CN107810332A - 使用光学测量的蓄能器容量检测器 - Google Patents

使用光学测量的蓄能器容量检测器 Download PDF

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Abstract

一种用于确定蓄能器(20)内的活塞(28)的位置的激光活塞位置传感器(26)，激光活塞位置传感器(26)构造成附连至蓄能器(20)的端部，且蓄能器(20)在其端部中具有孔(29)，其使蓄能器(20)内的活塞(28)暴露于激光活塞位置传感器(26)。激光活塞位置传感器(26)包括：传感器壳体(46)，其包封容纳低压气体的腔体(48)并限定从腔体(48)朝向蓄能器(20)的开口(68)；激光传感器(70)，其定位于腔体(48)内，用于经由传感器壳体(46)中的开口(68)和蓄能器(20)中的孔(29)朝向蓄能器(20)的活塞(28)发射激光(72)；以及透明的镜片(58)，其定位于激光传感器(70)和蓄能器(20)之间，以允许激光(72)从激光传感器(70)传送到活塞(28)，并将蓄能器(20)中的气体与传感器壳体(46)的腔体(48)中的气体分开。

Description

使用光学测量的蓄能器容量检测器
技术领域
本技术大体上涉及油田设备。具体而言，本技术涉及在油田应用中使用的液压蓄能器。
背景技术
在钻井工业中，液压控制被用于控制许多安全性构件。此外，许多这种构件由液压蓄能器供能。为了确保安全性，需要知道蓄能器是否会具有足够的液压流体以启动特定的安全性构件。一种确定液压蓄能器中的流体的体积的方式是确定蓄能器内的活塞的位置。
确定蓄能器中的液压流体的量的已知的方法包括使用线缆延长换能器，其中线缆物理地附连至蓄能器中的活塞。基于拉进蓄能器中的线缆的量，可确定在蓄能器中的活塞的位置。因为线缆延长换能器需要物理地入侵到蓄能器中，以及各自导致蓄能器的可靠性降低以及更大的维修成本的多个机械部件一起工作，所以使用线缆延长换能器可为成问题的。
确定蓄能器内的活塞位置的另一方法包括使用传递到蓄能器中的声学信号。该方法避免线缆物理地入侵到蓄能器中，但具有其自身的问题。例如，为了使用声波准确地确定穿过介质的距离，必须已知介质的某些属性，诸如温度和压力。因此，需要在蓄能器中的介质内安装温度和压力测量计以确定这些参数。引入额外的传感器降低了系统的可靠性，以及获得的关于活塞位置的信息的准确性。
发明内容
本技术的一个实施例提供一种用于为海底钻井系统的构件供能的液压蓄能器，其包括：包封腔体的蓄能器壳体，蓄能器壳体在第一端部中限定孔并具有纵向轴线；活塞，其设置在腔体内并可相对于蓄能器壳体沿平行于纵向轴线的方向移动；和激光活塞位置传感器，其在第一端部中的孔附近附连至蓄能器壳体的端部。激光活塞位置传感器包括：传感器壳体，其包封腔体并在传感器壳体的外表面中限定凹部；定位于传感器壳体的凹部中并暴露于传感器壳体中的腔体的镜片，镜片定位于传感器壳体中的腔体和蓄能器壳体的孔之间；以及在腔体中附连至传感器壳体的激光传感器，其发射激光，激光通过镜片和蓄能器壳体中的孔被引导至活塞。
本技术的另一实施例提供一种用于确定液压蓄能器内的活塞的位置的激光活塞位置传感器，激光活塞位置传感器构造成附连至液压蓄能器的端部，且液压蓄能器在其端部中具有孔，其使液压蓄能器内的活塞暴露于激光活塞位置传感器。激光活塞位置传感器包括：传感器壳体，其包封容纳低压气体的腔体并限定从腔体朝液压蓄能器的开口；定位于腔体内的激光传感器，其用于经由传感器壳体中的开口和液压蓄能器中的孔朝液压蓄能器的活塞发射激光；以及透明的镜片，其位于激光传感器和液压蓄能器之间，以允许激光从激光传感器传送到活塞，并将液压蓄能器中的气体与传感器壳体的腔体中的气体分开。
本技术的又一实施例提供一种确定液压蓄能器内的活塞的位置的方法。该方法包括以下步骤：从附连至液压蓄能器的激光活塞位置传感器发射激光；通过液压蓄能器中的孔将激光引导到活塞；以及接收来自活塞的反射光。该方法还包括：确定发射激光和接收反射光之间的时间量；然后，基于该时间，确定激光活塞位置传感器和活塞之间的距离；并且基于液压蓄能器内活塞的位置和液压蓄能器的尺寸特征确定液压蓄能器内的液压流体的体积。
