CN107060694A - 海底化学剂注入计量阀 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种系统，其包含化学剂注入单元，化学剂注入单元包括：外壳、树接口、流体路径、阀、非侵入性计量器，非侵入性计量器沿着流体路径安置在外壳内，其中非侵入性计量器包括在流体路径外部的第一变换器和第二变换器，且第一变换器和第二变换器以偏置距离而彼此偏置，第一变换器被配置以通过流体路径将第一能量传输到第二变换器，且第二变换器被配置以通过流体路径将第二能量传输到第一变换器。所述化学剂注入管理系统可包含经配置以将所述化学剂注入管理系统耦合到矿物提取系统的接口。另外，所述化学剂注入管理系统可包含超声波流量计。
Description
本申请是分案申请，原申请的申请号是200980147501.X，申请日是2009年10月22日，名称是海底化学剂注入计量阀。
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2008年12月5日申请的标题为“海底化学剂注入计量阀(Sub-SeaChemical Injection Metering Valve)”的第61/1 20,227号美国临时专利申请案的优先权，所述临时专利申请案全文以引用的方式并入本文中。
背景技术
此章节旨在向读者介绍可与下文描述和/或主张的本发明的各个方面相关的现有技术的各个方面。此论述据信有助于向读者提供背景信息以促进对本发明的各个方面的更好理解。因此，应了解，应鉴于此而阅读这些陈述，而非作为对现有技术的认可。
常常使用井来开发地面以下的资源。举例来说，常常经由井来提取石油、天然气和水。一些井用以将材料注入到地面以下以例如隔离二氧化碳，以存储天然气供以后使用，或在油井附近注入蒸汽或其它物质以增强回收。由于这些地下资源的价值的缘故，常常以较大代价钻凿井，且通常极其谨慎以延长其使用寿命。
常常使用化学剂注入管理系统来维持井和/或增强井的处理量。举例来说，使用化学剂注入管理系统来注入防腐蚀材料、防泡沫材料、防蜡材料和/或防冻剂以延长井的寿命或增加从井提取资源的速率。通常，通过化学剂注入管理系统在一时间周期期间以受控方式将这些材料注入到井中。
化学剂注入管理系统的寿命可受到其可能磨损的机械组件(例如，齿轮箱、马达和阀)的限制。此外，用于控制流率的传感器和致动器可能随时间漂移，且因此，化学剂注入管理系统的准确性可降低。这些问题在海底应用中可能尤其尖锐，在海底应用中，化学剂注入管理系统可能难以进行开发和/或开发费用较高。更换已磨损或不准确的化学剂注入管理系统可(例如)显著增加操作井的成本。
附图说明
当参看附图阅读某些示范性实施例的以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同标号在各图中始终表示相同零件，其中：
图1是根据本发明技术的实施例的示范性资源提取系统的透视图；
图2是图1的资源提取系统的部分透视图，其描绘根据本发明技术的实施例的示范性化学剂注入管理系统和阀容座；
图3是图2的化学剂注入管理系统的后部透视图；
图4是图2的阀座的透视图；
图5是图2的化学剂注入管理系统的剖视图；
图6是根据本发明技术的实施例的示范性流量调节器的侧视图；
图7是根据本发明技术的实施例的示范性阀的横截面图；
图8是图6的流量调节器的图解视图；
图9是根据本发明技术的实施例的示范性均压器的横截面图；
图10是描绘根据本发明技术的实施例的示范性压力均衡过程的流程图；
图11是根据本发明技术的实施例的与流量调节器一起使用的示范性超声波流量计的横截面图解表示；
图12是描绘图7的阀的针位置对流量系数的曲线图；
图13是描绘根据本发明技术的实施例的示范性阀调节程序的流程图；
图14是根据本发明技术的实施例的与流量调节器一起使用的另一示范性超声波流量计的横截面图；
图15是图16中说明的经配置以锁定到替代性化学剂注入管理系统座内的适当位置中的示范性化学剂注入管理系统插入件的横截面图；
图16是图15的化学剂注入管理系统插入件可锁定到其内部的适当位置中的示范性替代性化学剂注入管理系统容座的横截面图；
图17是锁定到图16的化学剂注入管理系统容座内的适当位置中的图15的化学剂注入管理系统插入件的横截面图；
图18是锁定到图16的化学剂注入管理系统容座内的适当位置中的图15的化学剂注入管理系统插入件的透视图；以及
图19是含有多个化学剂注入管理系统的示范性化学剂注入管理系统插入件的横截面图。
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或一个以上特定实施例。这些所描述的实施例仅示范本发明。另外，为提供对这些示范性实施例的简明描述，说明书中可能不描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发过程中，如任何工程或设计规划中，必须作出大量实施方案特定的决策以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关约束，其可在实施方案间变化。此外，应了解，此开发尝试可能较复杂且耗时，但对于得到本发明益处的一般技术人员来说仍然将是设计、制作和制造的常规任务。
当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”和“所述”既定表示存在所述元件中的一者或一者以上。术语“包括”、“包含”和“具有”既定为包含性的，且表示可能存在除所列举元件外的额外元件。此外，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”和这些术语的变型的使用是为了方便，而不要求组件的任何特定定向。
