EA024606B1 - Система защиты и испытания магистрального трубопровода группы устьев скважин с регулятором скорости эпн и аварийным запорным клапаном - Google Patents

Abstract

Системы и процессы настоящего изобретения включают регуляторы скорости ЭПН, которые функционируют совместно с предохранительным логическим решающим устройством, датчиками давления и аварийным запорным клапаном для выполнения функционального испытания всей системы защиты трубопровода устья скважины без прерывания добычи.

Description

Это изобретение относится к системе защиты и испытаний трубопровода устья скважины.

Описание родственной техники

Высокоинтегрированная система защиты устья скважины (ВИСЗ) осуществляет защиту трубопроводов, подсоединенных к устью, от избыточного давления и должна закрывать запорный клапан, устанавливаемый после устья скважины. Источником давления может быть давление нефтеносной геологической формации. Это давление известно как статическое давление при закрытом устье, и оно обосновывается геологической моделью, оно постоянное и не может контролироваться, т.е. не может быть выключено в традиционном смысле этого слова. Многочисленные автоматизированные стопорные клапаны требуются в последовательном потоке от источника давления в устье скважины, и если один клапан протекает или не закрывается, действует другой клапан.

Хотя поверхностные предохранительные клапаны (ППК), обычно используемые в таких случаях, чрезвычайно надежные, наихудший сценарий учитывается в конструкции системы обеспечения безопасности. Такая конструкция известна в области контрольно-измерительного оборудования системы безопасности как конструкция, обеспечивающая отказоустойчивость оборудования. В способе испытания плотности закрытия ППК, клапаны не только закрываются, но фактически обеспечивают отсечку от постоянного давления в устье скважины, т.е. обнаруживаемая утечка отсутствует. Два последовательных клапана требуются для проведения испытания плотности закрытия, и система включает выпускной клапан между двумя последовательными запорными клапанами и промежуточную систему датчиков давления. В определенных компоновках аппаратуры и системы все функциональные компоненты связаны с и управляются логическим решающим устройством системы защиты (§Ь§). Сигналы команд и данных могут передаваться по проводам или беспроводным способом. Электрические погружные насосные системы и соответствующие технологии были использованы для усовершенствования добычи нефти/газа, когда добыча из продуктивного пласта была снижена вследствие преобладающих условий пласта. Скважинные электрические погружные насосы (ЭПН) используются для подъема нефти и газа на поверхность, где они поступают в трубопроводную систему устья скважины для транспортировки и распределения. Давление в трубопроводе, скорость потока и многочисленные другие переменные контролируются в устье скважины для обеспечения, наряду с другими вещами, безопасной работы трубопровода и системы распределения после устья скважины. В непосредственной близости от устья скважины традиционные системы механической защиты могут включать использование толстостенной трубы, имеющей соответственно высокую характеристику по давлению для выдерживания высокого давления, создаваемого ЭПН. В интересах экономии трубопровод после устья скважины изготавливается из труб, имеющих определенный более низкий диапазон рабочего давления. Относительно более тонкостенные трубы используются в трубопроводной системе.

Одна проблема, созданная контроллером нового способа добычи с использованием скважинных ЭПН, состояла в том, что хотя способ обеспечивал требуемое повышение давления для поддержания потока нефти при закрытии промежуточного запорного клапана в длинной сети трубопровода и магистрального трубопровода между морской эксплуатационной платформой и береговой газонефтесепарационной установкой (ГНСУ), давление повышалось в сети трубопроводов до давления нагнетания насоса при полностью заблокированном выходе, которое в некоторых случаях намного выше нормального давления в трубопроводе. Трубопроводная сеть, рассчитанная на нормальную работу, может не иметь достаточно высокую характеристику по давлению для выдерживания давления ЭПН при полной блокировке. Поэтому высокоинтегрированная система защиты требуется для ограничения давления в трубопроводе после устья скважины до безопасных уровней. Работа скважинных насосов против заблокированного выхода не является нормальной практикой, но рассматривается как наихудший сценарий при конструировании соответствующих систем обеспечения безопасности. Скважинные ЭПН имеют электрический привод и управление насосом как потенциальным источником опасного давления является электрическим.

Для обеспечения того, чтобы максимальное давление в трубопроводе оставалось в пределах, обеспечивающих безопасную работу, так называемая высокоинтегрированная система защиты, или ВИСЗ, была разработана для различных применений. Традиционная практика конструирования систем обеспечения безопасности известного уровня техники определила для трубопроводов, транспортирующих добытую нефть/добытый газ от устьев скважин, достаточную толщину стенки для выдерживания давление при полностью заблокированном выходе при теоретически возможных наихудших условиях. Однако этот подход показал свою непрактичность при использовании электрических погружных насосов, которые могут создавать очень высокое давление при закрытом устье, превышающее 3000 фунтов на кв.дюйм (20,7 МПа). Один принятый способ заключается в непрерывном контроле давления в трубопроводе после устья скважины и выключении питания ЭПН до достижения опасного уровня давления в трубопроводе.