附图说明
在阅读了本技术的非限制性实施例的以下详细描述以及在审阅了附图后，可更好地理解本技术，其中：
图1为根据本技术的实施例的下部防喷器(BOP)堆叠的透视图，下部防喷器(BOP)堆叠包括蓄能器和传感器；
图2A为根据本技术的实施例的蓄能器的透视图，蓄能器包括安装在其上的激光活塞位置传感器；
图2B为图2A的激光活塞位置传感器的放大透视图；
图3为根据本发明的实施例的液压蓄能器的上部部分和激光活塞位置传感器的侧视截面图；
图4为图3中的激光活塞位置传感器的放大的侧视截面图；
图5为图4中的激光活塞位置传感器的备选图，其围绕其纵向轴线旋转180度。
具体实施方式
当参照优选实施例的以下描述和附图(其中，相同的参考标号表示相同的元件)考虑时，可进一步理解本技术的前述方面、特征和优点。以下内容涉及本公开的多个示例性实施例。公开的实施例不应解释为或另外用作限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域中的普通技术人员可理解，以下描述具有广泛的应用，且任何实施例的论述仅意味着为该实施例的示范，并不旨在表示包括权利要求的本公开的范围限于该实施例。
图1示出海底钻井系统的下部堆叠10。下部堆叠10包括支承许多构件的框架12，所述构件包括防喷器(BOP)冲头14、线缆盘16、控制吊舱18和蓄能器20。在操作中，钻探管或生产管(未示出)平行于BOP的轴线22从下部堆叠10的顶部穿过BOP并穿至位于下部堆叠10下面的井口(未示出)。蓄能器20经由液压管线23在液压方面附连到下部堆叠10上的功能元件，诸如，例如BOP冲头14。蓄能器的一个目的是在需要时提供闭合BOP冲头14的力，或启动下部堆叠10上的其它功能元件或下部海底取油管总成(未示出)。下面详细描述实现该功能性的蓄能器的结构。各个蓄能器20 (或各个激光活塞位置传感器26，其示于图2A到5中并在下面被描述)可经由线缆25附连至在远程位置的可编程逻辑控制器(PLC)25，诸如，例如，控制吊舱18，或附连至海面上的平台或船舶上。此外，可编程逻辑控制器PLC 25可附连至人机界面(HMI)显示器27，以允许操作人员监测蓄能器和传感器。通过在系统中使用多个蓄能器20，可提高总的蓄能器容积。
根据本技术的实施例，图2A描绘蓄能器20的放大的透视图。具体而言，示出蓄能器壳体24的外观视图并以激光活塞位置传感器26的形式示出蓄能器容积检测器。在图2B中更详细示出的激光活塞位置传感器26位于蓄能器20的顶部并将激光朝蓄能器活塞向下引导至蓄能器中(示于图3中)。激光活塞位置传感器26诸如通过使用普通的凸缘和配件附连至蓄能器。如下面所描述的，激光可检测蓄能器20内部活塞的位置，并可因此确定蓄能器20中液压流体的量。关于蓄能器20中的液压流体的量的数据又可传送至操作人员以帮助操作人员了解在蓄能器20中是否有足够的液压流体以用于启动特定的功能元件。
图3描绘蓄能器20的上部部分的侧视截面图，其中激光活塞位置传感器26附连至蓄能器20的上部端部。该视图也示出额外的蓄能器20的构件，诸如，例如，蓄能器壳体24和蓄能器活塞28。在图3的实施例中，蓄能器壳体24限定穿过壳体的端部的孔29。此外，蓄能器壳体24是中空的且蓄能器活塞28横跨蓄能器壳体24的内部以将中空的内部分成第一蓄能器腔体30和第二蓄能器腔体32。蓄能器活塞28与蓄能器壳体24的壁密封地接合使得蓄能器壳体24内部的流体和气体不可在第一蓄能器腔体30和第二蓄能器腔体32之间流动。典型地，使用密封件33完成这种密封的接合，所述密封件33可为弹性体密封件。在示出的实施例中，第一蓄能器腔体30可容纳气体，诸如，例如，氮气或类似的惰性气体。气体是可膨胀且可压缩的，且因此当活塞28沿着蓄能器壳体24的纵向轴线36相对于蓄能器壳体24上下移动时，气体可膨胀和压缩。第二蓄能器腔体32被填充流体(诸如液压流体)。