本发明的某些示范性实施例包含一种化学剂注入管理系统，其解决常规化学剂注入管理系统的以上提及的不足之处中的一者或一者以上。一些实施例可包含流量调节器，其包含一个或一个以上非侵入性流量计，例如超声波流量计。化学剂注入管理系统中非侵入性流量计的使用可最小化对流量计的频繁调谐和/或更换的需要。明确地说，由于非侵入性流量计一般可包含较少移动的机械零件，所以随时间机械磨损的程度可最小化。如此，非侵入性流量计比其它类型的流量计可经历较长的寿命周期且可维持较大的测量准确性。
在一些实施例中，流量调节器还可经配置以实行阀的直接前馈控制，而不使用嵌套的阀定位反馈控制回路。如下文所阐释，实行阀的前馈控制的流量调节器可比实行反馈控制的系统在更长的时间周期内保持准确，实行反馈控制的系统依赖于当阀组件已磨损或其它条件已改变时可能不适当的系统约束。
另外或作为替代，一些实施例可将化学剂注入管理系统的组件浸没于保护性流体(例如，油)中，以减少移动组件上的磨损且潜在地延长其使用寿命。为此，一些实施例可具有密封外壳以包含保护性流体，且具有均压器以减小海底应用中的静液压负载，如下文所阐释。在详细论述这些特征之前，论述可采用此化学剂注入管理系统的系统的方面。
图1描绘示范性资源提取系统10，其可包含井12、通俗地称为“圣诞树”(下文，“树”)的物体14、化学剂注入管理系统16和阀容座18。所说明的资源提取系统10可经配置以提取碳氢化合物(例如，石油和/或天然气)。在一些实施例中，资源提取系统10可为基于陆地的或安置于海底，且/或经配置以提取或注入其它物质，例如上文论述的那些物质。
当组装时，树14可耦合到井12，且包含多种阀、配件和控制件用于操作所述井12。化学剂注入管理系统16可通过阀容座18耦合到树14。树14可将化学剂注入管理系统(C.I.M.S.)16放置成与井12成流体连通。如下文阐释，化学剂注入管理系统16可经配置以调节化学剂穿过树14且进入井12的流量。
图2是与阀容座18配对的化学剂注入管理系统16的透视图。如所说明，化学剂注入管理系统16可包含流量调节器20、均压器22、外壳24、树接口26和ROV(遥控潜水器)接口28。如参看图5-8描述，流量调节器20可包含减小流量调节器20随时间损失准确性的概率的组件。此外，均压器22可促进包含保护性流体，其据信会延长外壳24内移动组件的寿命。在详细陈述这些特征之前，论述化学剂注入管理系统16的其它组件。
参看图2和3，外壳24可包含外端板46、侧壁48、把手50、内端板52和树接口屏蔽物54。侧壁48以及端板46和52可由一般刚性耐腐蚀的材料制成，且可大体界定具有圆形基底的正圆柱形体积。树接口屏蔽物54可从侧壁48延伸超过内端板52。把手50可附接(例如，焊接)到侧壁48且可具有U形形状。一些实施例可包含额外把手50。
如图3所说明，树接口26可包含键56、导销58和60、闩锁62、电连接器64、流体入口连接器66和流体出口连接器68。在当前实施例中，除键56外，树接口26的组件可一般安置于树接口屏蔽物54内。这些组件可经配置以经由阀容座18上的互补组件而以电、流体和/或机械方式将化学剂注入管理系统16耦合到树14，如下文在论述ROV接口28之后所阐释。
现将参看图2和5描述ROV接口28。所说明的ROV接口28可包含孔隙70、扩口夹具72、槽74和76，以及扭矩-工具接口78。在一些实施例中，ROV接口28可为API 17D第4类ROV接口。ROV接口28可附接到外端板46。扭矩-工具接口78(其可经配置以耦合到ROV上的扭矩工具)可安置在扩口夹具72内且在槽74与76之间大体对称。
如图5所说明，扭矩-工具接口78可耦合到内部驱动机构，所述内部驱动机构包含驱动轴80、螺纹耦合件82和链接到闩锁62的凸轮84。将在论述阀容座18的特征之后描述这些组件的操作。
图2和4说明示范性阀容座18。以图2描绘的特征开始，阀容座18可包含流体入口86、流体出口88、电连接90、安装凸缘92、键槽94、支撑凸缘96、外凸缘98、阀孔隙100、阀塔盘102和塔盘支撑件104。流体入口86可为与流体源(例如，待注入的液体的供应)成流体连通的流体导管、管或管道，且流体出口88可为与井12成流体连通的流体导管、管或管道。电连接90可耦合到电源、用户输入装置、显示器和/或系统控制器。安装凸缘92可经配置以将阀容座18耦合到树14。键槽94和阀塔盘102可经配置以在化学剂注入管理系统16的安装期间至少粗略地使化学剂注入管理系统16与阀容座18对准。特定来说，阀支撑塔盘102可经配置以当化学剂注入管理系统16滑动到阀孔隙100中时支撑化学剂注入管理系统16，且键56可经配置以滑动到键槽94中以旋转地定位化学剂注入管理系统16。
转向图4说明的特征，阀容座18可包含槽106、导入斜面108和110、斜面孔隙112和114、互补电连接器116、互补流体入口连接器118，以及互补流体出口连接器120。在当前实施例中，这些组件可安置在阀孔隙100内。导入斜面108和110以及槽106可经配置以使闩锁62与化学剂注入管理系统16对准并从化学剂注入管理系统16接纳闩锁62，且斜面孔隙112和114可经配置以分别接纳导销58和60。另外，互补流体入口连接器118可经配置以将流体入口86以流体方式耦合到流体入口连接器66，且互补流体出口连接器120可经配置以将流体出口88以流体方式耦合到流体出口连接器68。互补电连接器116可经配置以将化学剂注入管理系统16上的电连接器64电耦合到电连接90。
在安装期间，化学剂注入管理系统16可在海洋表面以上或附近(例如，在支撑结构或船舶上)紧固到ROV。ROV可接着潜水且将化学剂注入管理系统16传送到树14并将其放置在阀塔盘102上。ROV可使化学剂注入管理系统16旋转以使键56与键槽94对准。ROV可接着将化学剂注入管理系统16向前驱动到阀孔隙100中，如图2中箭头121所指示。当化学剂注入管理系统16向前移动时，导销58和60可与斜面孔隙112和114配对或协作以进一步改善化学剂注入管理系统16的对准。随着进一步向前移动，闩锁62可在斜面108和110中的导引件的辅助下插入穿过槽106。
