CN107438698B - 用于井眼应用中的材料的基于条件的监控 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于分析在烃类生产环境中的材料磨损的方法。该方法的特征在于以下步骤：制备要邻近烃类生产环境布置的材料的样本；选择用于材料的样本的设置位置，其中，设置位置与流体流流体连通，对于流体流要对流体流在材料的样本上的碰撞进行测试；在设置位置中布置材料的样本达预定量的时间；允许材料的样本暴露于流体流；在预定量的时间已经过去之后从设置位置回收材料的样本；以及分析材料的样本的由烃类生产环境所引起的磨损。
Description
相关申请
本申请是要求于2015年1月30日提交的美国临时申请No.62/110,346的优先权的专利合作条约申请，上述专利申请的全部内容通过参照引用的方式结合到本文中。
技术领域
本发明大致涉及油气设备，并且涉及用于油气设备的用于磨损的测试材料。具体地，本发明提供准确地评估在变化的环境条件下用于油气设备中的材料上的磨损的系统和方法。
背景技术
美国石油学院需要对当材料被用于油气操作时暴露于一定的环境条件的材料的疲劳分析。这些操作可以包括高温高压(HPHT)操作和水下作业。然而，环境条件在不同的井之间变化，没有单个分析可被用于确定给定的油气设备的预期寿命。实验室规模试验不能准确地模拟在苛刻的烃类生产环境中发现的环境，比如海底井眼，并且不能准确地估量当暴露于这些恶劣环境时给定的油气设备的预期寿命。
发明内容
公开了用于准确地评估包括海底应用的井眼环境中的材料的磨损的系统和方法。材料可以在一个或多个不使用的防喷器(BOP)出口内的支架中安装并且暴露于井眼流体。材料的样本量可以变化以评估设备设计寿命。材料老化可以对于影响样本的特定环境条件进行随着时间的测量。对于金属样本，这些材料可以连接至井眼材料，井眼材料连接至系统的阴极保护系统。对于弹性体材料样本，这些样本可以对制造材料性能进行测试并且可以在井眼环境中进行分析，以测试设备性能并且形成更好的寿命和服务建议以及复合改进。
海底系统可以通过利用对于环境定级的阳极进行阴极保护。阳极根据行业规范基于材料级别、表面制备、表面面积以及其他因素进行尺寸设定。保护阳极安装在BOP上的各个位置中并且连接成使其对于预期设计寿命限制海底设备的老化。
因此，本文公开了一种用于分析在烃类生产环境中的材料磨损的方法。该方法包括以下步骤：准备要邻近烃类生产环境布置的材料的样本；选择用于材料的样本的设置位置，其中，设置位置与流体流流体连通，对于流体流要对流体流在材料的样本上的碰撞进行测试；以及在设置位置中放置材料的样本达预定量的时间。该方法还包括以下步骤：允许材料的样本暴露于流体流；在预定量的时间已经过去之后从设置位置回收材料的样本；以及分析材料的样本的由烃类生产环境所引起的磨损。
另外公开了用于分析在烃类生产环境中的材料磨损的监控器皿。该器皿包括：保持器，其能够操作为保持要邻近烃类生产环境布置的材料的样本；流体流通道，其能够操作为允许流体流通过保持器，对于流体流要对流体流在材料的样本上的碰撞进行测试；以及端盖，其中，端盖能够操作为允许将材料的样本插入保持器内，并且允许从保持器去除材料的样本。
附图说明
关于以下说明书、权利要求书和附图将更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优势。然而，要注意到附图仅示出本发明的几个实施例，因此不被视为限制本发明的范围，因为其可以认可其他同样有效的实施例。
图1是BOP组件的代表性系统概观。
图2A是示出进入海底低位海下油管套件(LMRP)的遥控潜水器(ROV)的示意图。
图2B是示出图1中的下部组件(LS)的放大图的示意图。
图3是用于样本监控的BOP出口的横截面示意图。
图4是具有用于监控的样本材料的可堆叠保持器的主视示意图。
图5提供了样本材料插入监控容器内的示意图。
图6提供了安装在在张力下预加载的可堆叠保持器中的样本材料的示意图，比如图4中示出的可堆叠保持器。
具体实施方式
因此，对井眼应用中的材料进行基于条件的监控的系统和方法的实施例的特征和优势以及将变得明显的其他方面可被更详细地理解，在前简要地概括的本发明的实施例的更具体的说明可以通过参照其实施例获得，实施例在附图中示出并且形成本说明书的一部分。然而，要注意到附图仅示出本发明的各个实施例，因此不被视为限制本发明的范围，因为其也可以包括其他有效的实施例。
本技术涉及用于油钻探或生产设备中的材料的疲劳分析和测试。高温高压(HPHT)井控设备的规则要求是经历对暴露于井处和井中的环境条件的材料的疲劳分析。当前，没有可用于监控材料性能同时暴露于环境的破坏性测试程序。执行这种破坏性试验的能力将允许用户预测材料和由该材料制成的设备的寿命，更好地预测设备的寿命以及确保设备满足实际操作运转条件而非实验室条件中的设计要求。
一般地，设备和材料的测试需要将几个条件提交用于基准分析，但除了非破坏性试验(用于点蚀和裂缝)和硬度试验之外在设备的使用寿命期间没有基于条件的监控。这可能是个问题，因为虽然设备可能在特定井中在设备的寿命期间遇到相似条件，但是钻探设备一般在其寿命期间从一口井运动至另一口井，因此不同井中的条件可能不同。
