DE102005058058A1

DE102005058058A1 - Hydrauliksteuersystem

Info

Publication number: DE102005058058A1
Application number: DE102005058058A
Authority: DE
Inventors: Christopher David Weston-Super-Mare Baggs
Original assignee: Vetco Gray Controls Ltd
Current assignee: Baker Hughes Energy Technology UK Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2006-07-13
Also published as: US20100078175A1; GB2456442A; GB2456442B; GB2421524B; US20060157254A1; BRPI0506085A8; US8096365B2; GB0428001D0; GB2421524A; US7650943B2; GB0907246D0; BRPI0506085A; NO336511B1; NO20056045L

Abstract

Ein Hydraulik-Steuersystem zum Steuern einer externen Vorrichtung (4) an einer Quellenbetriebseinrichtung weist ein Steuermodul (2) zum Erzeugen elektrischer und/oder optischer Steuersignale, eine Steuerkapsel (8) zum Empfangen der Steuersignale, die Steuereinrichtung zum Steuern der externen Vorrichtung aufweist, und eine Hydraulik-Leitung (10) zum Verbinden der Steuereinrichtung mit den externen Vorrichtungen (4) zur Steuerung derselben auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydrauliksteuersystem und eine das Steuersystem enthaltene Quellenbetriebseinrichtung.
Bei Bohrloch- bzw. Quellenbetriebseinrichtungen zur Fluidextraktion besteht eine häufige Anforderung, eine geringe Anzahl von hydraulischen Unterwasservorrichtungen, üblicherweise zum Beispiel Ventile, an einem Verteiler oder einer anderen Struktur des Quellkopfbaumes zu steuern, der üblicherweise 100 m von dem Verteiler/der Struktur entfernt angeordnet ist. Das herkömmliche Verfahren zum Implementieren dieser Anforderung ist, eine Hydrauliküberbrückung zwischen dem Baum und den hydraulischen Vorrichtungen an dem Verteiler/der Struktur zu installieren und ein „Unterwasser-Steuermodul" (SCM subsea control module) des Baumes zu verwenden, um diese Vorrichtungen zu steuern.
1 stellt eine herkömmliche Anordnung zur Steuerung von hydraulischen Vorrichtungen dar, in diesem Beispiel Ventile an einem entfernten Verteiler. Ein Baum 1 bringt ein Unterwasser-Steuermodul 2 unter, das mit dem Verteiler 3 verbunden ist. Jedes Ventil 4 an dem Verteiler 3 ist über eine Hydraulik-Steuerleitung 5 gespeist, so dass ein Wegeventil (DCV directional control valve) in dem Unterwasser-Steuermodul 2 den Betrieb eines Ventils 4 steuert. Jeder Baum um den Verteiler herum würde in ähnlicher Weise mit einer entsprechenden Gruppe von drei Ventilen verbunden sein. Herkömmlicherweise wurden schlauchartige Überbrückungen 5 verwendet, um die Hydraulik-Steuerung des Unterwasser-Steuermoduls mit den Verteilerventilen zu verbinden. Mit dem derzeitigen Trend, dass Unterwasserquellen in größeren Tiefen liegen, schreiben jedoch Betriebseinrichtungsfirmen für Fluidquellen Stahlrohrüberbrückungen vor, die extrem teuer sowohl zum Einkaufen als auch zum Installieren sind.
Die Anforderung, hydraulische Vorrichtungen entfernt von den Quellköpfen zu betreiben, bedeutet, dass zusätzliche Wegeventile in das Unterwasser-Steuermodul integriert werden müssen. Im Allgemeinen sind Unterwasser-Steuermodule dadurch als „gemeinsame Vorrichtung" ausgebildet und hergestellt, indem sie genügend Wegeventile enthalten, um die Anforderung einer üblichen Quelle zu erfüllen. Wenn jedoch weitere entfernte Vorrichtungen betrieben werden müssen, muss das „gemeinsame" Unterwasser-Steuermodul modifiziert werden, was beträchtliche Entwicklungskosten verursacht. Wenn andererseits das „gemeinsame" Unterwasser-Steuermodul ausgebildet ist, zusätzliche entfernte Vorrichtungen unterzubringen, dann macht in vielen „einfachen" Anwendungen die Überschusskapazität das Unterwasser-Steuermodul teurer.
Intelligente Abwärtssysteme (downwhole systems) nehmen immer mehr zu und benötigen im Allgemeinen drei hydraulische Funktionen innerhalb des Unterwasser-Steuermoduls, die bei Hochdruck arbeiten (üblicherweise 7,03 MPa bis 10,545 MPa (10 bis 15k psi)). Nicht alle Quellen benötigen einen intelligenten Ausbau. Es ist üblich, eine „gemeinsame" Gestaltung des Unterwasser-Steuermoduls zu haben, so dass in vielen Fällen diese drei Funktionen nicht verwendet werden. Üblicherweise benötigt ein intelligentes Quellensystem auch einen zusätzlichen Hochdruck (HP high pressure)-Speicher, um sicherzustellen, dass das Betreiben der intelligenten Quelle nicht ungünstig das „oberflächengesteuerte Unterwassersicherheitsventil" (SCSSV surface controlled sub-surface safety valve) beeinflusst, welches ebenfalls an der Hochdruckversorgung angeschlossen ist, und umgekehrt.
2 stellt eine herkömmliche Anordnung für die Steuerung von hydraulischen Abwärtsvorrichtungen dar, in diesem Beispiel Ventile 6. Der Baum 1 trägt ein Unterwasser-Steuermodul 2, das mit den Untergrundventilen 6 über Hydraulikzuführungen 7 verbunden ist.