为了形成电和流体连接，ROV上的扭矩工具可接着使扭矩-工具接口78旋转，这可旋转凸轮84内的驱动轴80。凸轮84可将驱动轴80的近似前90°旋转传动为闩锁62的旋转，借此将闩锁62定位成与槽106不对准，且大体防止闩锁62穿过槽106被拉回。在90°旋转之后，凸轮84可大体停止传动驱动轴80的旋转，且螺纹耦合件82可将此驱动轴80的旋转转化为闩锁62朝外壳24的线性平移或向后拉动。然而，因为闩锁62与槽106不对准，所以可通过阀容座18而大体防止其向后移动。当闩锁62被向后拉动时，化学剂注入管理系统16可逐渐向前平移，且可形成电和流体连接。最后，ROV可与化学剂注入管理系统16脱离并返回到表面。
现将参看图5-8描述流量调节器20的特征。图5说明外壳24的切去部分内的流量调节器20，且图6说明隔离的流量调节器20。图7是可在流量调节器20中采用的阀的横截面图，且图8是流量调节器20的图解表示。
转向图6，流量调节器20可包含流体导管122、124和126、阀128、阀驱动装置130、流量计132和控制器134。如下文阐释，流量调节器20可经配置以调节或控制流量参数，例如体积流率、质量流率和/或流入井12中的流体的质量。
在图7的横截面图中描绘示范性阀128的特征。阀128可包含主体136、螺纹入口138、针座140、针142、密封件144、146和148，以及出口歧管150。所说明的针座140可包含孔隙152和变窄的流体路径154。针142可经配置以线性地平移穿过主体136，如箭头156所指示，且可包含大体安置在针座140内的锥形尖端158。
在操作中，流体可经由螺纹入口138流入，通过针座140，且经由导管124流出阀128，所述导管124可耦合到出口歧管150。针142可如箭头156所指示而移动以控制穿过阀128的流率。当针142缩回或向上移动时，针座140的锥形尖端158与变窄的流体路径154之间的间隙可扩展，且流率可增加。相反，当针142被驱动到主体136中或向下移动时，锥形尖端158与变窄的流体路径154之间的间隙可减小，且穿过阀128的流率可减小。即，穿过阀128的流率可大体与针142的位置对应。阀128可具有大于或等于100:1的调节比，且一些实施例可包含各自针对不同流率而设定大小的两个或两个以上阀128。
返回图6，所说明的阀驱动装置130可包含马达160、齿轮箱162和控制信号路径164。马达160可具有直流(DC)马达，例如24伏DC电动马达。在某些实施例中，齿轮箱162包含具有超过600:1的齿轮比的高功率比行星齿轮箱。在一些实施例中，这些组件160和162可浸没在以油填充的环境中，如下文所阐释。有利地，此环境可趋向于减少这些组件160和162上的磨损。
流量计132可包含流体入口166、流体出口168和测量信号路径170。在一些实施例中，流量计132可为超声波流量计，如下文参看图11和14更详细描述。即，流量计132可经配置以通过沿着流体流动穿过的一个或一个以上路径发射声能而测量流体的流率或量。流量计132可一般无轴承和其它机械组件且一般具有化学耐受性。另外，在一些实施例中，流量计132可额定用于大于5千磅/平方英寸(ksi)、10ksi、15ksi或20ksi的压力。
控制器134可包含处理器172和存储器174。控制器134可经配置以基于来自流量计132的信号确定体积流率、质量流率、体积或质量。控制器134还可经配置以通过发信号通知马达160以调节针142的位置而基于来自流量计132的信号调节或控制这些参数中的一者或一者以上。为此，控制器134可包含经配置以执行控制例程(例如，比例积分微分(PID)控制例程)的软件和/或电路。在一些实施例中，基于来自流量计132的信号的控制例程和/或数据可存储在存储器174或另一计算机可读媒体中。
图8是流量调节器20的图解表示。以经配置以传送流体的连接开始，流体入口连接器66可通过流体导管122以流体方式耦合到阀128的螺纹入口138。阀128的流体出口歧管150可通过流体导管124以流体方式耦合到流量计132的流体入口166。另外，流量计132的流体出口168可通过流体导管126以流体方式耦合到流体出口连接器68。转向经配置以传送信息、数据和/或控制信号的连接，控制器134可通过测量信号路径170以通信方式耦合到流量计132，且通过控制信号路径164耦合到阀驱动装置130。另外，控制器134可以通信方式耦合到电连接器64以与资源提取系统10的其它组件通信，且用作电源。针142以机械方式将阀驱动装置130链接到阀128。
在操作中，控制器134可对穿过流量调节器20的流体流量实行反馈控制。控制器134可将控制信号发射到阀驱动装置130。控制信号的内容可由流量计132所测得的流量参数(例如，体积流率、质量流率、体积或质量)与所需的流量参数的值之间比较来确定或基于所述比较。举例来说，如果控制器134确定穿过流量调节器20的流率小于所需流率，那么控制器134可发信号通知阀驱动装置130以将针142缩回某一距离。作为响应，马达160可驱动齿轮箱162，且齿轮箱162可将来自马达160的旋转运动转化为针142的线性平移。因此，在一些实施例中，穿过阀128的流率可随着针142的锥形尖端158与针座140的变窄的流体路径154之间的间隙增加而增加。或者，如果控制器134确定穿过流量调节器20的流率(或其它流量参数)大于所需流率(或其它流量参数)，那么控制器134可发信号通知阀驱动装置130以将针142驱动到阀128中某一距离，借此潜在地减小流率。换句话说，控制器134可发信号通知阀驱动装置130以基于流量计132所感测的流量参数将针142移动某一距离。