在操作中，第二蓄能器腔体流通地附连至功能元件，诸如BOP冲头。在第二蓄能器腔体完全充能的状态下，第二蓄能器腔体被填充液压流体，直到活塞28位于蓄能器壳体24的顶部附近(如在图3中示出的)。活塞28的这种定位减少了第一蓄能器腔体30的容积，并压缩第一蓄能器腔体30中的气体，由此增大气体的压力。在一些实施例中，经由单独的气体管线(示于图5中)可添加额外的气体以进一步增加第一蓄能器腔体30中的压力。
当操作人员需要使用蓄能器20以启动功能元件，诸如以闭合BOP冲头14，可打开蓄能器20和功能元件之间的液压管线23中的阀38(示于图1中)。在阀38打开的情况下，在第一蓄能器腔体30中的加压的气体膨胀并在蓄能器壳体24中向下推动活塞28。当活塞28向下移动时，其将第二蓄能器腔体32中的液压流体推出蓄能器20，通过将蓄能器20连接到功能元件的液压管线23，并进入到功能元件中以帮助启动功能元件。在一些实施例中，可通过用液压流体再填充第二蓄能器腔体32，由此朝蓄能器20的顶部推动活塞28，并压缩第一蓄能器腔体30中的气体，来对蓄能器20再充能。
为了成功启动功能元件，需要在蓄能器启动时，蓄能器20容纳足够的液压流体以流出蓄能器20至功能元件中。一种确定蓄能器20中的液压流体的体积的方式是确定蓄能器壳体28内蓄能器活塞28 的位置。这是因为第二蓄能器腔体32被填充液压流体，液压流体基本上是不可压缩的，使得蓄能器活塞28将根据第二蓄能器腔体32中的液压流体的体积的变化，在蓄能器壳体24内升高和降落。因此，本技术的某个实施例包括激光活塞位置传感器26，其安装在蓄能器20的上部端部处，以确定蓄能器24内的蓄能器活塞28的位置，如下面描述的那样。
图4示出根据本技术的实施例的激光活塞位置传感器26的放大的截面图。激光活塞位置传感器26包括电子连接器40，电子连接器40包括电子接触件42。电子连接器可具有螺纹44，螺纹44用于通过螺纹将激光活塞位置传感器26连接至外部海底线缆。线缆25(示于图1中)可连接至电子接触件42，并可为激光活塞位置传感器26供能。线缆25也可用于将来自激光活塞位置传感器26的数据传送至下部堆叠10的其它部分，诸如控制吊舱18，或甚至直接传送至在海面处的操作人员。这种线缆25可为，例如压力平衡的油田线缆25，或模制线缆25，并可承载大约4-20 mA的电流。内部接线43可将电子接触件42连接至激光传感器70(下面论述的)。
激光活塞位置传感器26还包括传感器壳体46。传感器壳体限定容纳气体(诸如惰性气体)的低压腔体48。在一些实施例中，传感器壳体内的气体可保持在大约1个大气压的压力下。如所示出的那样，壳体可由多个壳体件46a、46b、46c构成，它们可利用螺栓50或其它适合的紧固器件组装和紧固在一起。密封件52可定位于相邻的壳体件46a、46b、46c之间，以防止环境流体进入腔体48。密封件也可位于壳体46和电子连接器40之间。在一些实施例中，密封件52可为由弹性体或其它适合的材料构成的动态密封件。尽管图4的壳体46利用多个壳体件46a、46b、46c示出，但是本技术的备选实施例可包括不具有多个件的一体的壳体，或可包括少于三个或不止三个的在附图中描绘的壳体件。
仍参照图4，示出中空的连接器54，其附连至传感器壳体46并如在图3中示出的那样，朝向蓄能器20的第一蓄能器腔体30和活塞28定向。当激光活塞位置传感器26附连至蓄能器壳体24时，中空的连接器54与蓄能器壳体24的端部中的孔29对齐，使得激光(下面更详细描述的)可从传感器壳体46中的腔体48穿过中空的连接器54，并到第一蓄能器腔体30中。