В известном уровне техники также используются скважинные предохранительные клапаны (СПК) для закрытия устья скважины, и испытания этих типов клапанов были раскрыты с целью обеспечения, что система закрытия устья скважины будет работать надлежащим образом, как, например, в патенте

- 1 024606

США 4771633. Другие системы были раскрыты, чтобы позволить электрическому погружному насосу продолжать работу в режиме рециркуляции в случае аварии, которая требует закрытия скважины. Такие системы раскрываются в патентах США КЕ 32343 и 4354554. Также известны системы для использования при проведении испытания предохранительных запорных клапанов при аварийном закрытии. Например, патент США 7079021 раскрывает контроллер устройства аварийного закрытия и датчики для предоставления данных контроллеру, контроллер, имеющий процессор, память, соединенную с процессором, и вспомогательный вход, где испытания при аварийном закрытии сохраняются в памяти, и вспомогательный вход используется для приема двоичного сигнала и данных датчиков. Стандартные операции хранятся в памяти и выполняются процессором, чтобы испытания при аварийном закрытии могли выполняться при получении двоичного сигнала на вспомогательном входе, и чтобы инициировать запись данных датчиков в память во время испытания при аварийном закрытии.

Описанные выше проблемы и предлагаемые решения относятся к трубопроводным системам отдельных устьев скважин. Основная заявка на патент США, серийный номер 11/977204, которая включена в заявку на настоящее изобретение путем ссылки, представляет систему защиты трубопровода устья скважины и способ, который использует регулятор скорости скважинного ЭПН и СПК для обеспечения, чтобы опасные уровни давления не достигались, и используется для проверки функциональной безопасности устьевой системы. Однако специфическая проблема возникает в контексте группы устьев, подсоединенных к общему магистральному трубопроводу. Критерии снижения максимального риска в сочетании с требуемым функциональным испытанием и техническим обслуживанием каждой ВИСЗ создают как практические, так и конструктивные ограничения, которые не позволяют превышать предварительно определенное количество ВИСЗ вдоль одной магистрали.

Было бы желательно обеспечить операции с нефтью/газом, которые используют электрические погружные насосы с системой защиты трубопровода скважины, которая способна обеспечить полностью автоматизированное испытание и самодиагностику для большого количества скважин без необходимости закрытия большого количества скважин с целью проведения испытания. Оперативные испытания могут выполняться с регулярным интервалом, например ежеквартально, в сочетании с полной проверкой с закрытием скважины во время периодов, когда добыча прерывается для регламентного, планового технического обслуживания, испытаний и/или инспекции. Поэтому объектом настоящего изобретения является предоставление системы управления устьем скважины и способа непрерывного контроля и автоматического испытания для выявления потенциальных неисправностей в трубопроводе, связанным с группой скважин, в каждой из которых давление создается электрическим погружным насосом при непрерывной работе ЭПН.

Дополнительным объектом настоящего изобретения является предоставление надежной автоматизированной системы испытаний и закрытия для замены систем защиты трубопроводов с контрольноизмерительными приборами известного уровня техники, которые требуют прерывания добычи, значительной рабочей силы, и которые основываются на сложных требованиях ручных испытаний.

Другим объектом настоящего изобретения является предоставление процедуры испытаний на безопасность для группы скважин, каждая из которых имеет ЭПН, которая может быть выполнена без прерывания добычи посредством выключения ЭПН. Еще одним объектом настоящего изобретения является устранение зависимости от вмешательства человека в испытания системы путем предоставления способа и системы автоматических функциональных испытаний и диагностики.

Сущность изобретения

В соответствии с одним или более вариантами воплощения изобретение относится к автоматизированной системе для испытания на безопасность системы защиты с контрольно-измерительным оборудованием магистрального трубопровода, подсоединенного к множеству устьевых трубопроводов, используемых для распределения потока газа и/или нефти. По меньшей мере в одном устьевом трубопроводе из множества устьевых трубопроводов создается давление скважинным электрическим погружным насосом (ЭПН). Множество устьевых трубопроводов подсоединено к общему коллектору. Аварийный запорный клапан (ЗК) расположен в магистральном трубопроводе после общего коллектора. Предварительно программируемое предохранительное логическое решающее устройство (ПЛРУ) предоставляется для выполнения протокола испытания на безопасность и записи результатов в электронном виде, и для формирования сигналов аварийного закрытия. Множество датчиков давления включены для измерения внутреннего давления в общем коллекторе. Дополнительно, привод клапана предоставляется для закрытия ЗК в ответ на сигнал инициирования испытания или на сигнал аварийного закрытия, переданный ПЛРУ, и для открытия каждого ЗК в ответ на сигнал, переданный ПЛРУ. Каждый ЭПН включает оперативно подключаемый к нему контроллер привода с регулируемой скоростью, который также подсоединяется к ПЛРУ и служит для изменения скорости ЭПН на основании команд плавного снижения/повышения скорости с ПЛРУ, что приводит к изменению давления текучей среды в трубопроводе, и для обеспечения обратной связи с ПЛРУ по скорости ЭПН во время нормальной работы и во время испытания системы. Переключатель аварийного выключения ЭПН предоставляется для прерывания питания каждого ЭПН в ответ на сигнал аварийного выключения с ПЛРУ.