为了控制流量参数，控制器134可实行阀驱动装置130的反馈和/或前馈控制。举例来说，在一些实施例中，控制器134可接收指示针142的位置或与针142的位置相关的驱动反馈信号175。使用驱动反馈信号175，控制器134可对针142的位置实行反馈控制。即，控制器134可发送至少部分通过驱动反馈信号175与所需针位置之间的比较而确定的控制信号164。所需针位置可由使针位置与穿过阀128的流率相关的存储在存储器174中的表、等式和/或关系式确定。采用对针142的位置和流量参数两者的反馈控制的实施例可表征为具有嵌套的控制回路，例如嵌套于针对控制流量参数的反馈控制回路内的针对控制针位置的反馈控制回路。
一些实施例可不包含嵌套的控制回路，或可以更有限的方式采用嵌套的控制回路。举例来说，在一些实施例中，控制器134可不接收驱动反馈信号175，或可部分或完全忽视驱动反馈信号175。在某些实施例中，控制器134可对针142的位置实行前馈控制。即，控制器134可基于所需流量参数值与测得的流量参数值之间的差而将控制信号164发射到阀驱动装置130，而不管针142的当前位置如何。换句话说，一些实施例可不依赖于针位置与穿过阀128的流率之间的所存储的相关。举例来说，在操作中，控制器134可确定穿过流量调节器20的当前体积流率小于所需体积流率，且作为响应，发信号通知阀驱动装置130以将针142的位置移位某一距离。在一些实施例中，控制器134可确定此距离而不管针142的当前位置如何。
有利地，无嵌套的控制回路的实施例可与常规系统相比在较长时间周期内且在更广泛种类的情形下更准确地控制流量参数。因为一些实施例不依赖于针142的位置与穿过阀128的流率之间的相关，所以其在面对变化的条件的情况下更为稳健。举例来说，针142的锥形尖端158或针座140的变窄的流体路径154可能磨损且改变针142的位置与穿过阀128的流率之间的关系。此改变可能在实行针142的位置的反馈控制时引入误差。在一些情形中，此误差可降低流量调节器20的响应性、稳定性或准确性。相比之下，没有用于控制针142的位置的嵌套的控制回路的实施例可受这些误差源的较少影响。
化学剂注入管理系统16的其它特征可趋向于延长其使用寿命。举例来说，返回图5，外壳24的内部181可部分或大体上完全以保护性流体182(例如，油)填充。在一些实施例中，保护性流体182可为液压齿轮油。有利地，保护性流体182可润滑且/或趋向于减少外壳24内的组件(例如，驱动轴80、凸轮84、螺纹耦合件82和/或阀驱动装置130)上的磨损。为了维持海水与保护性流体182的分离，外壳24可大体上为水密的。在一些海底应用中，保护性流体182与周围海水之间的压力差可在外壳24上施加静液压负载。为了减小此负载，化学剂注入管理系统16可包含均压器22。
现将参看图2、5、9和10描述示范性均压器22的特征。如图2和5所说明，均压器22可包含一个或一个以上囊状物184和配件186。均压器22可从外端板46向内延伸到外壳24中。一些实施例可包含1、2、3、4、5或更多个囊状物。
图9说明示范性均压器22的横截面图。囊状物184可由弹性和/或水密材料制成，例如橡胶、氯丁橡胶、乙烯基或硅树脂。囊状物184可具有大体圆柱形形状且在一端处耦合到配件186。
所说明的配件186可包含水入口188、密封部件190和192，以及O形环座194。水入口188可延伸穿过配件186且提供到囊状物184中的流体通道。密封部件190可将囊状物184密封到配件186。密封部件192和O形环座194可与外端板46中的孔隙协作以将配件186紧固到外端板46且形成与外端板46的大体水密的密封。在一些实施例中，配件186可包含螺纹，所述螺纹与外端板46上的互补螺纹和/或安置在外端板46外部的螺母协作。
在操作中，均压器22可趋向于减小保护性流体182与周围水压之间的压力差。来自囊状物184上的周围水压的力由图9中的箭头196描绘，且来自保护性流体182的压力的力由箭头198说明。如果水压196大于保护性流体的压力198，那么囊状物184可扩展且/或将力施加到保护性流体182并增加保护性流体182的压力198，借此潜在地减小压力差。在一些实施例中，保护性流体182可实质上不可压缩，且囊状物184可主要传输力而非扩展以使压力均衡。
一些实施例可包含其它类型的均压器22，例如安置在汽缸内的活塞，所述汽缸在活塞的相应的相反侧与保护性流体182和周围海水成流体连通。在另一实例中，均压器22可包含外壳24的弹性或较小刚性部分，其经配置以将力传输到保护性流体182。
图10说明示范性压力均衡过程200。过程200可包含接收源自水压的力，如框202所指示，和/或通过将力传输到保护性流体而减小水压与保护性流体的压力之间的压力差，如框204所指示。减小所述压力差可包含大体上消除压力差或大体上减小压力差的量值。在一些基于陆地的应用中，过程200可包含接收源自气压的力，且将力传输到保护性流体。
如上文所描述，流量调节器的流量计132可为超声波流量计。一般来说，超声波流量计测量随着正测量的流体的流动或逆着所述流动而行进的超声波能量脉冲的通行时间。更明确地说，超声波流量计一般包含在流体流经的测量管道的相对侧上的至少一对变换器。举例来说，图11是与流量调节器20一起使用的示范性超声波流量计132的横截面图解表示。如所说明，第一变换器206和第二变换器208位于测量管道210的相对侧上。明确的说，第一变换器206和第二变换器208可形成跨越流体流动路径214的声路径212。如所说明，声路径212可(例如)形成跨越测量管道210的纵轴216的对角线。更明确地说，声路径212可在声路径212与垂直于纵轴216的线之间形成角度θ。