Es wird angemerkt, dass derartige Systeme nicht die einzigen erhältlichen Systeme sind, beispielsweise beschreibt die britische Patentanmeldung GB 0319622.7 ein dezentralisiertes Steuersystem, das kein Unterwasser-Steuermodul verwendet. Auch das System, das in dem britischen Patent GB 2264737 beschrieben ist, beschreibt ein weiteres System, bei dem das Unterwasser-Steuermodul durch eine Vielzahl von integrierten elektronischen und hydraulischen Funktionen in Modulen ersetzt ist, beispielsweise kleinere und zugeordnete Elektronik-Einheiten und Hydraulik-Einheiten. Im Gegensatz zu diesen zwei beschriebenen Systemen und obwohl diese Erfindung ebenfalls Module verwendet, die elektrisch betriebene hydraulische Funktionen und möglicherweise in einigen Ausführungsformen elektronische Funktionen enthalten, sind diese bei der vorliegenden Erfindung von einem Unterwasser-Steuermodul gesteuert.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Notwendigkeit für Stahlrohrüberbrückungen zu verhindern und Standardminimum-Unterwasser-Steuermodulen zu ermöglichen, eingesetzt zu werden, wenn es erforderlich ist, zusätzliche entfernte hydraulische Vorrichtungen zu betreiben.

Dieses Ziel wird erreicht durch die Entfernung der Hydraulik-Steuerungen für entfernte hydraulische Vorrichtungen, beispielsweise Wegeventile, von dem baummontierten Unterwasser-Steuermodul und stattdessen Unterbringen derselben in einer separaten „Kapsel", die dann extern von dem Unterwasser-Steuermodul und in einigen Anwendungen in der Nähe der entfernten Vorrichtungen angeordnet ist.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Hydraulik-Steuersystem zum Steuern einer externen Vorrichtung an einer Quellenbetriebseinrichtung vorgesehen, das ein Steuermodul zum Erzeugen elektrischer und/oder optischer Steuersignale, eine Steuerkapsel zum Empfangen der Steuersignale, die Steuereinrichtungen zum Steuern der externen Vorrichtung aufweist, und eine Hydraulik-Leitung zum Verbinden der Steuereinrichtung mit der externen Vorrichtung zur Steuerung derselben aufweist.

Die Steuersignale können von dem Modul zu der Kapsel über einen elektrisch leitfähigen Anschluss, beispielsweise über eine serielle Datenleitung, oder über eine optische Faser übertragen werden.

Eine Vielzahl von Steuereinrichtungen kann vorgesehen sein, die mit entsprechenden externen Vorrichtungen durch entsprechende Hydraulik-Leitungen verbunden sind.

Die oder jede Steuereinrichtung kann ein Ventil sein, beispielsweise ein Wegeventil.

Bevorzugt ist die Steuerkapsel ausgebildet, Hydraulik-Fluid von einer Zufuhr zu erhalten.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Quellenbetriebseinrichtung zur Anordnung unter Wasser vorgesehen, die einen Quellenbaum, eine Quelle, eine externe Vorrichtung, und die Hydraulik-Steuereinrichtungen gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung aufweist, bei der das Steuermodul an dem Baum angeordnet ist.

Die Steuerkapsel kann an einer von dem Baum entfernten Struktur angeordnet sein, beispielsweise einem Verteiler. Die externe Vorrichtung kann ebenfalls an der Struktur angeordnet sein. Die Kapsel kann ferner Niederdruck-Hydraulikfluid von einer an der Struktur angeordneten Zufuhr erhalten.