激光活塞位置传感器26还包括位于传感器壳体46中的腔体48和中空的连接器54之间的镜片组件56。镜片组件包括至少部分是透明的镜片58、镜片固定器60和镜片密封件62。镜片组件56位于传感器壳体46中的凹部64中。在组装和安装激光活塞位置传感器26和液压蓄能器20期间，镜片固定器60的一个功能是在来自蓄能器的气体已泄漏到传感器壳体46中的腔体48中的情况下，在蓄能器20和激光活塞位置传感器26被带到海面时，保持镜片58相对于传感器壳体46的位置。此外，镜片保持件60的另一功能是在安装蓄能器期间保持镜片58就位在凹部64中。为了完成这一点，镜片58可置于凹部64中，镜片密封件62密封镜片58和传感器壳体46之间的接口。在激光活塞位置传感器46的操作期间，镜片密封件62防止典型地位于中空连接器54(其经由孔29与第一蓄能器腔体30流体连通)中的液体或气体进入低压传感器腔体48。因此镜片58可用作在第一蓄能器腔体30中的氮气或其它气体和在传感器壳体46的腔体48中的低压气体之间的屏障。镜片固定器60可利用紧固件66或通过任何其它适合的器件附连至传感器壳体46。在传感器壳体46中的孔68使镜片58的至少部分暴露于传感器壳体46中的腔体48。
在传感器壳体46中的腔体48内，定位有激光传感器70。激光传感器70执行多个功能。例如，激光传感器生成激光72并将激光72引导通过传感器壳体46中的孔68、镜片58、中空的连接器54和蓄能器壳体24中的孔29，并进入第一蓄能器腔体30中到达活塞 28。激光传感器70还接收通过同一路径返回至传感器的反射光。
再次参照图3，现将描述激光活塞位置传感器26的操作模式。为了确定在蓄能器壳体24内的活塞28的位置，激光传感器70生成激光72并将激光72引导通过传感器壳体46中的孔68、镜片58、中空的连接器54、蓄能器壳体24中的孔29以及第一蓄能器腔体30到达活塞28。当激光72到达活塞28时，来自激光72的光被沿着同一路径(即，通过第二蓄能器腔体30、蓄能器壳体中的孔29、中空的连接器54、镜片58和穿过传感器壳体46的孔68)反射回激光传感器70。基于发射激光72和反射光的返回接收之间的时间，激光传感器70可计算从激光传感器70至活塞28的距离，或向在远程位置处的处理器传递需要的数据以计算该距离。激光传感器70和活塞28之间的距离又用以计算蓄能器壳体24内的活塞28的位置。活塞28的位置与已知的蓄能器尺寸属性一起可用以确定第一蓄能器腔体30中气体的体积，且该体积和蓄能器的总的已知的容积之间的差可用以确定第二蓄能器腔体32中的液压流体的体积。
在示于图3和4中的实施例中，示出镜片58相对于激光传感器70成角度。该成角度的定向用于在激光活塞位置传感器26的操作期间防止或最大程度地减小激光72从镜片58的反射。这种反射可导致蓄能器壳体24中的活塞28的错误的位置读数。在示出的实施例中，镜片58相对于传感器器壳体46中的腔体48的底部74成大约15度的角度，但是镜片58可备选地以任何适当的角度定位。
现参照图5，示出了激光活塞位置传感器26的备选图。在图5的视图中，激光活塞位置传感器26从图4示出的视图围绕其纵向轴线36旋转180度。如在图5中示出的，激光活塞位置指示器26可包括带有填充阀78的气体填充管线76、密封子件80和通风塞84。气体填充管线提供了在填充阀78和中空连接器54之间流体连通的一种手段，中空连接器54经由蓄能器壳体中的孔29与第一蓄能器腔体30连通。因此，气体填充管线76可用以向第一蓄能器腔体添加气体或从其带走气体。密封子件80用于在气体管线76穿过件46a、46b之间的接口处密封传感器壳体件46a、46b之间的接口。如示出的那样，密封子件80由密封件82包围以防止流体或气体在密封子件80和壳体的件46a、46b之间经过。填充阀78可为施拉盖(Schrader)阀或任何其它适合的类型的阀。如果操作人员需要或期望的话，可打开通风塞84以从蓄能器将气体释放到周围环境。
使用本技术的激光活塞位置传感器提供对于现有技术来说的许多优点。例如，激光无需与活塞接触以测量活塞的位置，对于蓄能器是无入侵性的，且不具有活动部件。这些特征大大提高传感器的可靠性。此外，本技术的激光活塞位置传感器可适用于广泛范围的用于许多工业中并用于许多不同应用的活塞蓄能器。