图11的超声波流量计132可穿过流体在其内流动的测量管道210沿着声路径212(即，从第一变换器206到第二变换器208)传输声能。更明确地说，第一变换器206可由电能突发激励。这可致使声能脉冲进入邻近的媒介中。在某些实施例中，超声波脉冲可由具有0.05到3兆赫(mHz)范围内的频率的若干循环组成。变换器206、208一般设计为定向的。换句话说，声能的显著部分将沿着声路径212从第一变换器206向第二变换器208行进。可测量从第一变换器206的传输时间到第二变换器208的检测时间所逝去的时间。
相反，第二变换器208也可由电能突发激励。这可致使另一声能脉冲进入邻近的媒介中。再次，声能的显著部分将沿着声路径212从第二变换器208向第一变换器206行进。也可测量从第二变换器208的传输时间到第一变换器206的检测时间所逝去的时间。每一能量脉冲至少横越大体上或确切地相同的声路径212。因此，可使用通行时间的差以及测量管道210的特定几何尺寸(例如，内径(ID))和声路径212的特定几何尺寸(例如，角θ)来计算流体的流体速度和体积流率。
另外，尽管图11中说明为利用具有近似45度的角θ的声路径212，但声路径212的角θ可依据超声波流量计132的特定参数(例如，操作条件、空间约束等)而变化。举例来说，角θ可为0度(即，垂直于纵轴216)、15度、30度、45度等。实际上，如下文参看图14进一步详细阐释，角θ可大至90度，例如当变换器206、208放置于流体流动路径214的相对端处时。另外，在某些实施例中，多个成对的变换器206、208可以变化的角θ使用，使得超声波流量计132可收集多组测量数据。并且，在某些实施例中，多个成对的变换器206、208可在测量管道210的圆周周围径向定位，使得超声波流量计132可收集多组测量数据。
另外，尽管本文描述为超声波流量计132，但流量计132可实际上使用任何适宜类型的声能和任何适宜类型的探声器。实际上，流量计可采用任何适宜的非侵入性技术。举例来说，可使用基于热的非侵入性流量计，例如其中将特定量的热引入到流体流中且穿过流体的温度分布可用以确定流体流的例如速度等特性。另外，还可使用基于光学的非侵入性流量计。在此类型的流量计中，可展示光束穿过流体流，且光散射穿过流体流的方式可导致确定流体流的特性。另外，还可利用其它各种非侵入性技术(例如，磁共振等)。
流量调节器20内超声波流量计的使用可产生若干益处。举例来说，其它类型的流量计量装置可能需要过滤器，因为其一般具有对微粒的较低容限。这至少部分是归因于这些流量计量装置内的机械组件的复杂性。举例来说，由于化学剂注入管理系统16内仅存在有限量的空间，所以这些机械流量计量装置可常常含有小限制(例如，来自小移动零件、密封件等)，且如此可能对流体中的微粒非常敏感。然而，当使用超声波流量计时，潜在地较少需要过滤，因为超声波流量计由于是经由声能而非机械组件实现流量测量而一般不具有如此多的小限制。如此，超声波流量计可具有对可能随正测量的流体携带的微粒、凝胶和半固态及固态物体的通常较高的容限。
另外，对侵蚀计量元件的化学剂的关注可归因于超声波流量计中存在较少机械组件的事实而最小化。更明确地说，由于超声波流量计132一般可只是包含简单的管构造，所以需要最少的移动零件或密封件。更明确地说，由于变换器206、208可位于测量管道210外部，所以变换器206、208可与实际流体流隔离。如此，超声波流量计132的这些主要测量组件不经受腐蚀或化学剂侵蚀。另外，耐腐蚀材料也可用于管构造，从而进一步限制化学剂侵蚀超声波流量计132的潜在不良影响。
可通过超声波流量计132测量的一种特定流体是单乙二醇(MEG)，其可循环穿过化学剂注入管理系统16。一般来说，MEG是可再循环穿过资源提取系统10以便抑制水合物的累积的二醇。因为MEG再循环穿过资源提取系统10，所以其可开始积聚杂质。然而，如上文所描述，超声波流量计可与其它类型的计量装置相比对杂质较不敏感。如此，通过超声波流量计进行MEG的测量可经证明与其它类型的计量装置相比存在较少问题。
另外，超声波流量计的使用还可允许识别对化学剂注入管理系统16的阻塞(例如，归因于水合物等)。举例来说，使用超声波流量计可允许识别化学剂注入管理系统16的节流区段内的水合物阻塞。能够识别水合物阻塞可允许化学剂注入管理系统16的操作者决定在此类阻塞的情况下何时可采取补救行动以及采取什么类型的补救行动。
另外，超声波流量计的使用还可允许双向流量测量，与仅可经配置以测量一个方向上的流量的其它类型的计量装置形成对比。举例来说，超声波流量计能够测量两个方向上的流量，原因是在两个方向上(例如，在图11的第一变换器206与第二变换器208之间)传输声能的事实。因此，可使用类似的流量测量逻辑在两个方向上确定流量的测量。在两个方向上测量流量的能力可证明是有益的，因为超声波流量计132可能够指示生产井筒流体是否以及何时后退行进穿过地面电缆。如此，化学剂注入管理系统16的操作者可能够采取更有效的补救行动。
在双向流的情境中，可基于控制器134确定的流体流的方向执行多种动作。举例来说，流体流的方向或方向的变化可记入于存储器中。在一些实施例中，一个方向(即，前向或反向)上的流体流可触发可听或可见的警告(例如，显示器或扬声器上的断裂泵警告)，或者可调节(例如，大体上关闭)阀128。
图12说明穿过阀128的流量曲线的实例。此曲线图描绘针142(图7)的位置(作为冲程的百分比)对穿过阀128的流量系数(Cv)。所说明的曲线包含流量控制区220、静态区222和冲洗区224。在一些实施例中，冲洗区224可用以清除来自针142的碎片。