Alternativ kann die Steuerkapsel an dem Baum angeordnet sein. Die Kapsel kann Hydraulikfluid von einer Hochdruck-Zufuhr über das Steuermodul erhalten.

Als eine dritte Alternative kann die Steuerkapsel an oder innerhalb der Quelle angeordnet sein.

Die externe Vorrichtung kann innerhalb der Quelle angeordnet sein.

Die externe Vorrichtung kann ein Ventil sein.

3 stellt eine erste Ausführungsform der Erfindung in Bezug auf die Steuerung von Ventilen an einem entfernten Verteiler/einer entfernten Struktur dar. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Austausch der Hydraulik-Steuerleitungen von dem Baum durch ein elektrisches oder ein faseroptisches Kabel erreicht, so dass das Erfordernis, ein minimales „gemeinsames" Unterwasser-Steuermodul zu modifizieren oder zu erweitern, beseitigt wurde. Ein Unterwasser-Steuermodul 2 ist an dem Baum 1 untergebracht und entweder elektrisch oder optisch über ein Kabel 9 mit einer Kapsel 8 verbunden, die an dem entfernten Verteiler/der entfernten Struktur 3 angeordnet ist. Jedes Ventil 4 an dem Verteiler der Struktur 3 wird über eine Hydraulik-Steuerleitung 10 von der Kapsel 8 gespeist. Elektrische oder optische Signale von dem Unterwasser-Steuermodul 2 betreiben die Wegeventile in der Kapsel 8, welche im Anschluss daran die hydraulische Leistung von einer lokalen Hydraulik-Quelle, die als „ND (Niederdruck)-Zufuhr" in 3 bezeichnet wird, zu jedem Ventil 4 über Hydraulik-Zuführungen 10 innerhalb des Verteilers/der Struktur 3 steuert. Somit sind die Kosten für Stahlhydraulikrohre von dem Unterwasser-Steuermodul zu dem Verteiler/der Struktur sowie das Erfordernis vermieden, zusätzliche Wegeventile an dem Unterwasser-Steuermodul hinzuzufügen.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Bezug auf die Steuerung von Abwärtsventilen (downhole valves). In diesem Ausführungsbeispiel kann eine Kapsel an dem Baum jedoch außerhalb des Unterwasser-Steuermoduls angeordnet sein, wodurch das Erfordernis vermieden wird, ein minimales Standard- Unterwasser-Steuermodul zu modifizieren oder zu erweitern. Ein Unterwasser-Steuermodul 2 ist an dem Baum 1 untergebracht, und entweder elektrisch oder optisch über ein Kabel 9 mit der Kapsel 8 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kapsel 8 ebenfalls an dem Baum 1 angeordnet. Die Kapsel speist Abwärtsventile 6 über entsprechende Hydraulik-Steuerleitungen 7. Elektrische oder optische Signale von dem Unterwasser-Steuermodul 2 betreiben Wegeventile in der Kapsel 8, welche im Anschluss daran die hydraulische Leistung von dem Unterwasser-Steuermodul, in 4 als „HD (Hochdruck)-Zufuhr" bezeichnet, zu jedem Ventil 6 über die Hydraulik-Steuerleitungen 7 steuert. Somit wird das Erfordernis umgangen, zusätzliche Wegeventile dem Unterwasser-Steuermodul hinzuzufügen.
Als eine alternative Form dieses Ausführungsbeispiels kann die Kapsel abwärts bzw. unterirdisch angeordnet sein und die Hydraulik-Zuführungen, die mehrere Kilometer lang sein können, werden durch ein viel preiswerteres, elektrisches oder faseroptisches Kabel ähnlich der Anordnung ersetzt, die in dem ersten Ausführungsbeispiel der 3 verwendet wird.
In all diesen Ausführungsbeispielen enthält die Kapsel als ein Minimum elektrisch betriebene Wegeventile, um einen Hydraulik-Betrieb der hydraulischen Vorrichtungen an der Stelle vorzusehen, die von einer lokalen Hydraulikquelle versorgt wird. Wenn mehr als eine Vorrichtung zu betreiben ist, kann es kosteneffizient sein, die einzelnen Drähte, die eine elektrische Steuerung von jedem Wegeventil liefern, mit einer seriellen Datenleitung zu ersetzen, die auf ihren eigenen separaten Drahtpaaren überträgt, oder mit in der Kapsel enthaltenen decodierenden Elektroniken zu ersetzen, die die elektrische Leistung überlagern. Alternativ kann die digitale Nachricht an die Kapsel über eine optische Faser mit einem einzigen Drahtpaar übertragen werden, um elektrische Leistung bereitzustellen.
Es ist offensichtlich, dass die beschriebenen Systeme die folgenden Vorteile gegenüber Systemen aus dem Stand der Technik aufweisen:

1) Vermeiden sowohl des Erfordernisses für lange, teure Stahlhydraulikrohre, wenn diese zwischen einem Baum und einem entfernten Verteiler/einer entfernten Struktur verwendet werden, als auch der Kosten der Installation, die teuer ist, da spezielle ferngesteuerte Fahrzeuge (ROV remotely operated vehicle) und Einrichtungen zu deren Installation erforderlich sind.
2) Vermeidung des Erfordernisses, ein „gemeinsames" Unterwasser-Steuermodul zu modifizieren, wenn dieses zum Steuern hydraulischer, von dem Baum entfernter Vorrichtungen verwendet werden. Normalerweise wird die Kapsel nur an den Bäumen befestigt, die diese benötigen. Obwohl die Konsequenz davon ist, dass alle Bäume eine Befestigungsplatte für die Kapsel benötigen, um sie daran anzubringen, ist dies relativ preiswert.
3) Austausch der entfernten Steuerung einer hydraulischen Vorrichtung, d. h. einer Kapsel (beispielsweise durch ein RVO), ohne den Betrieb des Unterwasser-Steuermoduls zu unterbrechen.
4) Die Systeme liefern die Möglichkeit, wenn sie an intelligenten Quellen angewendet werden, lediglich eine Kapsel zu haben und diese zu betätigen, wenn sie benötigt wird, und anschließend die Kapsel zurückzuerhalten, da ein intelligenter Quellenbetrieb oftmals nur für wenige Zeiten innerhalb der Systemlebensdauer von etwa 25 Jahren benötigt wird.
5) Zur Steuerung von hydraulischen Abwärtsvorrichtungen bietet die Kapsel die Möglichkeit, einen kleinen zusätzlichen Hydraulikspeicher innerhalb der Kapsel anzubringen, obwohl es günstig sein kann, diesen an eine zusätzliche Stabplatte zu setzen. Eine derartige Anwendung kann eine Isolierung des Unterwasser-Steuermodul-Hydraulikfluids von dem Abwärtshydraulik-Steuersystem bereitstellen, was in Bezug auf Vermeidung einer Fluidkontamination der Unterwasser-Steuermodul-Hydrauliken von den Awärtshydrauliken für Quellenbetreiber attraktiv ist.

Claims

Hydraulik-Steuersystem zum Steuern einer externen Vorrichtung in einer Quellenbetriebseinrichtung, das ein Steuermodul zum Erzeugen elektrischer und/oder optischer Steuersignale, eine Steuerkapsel zum Empfangen der Steuersignale, die Steuereinrichtungen zum Steuern der externen Vorrichtung aufweist, und eine Hydraulik-Leitung zum Verbinden der Steuereinrichtungen mit der externen Vorrichtung zur Steuerung derselben aufweist.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale von dem Modul zu der Kapsel über einen elektrisch leitfähigen Anschluss übertragen werden.
Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale von dem Modul zu der Kapsel über eine serielle Datenleitung übertragen werden.
Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale von dem Modul zu der Kapsel über eine optische Faser übertragen werden.
Steuersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Steuereinrichtungen vorgesehen sind, die mit entsprechenden externen Vorrichtungen durch entsprechende Hydraulik-Leitungen verbunden sind.
Steuersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Steuereinrichtung ein Ventil ist.
Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Steuereinrichtung ein Wegeventil ist.
Steuersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapsel ausgebildet ist, Hydraulikfluid von einer Zufuhr zu erhalten.
Quellenbetriebseinrichtung zur Unterwasseranordnung, die einen Quellenbaum, eine Quelle, eine externe Vorrichtung und die Hydraulik-Steuereinrichtungen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche aufweist, wobei das Steuermodul an dem Baum angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerkapsel entfernt von dem Baum angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur ein Verteiler ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Vorrichtung an der Struktur angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel Niederdruck-Hydraulikfluid von einer Zufuhr erhält, die an der Struktur angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapsel an dem Baum angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapsel Hydraulikfluid von einer Hochdruckzufuhr über das Steuermodul erhält.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkapsel an oder innerhalb der Quelle angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Vorrichtung innerhalb der Quelle angeordnet ist.
Betriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Vorrichtung ein Ventil ist.