虽然关于限制性数量的实施例描述了本公开，但享有本公开的益处的本领域的技术人员可理解， 可设计不脱离如本文描述的本公开的范围的其它实施例。因此，本公开的范围仅应由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于为海底钻井系统的构件供能的液压蓄能器(20)，其特征在于：
包封腔体(30, 32)的蓄能器壳体(24)，所述蓄能器壳体(24)在第一端部中限定孔(29)，并具有纵向轴线(36)；
活塞(28)，其设在所述腔体(30, 32)内并且可在平行于所述纵向轴线(36)的方向上相对于所述蓄能器壳体(24)移动；和
激光活塞位置传感器(26)，其在所述第一端部中的所述孔(29)附近附连至所述蓄能器壳体(24)的端部，其特征在于：
传感器壳体(46)，其包封腔体(48)并在所述传感器壳体(46)的外表面中限定凹部(64)；
镜片(58)，其位于所述传感器壳体(46)的所述凹部(64)中，并暴露于所述传感器壳体(46)中的所述腔体(48)，所述镜片(58)定位于所述传感器壳体(46)中的所述腔体(48)和所述蓄能器壳体(24)的所述孔(29)之间；和
激光传感器(70)，其在所述腔体(48)中附连至所述传感器壳体(46)，所述激光传感器发射激光(72)，所述激光(72)通过所述镜片(58)和所述蓄能器壳体(24)中的孔(29)被引导到所述活塞(28)。
2.根据权利要求1所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述激光传感器(70)为接收在所述激光(72)接触所述活塞(28)时从所述活塞(28)反射的光的接收器。
3.根据权利要求2所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述激光传感器(70)与可编程逻辑控制器(25)通信，所述可编程逻辑控制器(25)基于从所述激光传感器(70)发射所述激光(72)到从所述活塞(28)反射的光被接收所经历的时间，计算从所述激光传感器(70)到所述活塞(28)的距离。
4.根据权利要求1所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述镜片(58)相对于所述激光(72)成角度定位，使得所述镜片(58)不会朝所述激光传感器(70)反射所述激光(72)。
5.根据权利要求4所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述镜片(58)相对于所述激光传感器(70)定位成大约15度的角度。
6.根据权利要求1所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述传感器壳体(46)中的所述腔体(48)被填充处于大约1个大气压下的气体。
7. 根据权利要求6所述的液压蓄能器(20)，其特征在于，所述蓄能器壳体(24)中的所述腔体(30, 32)的至少一部分和所述蓄能器壳体(24)中的孔(29)被填充具有大于1个大气压的压力的惰性气体。
8.一种用于确定液压蓄能器(20)内的活塞(28)的位置的激光活塞位置传感器(26)，所述激光活塞位置传感器(26)构造成附连至所述液压蓄能器(20)的端部，且所述液压蓄能器(20)在其所述端部中具有孔(29)，其使所述液压蓄能器(20)内的所述活塞(28)暴露于所述激光活塞位置传感器(26)，所述激光活塞位置传感器(26)的特征在于：
传感器壳体(46)，其包封容纳低压气体的腔体(48)并限定从所述腔体(48)朝向所述液压蓄能器(20)的开口(68)；
激光传感器(70)，其位于所述腔体(48)内，用于经由所述传感器壳体(46)中的所述开口(68)和所述液压蓄能器(20)中的所述孔(29)朝向所述液压蓄能器(20)的所述活塞(28)发射激光(72)；和
透明的镜片(58)，其位于所述激光传感器(70)和所述液压蓄能器(20)之间，以允许所述激光(72)从所述激光传感器(70)传送到所述活塞(28)，并将所述液压蓄能器(20)中的气体与所述传感器壳体(46)的所述腔体(48)中的气体分开。