图13说明示范性阀调节程序226。所说明的程序226可包含测量流经阀的流体的参数，如框228所说明。这可包含使流体流经流量计132的以上提及的步骤。接下来，程序226可包含将阀打开或关闭第一距离，如框230所说明。这可包含在阀128中移动针142的以上提及的步骤。程序226还可包含在阀打开或关闭所述第一距离的情况下测量流体流的参数，如框232所说明；以及将阀打开或关闭第二距离，如框234所说明。这些动作可再次包含操作流量计132和阀128的以上提及的步骤。接下来，程序226可包含在阀打开或关闭所述第二距离的情况下测量流体流的参数，如框236所说明，这是可包含操作流量计132的步骤。在一些实施例中，来自框228、232和236所说明的步骤的测得的参数可接着与存储在存储器中的参数和距离的关系(例如，针142的冲程百分比)进行比较。比较可包含将测得的值与针位置同穿过阀128的流率之间的以上提及的所存储的相关(例如，图12说明的相关)进行比较。最后，在一些实施例中，可基于所述比较来调节阀打开或关闭的程度，如框240所说明。
现返回图11，超声波流量计的使用除流体的流体速度和体积流率外还可允许测量流经流量计的流体的其它参数。举例来说，超声波流量计还可能够测量流体的密度。另外，超声波流量计可能够确定流体中何时发生粘度变化。特定来说，声音的速度可与密度和粘度以及单一流体的污染相关。另外，声音流体衰减是可测量的，且可与流体的粘度或单一流体的情况下的阻塞相关。测量这些额外参数的能力可证明是有益的，因为化学剂注入管理系统16的操作者可能够监视流体的条件并确定流体是否正归因于化学剂注入管理系统16的特定操作条件而不良地起作用。换句话说，超声波流量计的使用可允许增强流量调节评估。
另外，超声波流量计132可用作主要流量测量装置或辅助流量测量装置。明确地说，在某些实施例中，超声波流量计132可用作备用流量测量装置。举例来说，容积式流量计或任何其它类型的流量计(例如，变截面流量计、孔板流量计等)可用作主要流量测量装置，同时超声波流量计132用作辅助流量测量装置，或反之亦然。
超声波流量计132可与图8中说明的控制器134进行的闭合回路控制结合使用。另外，超声波流量计132可利用各种标准协议来将信息发射回到主控制站。举例来说，超声波流量计132可能够利用Can-bus(控制器-区域网总线)协议作为一种方法。然而，超声波流量计132也可能够利用其它数字协议，例如Profibus(过程现场总线)、Modbus等。
然而，尽管超声波流量计的使用可允许许多益处，但其也可提出某些挑战。举例来说，与其它类型的流量计量装置相比，超声波流量计一般可涉及许多计算。举例来说，为了计算如上文参看图11描述的流体速度和体积流体流量，可考虑变换器206、208之间的通行时间、测量管道210的特定几何尺寸(例如，内径(ID))和声路径212的特定几何尺寸(例如，角θ)等而进行许多计算。这些各种计算可导致控制器134和相关联的处理器172及存储器174的较大复杂性。另外，控制器134、处理器172及存储器174使用的功率量也可增加。
此外，化学剂注入管理系统16中可能仅有限量的功率可用。如此，有限功率的使用可能是重要的设计考虑因素。为了确保足够的功率可用于超声波流量计132的操作，流量调节器20可包含各种功率节省和功率储存机制。举例来说，电容器阵列可用于当需要所储存的能量(例如，用于对变换器206、208进行脉冲控制或用于供应能量以用于各种计算)时在操作周期内储存能量。
另外，来自化学剂注入管理系统16的其它组件的外部噪声可潜在地抑制超声波流量计的准确性。举例来说，来自其它组件的噪声可干扰变换器206、208暂存正在其间传输的声能的能力。然而，外部噪声可以机械和电两个方面的若干各种方式解决。举例来说，额外屏蔽物和衬垫可放置在超声波流量计132周围以减少外部噪声的影响。另外，声脉冲的强度可经修改以抵消外部噪声的不良影响。另外，流量调节器20可经设计使得在流量测量周期期间某些电或机械组件可切断，或以另外的方式加以控制，使得外部噪声对流量测量准确性具有最小影响。
应注意，图11中说明的超声波流量计132的示范性实施例仅希望为示范性的，且不是可用作化学剂注入管理系统16的流量调节器20的一部分的仅有的超声波流量计设计。举例来说，图14是与流量调节器20一起使用的另一示范性超声波流量计132的横截面图。在此实施例中，测量管道210包含第一弯曲242和第二弯曲244。更明确地说，流体流入测量管道210中，在第一弯曲242处第一次拐弯，在第二弯曲244处第二次拐弯，且接着流出测量管道210。在此实施例中，变换器206、208位于弯曲242、244附近。明确地说，第一变换器206位于第一弯曲242附近且第二变换器208位于第二弯曲244附近。变换器206、208指向彼此使得声路径212沿着从第一弯曲242到第二弯曲244的测量管道210延伸。如此，在此实施例中，变换器206、208之间的声能直接逆着或直接随着流体的流动而传输。流体的流体速度、体积流率和其它参数仍可如上文参看图11所阐释而测量。然而，所使用的计算的细节可归因于图11和14中的实施例的几何尺寸之间的差异而稍许改变。
另外，尽管图2到6中说明的化学剂注入管理系统16的实施例展示为使用用于将化学剂注入管理系统16锁定于适当位置的特定技术，但也可使用其它技术。明确地说，用于将化学剂注入管理系统16锁定于适当位置的另一示范性技术说明于图15到18中。更明确地说。图15说明经配置以锁定于替代C.I.M.S.容座248内的适当位置的化学剂注入管理系统(C.I.M.S.)插入件246的实施例，如图16中说明。另外，图17和18说明锁定于图16的C.I.M.S.容座248内的适当位置的图15的C.I.M.S.插入件246。