当前技术包括其中的材料取样器皿安装在现场的防喷器(BOP)或其他油田设备中的过程，现场在不同井处并且暴露于井液以及还有BOP中和周围的比如为海水和空气的其他流体。材料可以关于基于时间的循环程序(例如每年地)被引入和去除，测试以确认材料的材料性能在规定用于设备的设计极限范围内。在运转条件期间的记录可以在比较材料相容性(金属和弹性体两者)时记录压力和温度周期以及流体特性(泥浆类型、海水暴露、生产暴露连同持续时间)和待估算的外部负载(油管张力和弯矩)。由于该系统在实际野外条件下而非实验室分析下更好地预测部件的使用寿命，因此该系统是有利的，实验室分析不能在钻探设备在不同的井之间运动时准确地模拟用于钻探设备的环境条件。
首先参考图1，示出了BOP组件的代表性系统概观。在图1中，画出BOP组件100，其包括低位海下油管套件(LMRP)102和下部组件(LS)104。LMRP 102包括圆环106、蓝控制盒108和黄控制盒110。热线112、蓝导管114和黄导管120从竖管122向下延伸到LMRP 102内并且穿过导管歧管124至控制盒108、110。蓝电力和通信线路116以及黄电力和通信线路118分别延伸至控制盒108、110。LMRP连接器126将LMRP 102连接至LS 104。液压致动楔128和130布置成悬挂可连接软管或管道132，可连接软管或管道132可以连接至比如为梭板134的梭板。
LS 104可以包括梭板134以及全封闭式剪切闸板BOP 136、套管剪切闸板BOP 138、第一闸板140和第二闸板142。BOP组件100布置在井口接头144以上。LS 104可以进一步包括可选择的组件安装蓄集器146，蓄集器146包含必要量的液压流体以在BOP组件100内操作某些功能。
现在参考图2A，图1的LMRP 102放大地示出，遥控潜水器(ROV)150示出为接近LMRP102。ROV 150从地面控制并且具有存取臂152、154。在图2A中，LMRP 102示出监控器皿156、158和160。监控器皿156、160流体地联接至生产线162并且与生产线162流体连通。因此，当比如为例如钻井泥浆、海水、烃类、油、天然气和冷凝物的钻井流体和生产流体流经生产线162时，这些流体也流过监控器皿156、160。监控器皿158联接至LMRP支架164，并且与包围BOP组件100的海水流体连通。
虽然监控器皿156、1 58和160示出为安装在BOP组件100上的某些位置中，但是监控器皿可以安装或定位在BOP组件上的任一点处以评估对材料的环境影响。另外，虽然监控器皿156、158和160示出为用于海底应用，但是这些监控器皿可被用于就地或地面上的基于陆地的井眼监控应用。监控器皿156、158和160可以表示在BOP组件上存在的不使用的出口，或者可以表示特别地增加至BOP组件以评估对材料的环境影响的监控器皿。这些监控器皿可以与比如为例如生产线162的BOP元件一体地形成，或者监控器皿可以在通过比如为ROV150的ROV安装BOP组件之后添加。
具有存取臂152、154的ROV 150可以接近监控器皿156、158和160以嵌入材料样本，用于在BOP组件100处暴露于环境条件时随着时间评估材料样本的性能。例如，材料样本155可以通过ROV 150设置在监控器皿160内，用于监控生产线162中的生产的存在。另外，ROV150可以向BOP组件100增加监控器皿和从BOP组件100去除监控器皿，比如监控器皿156、158和160。监控器皿可以通过本领域中的任何合适的方式附连至BOP组件100以及从BOP组件100去除，方式包括焊接、螺栓和磁耦合。然而，如所注意的，监控器皿还可以是与BOP组件上的现有元件一体地形成的BOP组件上的预先存在的不使用的出口。在材料样本已经暴露于环境达适当的预定量时间之后，材料样本可被回收用于实验室分析和测试。
在一些实施例中，监控器皿不是ROV可回收的，并且将安装在BOP设备上或安装在BOP设备中，在LMRP和/或下部组件回收至地面时，然后样本可被去除并提交用于测试。
现在参考图2B，示意图提供为示出图1的下部组件(LS)的放大图。监控器皿166、168、170和172布置在LS 104上的特定位置处；然而，在其他实施例中，监控器皿可以设置在LS 104上的其他位置处。监控器皿166通过套管剪切闸板BOP 138流体地联接至生产线162；监控器皿168流体地联接至井口接头144以上的生产线162；监控器皿170流体地联接至组件安装的蓄集器146；监控器皿172联接至LS框架174。当比如为例如钻井泥浆、海水、烃类、油、天然气和冷凝物的钻井流体和生产流体流经生产线162时，这些流体也流过监控器皿166、168。监控器皿170中的材料样本可以暴露于组件安装的蓄集器146中的液压流体流。监控器皿172中的材料样本可以暴露于来自包围BOP组件100的环境的海水。