9.根据权利要求8所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征在于，所述传感器壳体(46)在其外表面中限定凹部(64)，且所述镜片(58)定位于所述凹部(64)中。
10.根据权利要求8所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征在于，所述镜片(58)相对于所述激光传感器(70)成角度定向以防止当所述激光(72)穿过镜片(58)时，所述激光(72)反射回所述激光传感器(70)。
11.根据权利要求8所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征在于，所述激光传感器(70)为接收器，其接收由所述活塞(28)反射回所述激光传感器(70)的光，以基于发射所述激光(72)和接收反射的光之间的时间确定所述活塞(28)与所述激光传感器(70)的距离。
12. 根据权利要求8所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征在于，所述传感器壳体(46)还包括：
气体填充管线(76)；和
气体阀(78)，其在所述传感器壳体(46)的外表面处附连至所述气体填充管线(76)的端部；
所述气体填充管线(76)提供从所述气体阀(78)到所述液压蓄能器(20)中的流体连通，使得气体可添加至所述液压蓄能器(20)或从所述液压蓄能器(20)移除。
13.根据权利要求12所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征还在于，通风塞(84)使所述气体管线(76)与周围环境连接以将气体从所述液压蓄能器(20)释放到所述周围环境中。
14.根据权利要求8所述的激光活塞位置传感器(26)，其特征还在于，镜片固定器(60)附连至所述传感器壳体(46)，以相对于所述传感器壳体(46)固定所述镜片(58)的位置，所述镜片固定器(60)利用紧固件(66)附连至所述传感器壳体(46)。
15.一种确定液压蓄能器(20)内的活塞(28)的位置的方法，其特征在于：
(a)从附连至所述液压蓄能器(20)的激光活塞位置传感器(26)发射激光(72)；
(b)通过所述液压蓄能器(20)中的孔(29)将所述激光(72)引导至所述活塞(28)；
(c)接收从所述活塞(28)反射的光；
(d)确定发射所述激光(72)和接收反射的光之间的时间量；
(e)基于该时间，确定所述激光活塞位置传感器(26)和所述活塞(28)之间的距离；和
(f)基于所述液压蓄能器(20)内的所述活塞(28)的位置和所述液压蓄能器(20)的尺寸特征确定所述液压蓄能器(20)内的液压流体的体积。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征还在于：
通过定位于所述激光活塞位置传感器(26)和所述液压蓄能器(20)之间的镜片(58)过滤所述激光(72)。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征还在于：
经由气体管线(76)通过所述激光活塞位置传感器(26)的一部分向所述液压蓄能器(20)添加气体。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征还在于：
使用可编程逻辑控制器(PLC)(25)执行步骤(f)。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征还在于：
使用PLC (25)执行步骤(e)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征还在于：
使用PLC (25)执行步骤(d)。
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