其特征在于，
所述棒是复合棒；
所述复合棒具有通路，其从敞开的上端延伸到封闭的下端；并且
所述多个传感器均包括电极，其在所述PVDF薄膜由于与液体接触而张紧时传输电压输出信号。
11. 根据权利要求10所述的流体水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜嵌入或者结合于所述复合棒的外层压部。
12. 根据权利要求10所述的流体水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜缠绕在所述中空复合棒的外层压部周围。
13. 根据权利要求10所述的流体水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜中的每一个的电极与数据采集系统、数字信号分析器和处理器电气连通，用于经由来自所述PVDF薄膜的所述电压输出信号确定所述储蓄器内的液体水平。
14. 根据权利要求10所述的流体水平指示器，其特征在于，所述复合棒经由如下构件安装在所述储蓄器内：
上套管，其具有至少一个通路，所述至少一个通路使所述上套管的内表面与外表面连通，和
下套管，其具有至少一个通路，所述至少一个通路使所述下套管的内表面与外表面连通。
15. 一种确定活塞组件的储蓄器内的液体水平的方法，其包括：
设置棒，并且将所述棒轴向地安装在储蓄器内，所述储蓄器适合于安装在所述活塞组件的外部，其中，所述棒具有从敞开的上端延伸到封闭的下端的通路；并且多个传感器布置在所述棒的外表面上，其中，所述传感器中的每一个能够检测是否与液体或气体接触；
从所述传感器中的至少一个产生电压输出信号；和
使来自所述至少一个传感器的所述电压输出信号与所述棒上的所述传感器的轴向位置相关，以确定液体水平。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：比较由于来自接触气体的传感器的应变而产生的来自所述传感器中的至少一个的电压输出信号和由于来自接触液体的传感器的应变而产生的来自所述传感器中的至少一个的电压输出信号。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：收集来自所述至少一个传感器的所述电压输出信号，并且经由数据采集系统为所述传感器中的每一个分配输入通道。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：分析并且处理来自所述至少一个传感器的所述电压输出信号以确定所述液体水平。
19. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括通过如下方程的施加确定气体体积和压力：
其中：
P1为初始气体压力；
V1为初始气体体积；
P2为动态气体压力；
V2为动态气体体积；并且
n为气体常数。
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