现在参考图3，提供了用于样本测试的BOP出口的横截面示意图。BOP出口300用作监控器皿以评估材料的磨损，类似于图2A和2B中示出的监控器皿156、158、160、166、168、170和172。在一些实施例中，BOP出口具有大约3.06英寸的直径。在BOP出口300中，具有样本隔室304的保持器302保持样本材料306。样本材料306可以包括与烃类回收过程相关的任何材料，比如金属和弹性体，其需要磨损测试和对烃类回收环境的暴露。在一些实施例中，测试的材料样本包括构成比如为例如BOP的附近油气设备的材料。BOP出口300和/或样本材料306可以通过ROV设置。当样本隔室304流体地联接至流动线或通向周围流体环境时，样本材料306暴露于比如为烃类生产或海水的流体。
比如为样本材料306的样本材料可被以一致的时间线回收并且测试磨损，比如每年地或每半年地。比如为测试材料老化的实验室测试可以在相关样本材料上执行，包括金属和弹性体，以提供材料在特定环境中的使用寿命的准确估算。在一些实施例中，测试可以邻近BOP出口或样本保持器以及邻近烃类回收环境执行。BOP出口300包括与金属样本一起使用的阴极接头308。在某些实施例中，比如为阴极接头308的阴极接头将仅要求与金属样本一起使用，而不与弹性体样本一起使用。
海底系统一般通过利用评定用于环境的阳极进行阴极保护。阳极根据行业规范基于材料级别、表面制备、表面面积以及一些其他因素进行尺寸设定。保护阳极安装在各个位置中并且连接成使其限制海底设备的老化以便实现预期的设计寿命。
现在参考图4，提供了具有用于监控的样本材料的可堆叠保持器的主视示意图。在监控器皿400中，可堆叠保持器402、404、406和408在可堆叠保持器之间层状地保持样本材料410。监控器皿400包括用于在时间段期间监控、传输和记录压力和温度的温度传感器412和压力传感器414，在上述时间段期间样本材料410暴露于在可堆叠保持器402、404、406和408之间流动的流体。更加或更少的压力和温度传感器可被用于其他实施例中，并且可以设置在适于测量与样本材料相关的环境中的压力和温度和/或比如为流速的其他参数的任何位置。在监控器皿400中，流体流过流体流通道411中的样本材料410并且围绕样本材料410流动，以测试样本材料410上的流体随着时间的作用。样本材料410可以为完全相同的材料或不同的材料。
现在参考图5，提供了样本材料插入监控器皿内的示意图。监控器皿500布置在具有端盖504和506的生产线壁502内。材料样品155可以通过ROV 150设置在监控器皿500中，同时端盖506打开，端盖504关闭。一旦材料样品155设置在监控器皿500中，则端盖506可以关闭，端盖504可以打开。这样，材料样品155暴露于生产。在一些实施例中，端盖504、506可以通过ROV打开和关闭，或者可以通过用户在地面上利用无线或有线连接器远程控制。
在一些实施例中，监控器皿不是ROV可回收的，并且将安装在BOP设备上或安装在BOP设备中，在LMRP和/或下部组件回收至地面时，然后样本可被去除并提交用于测试。
现在参考图6，提供了安装在在张力下预加载的可堆叠保持器中的样本材料的示意图，比如为图4中示出的可堆叠保持器。张力杆600提供材料样品602上的沿X1和X2方向向外的张力。这种张力还可以称为张力的“预加载”。张力杆600通过夹头601保持材料样品602。一些环境条件可以降低材料应对应力水平的能力，这导致环境应力腐蚀和张力负荷的破裂。这种老化难以在实验室环境中重现。样本可被预加载至变化数量的张力负荷，如果发生失效，则强度等级可以与材料强度的减小相关，而在环境中可以与设备的设计限制和疲劳寿命相比。这种在材料样品处于张力下的随着时间的老化测试可以在金属和弹性体材料两者上执行。
单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参照物，除非上下文中清晰地另有表示。
在附图和说明书中，已经公开了对井眼应用中的材料进行基于条件的监控的方法和系统的实施例，尽管采用了专用术语，但是这些术语仅用于描述性含义，并非为了限制。已经具体参照这些所示实施例非常详细地说明了方法和系统的实施例。然而，明显的是可以在如上述说明书中说明的本发明的实施例的精神和范围内做出各种改进和改变，这些改进和改变被视为本发明的等同方案和部分。
Claims (22)
1.一种用于分析烃类生产环境中的材料磨损的方法，所述方法的特征在于以下步骤：
准备要邻近所述烃类生产环境布置的材料的样本(306)；
选择用于所述材料的样本(306)的设置位置，其中，所述设置位置与流体流流体连通，对于所述流体流要对流体流在所述材料的样本(306)上的碰撞进行测试；
在所述设置位置中放置所述材料的样本(306)达预定量的时间；
允许所述材料的样本(306)暴露于所述流体流；
在所述预定量的时间已经过去之后从所述设置位置回收所述材料的样本(306)；以及