明确地说，如所说明，C.I.M.S.插入件246可包含流体入口连接器66和流体出口连接器68，其可分别与C.I.M.S.容座248的流体入口86和流体出口88连接。流体入口连接器66和流体出口连接器68可导向并穿过上文更详细描述的阀130和流量计132。如上文所论述，在某些实施例中，流量计132可为超声波流量计。C.I.M.S.插入件246还包含锁定部件250，其可经配置以与C.I.M.S.容座248的凸缘252配对。明确地说，凸缘252可具有凹进或圆形凹槽254，其具有与C.I.M.S.插入件246的锁定部件250保形的形状。滑动套管256可被迫处于锁定部件250后方以在C.I.M.S.插入件246处于适当位置之后将锁定部件250固持到保形凹槽254中。
C.I.M.S.插入件246还具有下部支撑板258，其可连接到树14或歧管。另外，可使用密封件260来将C.I.M.S.插入件246的下部支撑板258与C.I.M.S.容座248的凸缘252之间的海水密封在外部。外壳262与下部支撑板258结合可界定开口，锁定部件250可穿过所述开口径向移动以锁定于C.I.M.S.容座248的凸缘252的凹槽254中。
滑动套管256具有内密封件264、外密封件266和邻近于外密封件266的腔268。内密封件264可例如为抵靠未明确展示的C.I.M.S.插入件246的内部组件的密封件。腔268可连接到液压源270。通过将加压液压流体提供到腔268中，压力的增加可升高滑动套管256，作为缩回锁定部件250以释放C.I.M.S.插入件246的备用方式。否则，锁定部件250可通过在轴向方向273上在杆272的一者上朝C.I.M.S.插入件246的下端施加轴向力而向外径向移动。杆272延伸穿过密封的外壳274，所述外壳274可以滑润剂填充且可经密封以当杆272通过ROV(未图示)在相对的轴向方向275上移动时将海水排除在外。板276可与杆272串联移动。另外，另一杆278可连接到板276和滑动套管256。因此，当ROV向下轴向移动杆272的一者时(如箭头273所指示)，滑动套管256也向下轴向移动，且锁定部件250径向移动到C.I.M.S.容座248的凸缘252的圆形凹槽254中。为了释放C.I.M.S.插入件246，杆272可轴向升高，且C.I.M.S.插入件246将移出锁定位置，因为锁定部件250在滑动套管256缩回之后失去支撑。另外，作为用于向上轴向移动滑动套管256的备用方法，可将液压施加到腔268。
使用图15到图18中说明的C.I.M.S.插入件246和C.I.M.S.容座248的替代实施例可产生若干益处。密封件(例如，内密封件264和外密封件266)可保持循环的海水远离锁定部件250，因此最小化碎片和腐蚀对锁定部件250的不良影响。另外，操作滑动套管256的移动零件安置在外壳274内，所述外壳274将海水排除在外且如上文所阐释可以润滑流体来填充。通过将这些组件放置在润滑流体中，可改善设计寿命，同时可防止腐蚀、藻类生长和碎片。另外，杆272的仅一部分从外壳274延伸且直接暴露于海水。此外，密封件280可阻挡海水在杆272附近进入外壳274。
还应注意到，虽然图15到图18中仅展示一个C.I.M.S.插入件246锁定到C.I.M.S.容座248内的适当位置，但可实际上在单一C.I.M.S.容座248内使用化学剂注入管理系统16与C.I.M.S.插入件246的多个组合。如此，多个化学剂注入管理系统16与C.I.M.S.插入件246可经配置以在C.I.M.S.容座248内串联操作。举例来说，图19说明单一C.I.M.S.插入件246内的多个化学剂注入管理系统16。如所说明，C.I.M.S.插入件连接阀282可链接单一C.I.M.S.插入件246内的多个化学剂注入管理系统16。另外，化学剂注入管理系统16和C.I.M.S.插入件246的其它组件可类似地经配置以彼此连接。
通过组合多个化学剂注入管理系统16与C.I.M.S.插入件246，可节省树14或歧管内的空间。此外，当多个化学剂注入管理系统16位于单一C.I.M.S.插入件246内时，可利用资源提取系统10的共同组件(例如，电力地面电缆、锁合组件、体积补偿设备等)。另外，仅具有一个可收回的封装可辅助C.I.M.S.插入件246的替换。
虽然本发明可容许各种修改和替代形式，但已借助实例在图式中展示且已在本文中详细描述特定实施例。然而，应了解，本发明不希望限于所揭示的特定形式。事实上，本发明将涵盖落在如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围内的所有修改、等效物和替代形式。
Claims (24)
1.一种系统，其包括：
化学剂注入单元，所述化学剂注入单元包括：
外壳；
树接口，其耦合到所述外壳，其中所述树接口包括化学剂入口，化学剂出口以及机械连接器，所述机械连接器被配置以将所述化学剂注入单元耦合到矿物提取系统的树上；
流体路径，其通过所述外壳从所述化学剂入口延伸到所述化学剂出口；
阀，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内；以及
非侵入性计量器，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内，其中所述非侵入性计量器包括在所述流体路径外部的第一变换器和第二变换器，且所述第一变换器和所述第二变换器以偏置距离而彼此偏置，所述第一变换器被配置以通过所述流体路径将第一能量传输到所述第二变换器，且所述第二变换器被配置以通过所述流体路径将第二能量传输到所述第一变换器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括超声波流量计，所述第一能量包括第一超声波能量，且所述第二能量包括第二超声波能量。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器被双向地配置从而测量在通过所述流体路径的第一流动方向上以及在通过所述流体路径的第二流动方向上的一个或多个参数，且所述第一流动方向和所述第二流动方向彼此相对。