分析所述材料的样本(306)的由所述烃类生产环境所引起的磨损。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法的特征还在于以下步骤：当所述材料的样本(306)暴露于所述流体流时监控邻近所述材料的样本(306)的温度和压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料的样本(306)选自以下组成的组：金属材料和弹性体材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中用于所述材料的样本(306)的所述设置位置邻近防喷器(BOP)组件(100)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中用于所述材料的样本(306)的所述设置位置是BOP组件(300)上的不使用的侧出口。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定量的时间为大约1年。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体流选自以下组成的组：生产流体流和海水流。
8.根据权利要求1所述的方法，其中利用遥控潜水器(ROV)(150)执行布置所述材料的样本(306)和回收所述材料的样本(306)的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，其中分析所述材料的样本(306)的由所述烃类生产环境所引起的磨损的步骤的特征在于对所述材料的样本(306)的破坏性试验。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于以下步骤：当所述材料的样本(306)的特征为金属时向所述设置位置施加阴极接头(308)。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：向材料的样本(306)施加预加载张力，并且验证在何种预加载张力时所述材料的样本(306)失效，以关联由于环境辅助应力腐蚀裂纹引起的强度降低。
12.一种用于分析在烃类生产环境中的材料磨损的监控器皿(400)，所述监控器皿(400)的特征在于：
保持器(402、404、406、408)，所述保持器(402、404、406、408)能够操作为保持要邻近所述烃类生产环境布置的材料的样本(410)；
流体流通道(411)，所述流体流通道(411)能够操作为允许流体流通过所述保持器(402、404、406、408)，对于所述流体流要对流体流在所述材料的样本(410)上的碰撞进行测试；以及
端盖(506)，其中，所述端盖(506)能够操作为允许所述材料的样本(410)插入所述保持器(402、404、406、408)内，并且允许从所述保持器去除所述材料的样本(410)。
13.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其特征还在于温度传感器(412)和压力传感器(414)，所述温度传感器(412)和所述压力传感器(414)感测当所述材料的样本(410)暴露于所述流体流时的温度和压力。
14.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述材料的样本(410)选自以下组成的组：金属材料和弹性体材料。
15.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述监控器皿(400)能够操作为邻近BOP组件(100)设置。
16.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其特征还在于可替代端盖(504)，其中，两个端盖能够操作为远程地打开和关闭。
17.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述监控器皿(400)能够操作为在海底保持大约1年。
18.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述流体流选自以下组成的组：生产流体流和海水流。
19.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述材料的样本(410)能够通过ROV(150)布置到所述保持器(402、404、406、408)内以及从所述保持器(402、404、406、408)回收。
20.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其中所述保持器(402、404、406、408)能够操作为保持一种以上的材料的样本(410)。
21.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，其特征还在于邻近所述材料的样本(410)的阴极接头(308)。
22.根据权利要求12所述的监控器皿(400)，还包括给所述材料的样本(410)预加载张力的张力杆(600)。
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