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一变换器和所述第二变换器被安置成与所述流体路径的轴共轴。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第一变换器被安置成邻近所述流体路径中的第一弯曲，且所述第二变换器被安置成邻近所述流体路径中的第二弯曲。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一变换器和所述第二变换器纵向地彼此偏置。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一变换器和所述第二变换器相对于所述流体路径周围而安置。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括相对于所述第一变换器和所述第二变换器而安置的噪声屏蔽物。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括功率节省部件、功率储存部件或其组合。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括噪声降低部件，其被配置以在由所述第一变换器和所述第二变换器进行测量的期间关闭一个或多个噪声产生组件。
11.根据权利要求1所述的系统，其包括耦合到所述非侵入性计量器的控制器，其中所述非侵入性计量器被配置以基于从所述第一变换器到所述第二变换器的所述第一能量的第一传输与从所述第二变换器到所述第一变换器的所述第二能量的第二传输的比较，测量一个或多个参数。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述比较包括所述第一传输的传输时间与所述第二传输的传输时间的差。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一能量和所述第二能量包括声能、热能、光能或磁能。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器被配置以测量通过所述流体路径的流体流的流率、流体速度或其组合。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器被配置以测量通过所述流体路径的流体流的密度、粘度或其组合。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述非侵入性计量器被配置以测量一个或多个参数从而识别流体流中的污染物、阻塞或其组合。
17.根据权利要求1所述的系统，其包括耦合到所述化学剂注入单元的所述矿物提取系统的树。
18.一种系统，其包括：
化学剂注入单元，所述化学剂注入单元包括：
外壳；
树接口，其耦合到所述外壳，其中所述树接口包括化学剂入口，化学剂出口以及机械连接器，所述机械连接器被配置以将所述化学剂注入单元耦合到矿物提取系统的树上；
流体路径，其通过所述外壳从所述化学剂入口延伸到所述化学剂出口；
阀，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内；以及
非侵入性计量器，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内，其中所述非侵入性计量器包括噪声屏蔽物。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述非侵入性计量器被双向地配置从而测量在通过所述流体路径的第一流动方向上以及在通过所述流体路径的第二流动方向上的一个或多个参数，且所述第一流动方向和所述第二流动方向彼此相对。
20.根据权利要求19所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括超声波流量计，且所述一个或多个参数包括流量测量结果。
21.一种系统，其包括：
化学剂注入单元，所述化学剂注入单元包括：
外壳；
树接口，其耦合到所述外壳，其中所述树接口包括化学剂入口，化学剂出口以及机械连接器，所述机械连接器被配置以将所述化学剂注入单元耦合到矿物提取系统的树上；
流体路径，其通过所述外壳从所述化学剂入口延伸到所述化学剂出口；
阀，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内；以及
非侵入性计量器，其安置在所述外壳内，其中所述非侵入性计量器被配置成至少部分地与所述流体路径的轴共轴以传输能量。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述非侵入性计量器包括超声波流量计。
23.根据权利要求21所述的系统，其中所述非侵入性计量器被配置以测量一个或多个参数从而识别流体流中的污染物、阻塞或其组合。
24.一种系统，其包括：
化学剂注入单元，所述化学剂注入单元包括：
外壳；
树接口，其耦合到所述外壳，其中所述树接口包括化学剂入口，化学剂出口以及机械连接器，所述机械连接器被配置以将所述化学剂注入单元耦合到矿物提取系统的树上；
流体路径，其通过所述外壳从所述化学剂入口延伸到所述化学剂出口；
阀，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内；以及
非侵入性计量器，其沿着所述流体路径安置在所述外壳内，其中所述非侵入性计量器包括噪声降低部件，其被配置以在由所述非侵入性计量器进行测量的期间关闭一个或多个噪声产生组件。
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