- 2 024606

Способ испытания на безопасность и неисправность системы защиты с контрольно-измерительным оборудованием магистрального трубопровода, подсоединенного к множеству устьевых трубопроводов, используемых для транспортировки газа и/или нефти, в каждом из которых создается давление скважинным электрическим погружным насосом (ЭПН), при этом магистральный трубопровод оборудован аварийным запорным клапаном (ЗК), включает:

а) предоставление множества электронных датчиков давления в потоке магистрального трубопровода перед ЗК;

б) предоставление регулятора скорости (РС) для каждого ЭПН для регулирования скорости ЭПН;

в) предоставление программируемого предохранительного логического решающего устройства (ПЛРУ), управляющего ЗК и каждым регулятором скорости для каждого ЭПН, и принимающего и записывающего данные, передаваемые множеством датчиков давления;

г) инициирование испытания на безопасность и неисправность предохранительным логическим решающим устройством посредством передачи сигнала на ЗК для инициирования его перемещения в частично закрытое положение на основании измерений дифференциального давления на входе и выходе клапана;

д) контроль данных давления, полученных с датчиков давления;

е) передачу сигнала с ПЛРУ на каждый РС для снижения скорости каждого ЭПН в ответ на предварительно определенное повышение внутреннего давления в трубопроводе;

ж) подачу сигнала обратной связи по скорости ДС ЭПН на ПЛРУ, если предварительно определенное приращение снижения скорости инициируется для идентификации любого индивидуального РС ЭПН, который не отвечает ПЛРУ во время испытания системы;

з) передачу сигнала с ПЛРУ для перемещения ЗК в его полностью открытое положение;

и) передачу сигнала с ПЛРУ на каждый РС для повышения скорости ЭПН в ответ на данные давления в трубопроводе.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет описано с дополнительными деталями ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых одинаковые или подобные элементы имеют одинаковые номера.

Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства устьевого трубопровода, в котором создается давление электрическим погружным насосом, устройство, включающее вариант воплощения высокоинтегрированной системы защиты.

Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию множества устьев скважин, подсоединенных к общему магистральному трубопроводу, где определенные устья скважин включают высокоинтегрированную систему защиты устья скважины на фиг. 1.

Фиг. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию другого воплощения высокоинтегрированной системы защиты устья скважины, пригодной для использования с множеством трубопроводов устья скважины, в каждом из которых создается давление электрическим погружным насосом.

Фиг. 4 представляет собой схематическую иллюстрацию множества устьев скважин, подсоединенных к общему магистральному трубопроводу, где определенные устья скважин включают высокоинтегрированную систему защиты устья скважины на фиг. 3.

Подробное описание изобретения

Системы и процессы настоящего изобретения включают регуляторы скорости привода ЭПН, которые функционируют вместе с предохранительным логическим решающим устройством (ПЛРУ), датчики давления, и аварийный запорный клапан (ЗК) для выполнения функционального испытания всей системы защиты трубопровода устья скважины без прерывания добычи.

В контексте высокоинтегрированной системы защиты, связанной с одной скважиной, термин конечные элементы включают ЭПН, регулятор скорости привода (РС), и предохранительный запорный клапан (ПЗК). Эти конечные элементы и само устье скважины вместе именуются в этой заявке как подсистема устья скважины в контексте высокоинтегрированной системы защиты, связанной с одной скважиной. В контексте высокоинтегрированной системы защиты, связанной с множеством скважин, термин конечные элементы относится к ЭПН, РС и ЗК. ЭПН, регулятор(ы) скорости привода и само устье скважины, включая традиционные ПЗК и погружные предохранительные запорные клапаны (ППЗК) вместе именуются в этой заявке как подсистема устья скважины в контексте высокоинтегрированной системы защиты, связанной с множеством скважин.

В определенных вариантах воплощения системы и процесса настоящего изобретения одна высокоинтегрированная система защиты используется для одной подсистемы устья скважины. В дополнительных вариантах воплощения системы и процесса настоящего изобретения одна высокоинтегрированная система защиты используется для множества подсистем устья скважины.

Основные шаги выполнения испытания на безопасность в высокоинтегрированной системе защиты, связанной с одной скважиной, имеющей ЭПН, включают: (1) закрытие ПЗК; (2) снижение скорости ЭПН, используя РС; (3) открытие ПЗК; (4) повышение скорости ЭПН до нормального рабочего значения. Во время испытания конечных элементов, технологические датчики передают данные давления в трубопроводе на предохранительное логическое решающее устройство. Основные шаги выполнения испытания на

- 3 024606 безопасность в высокоинтегрированной системе защиты, связанной с множеством скважин, каждая из которых имеет ЭПН и управляется ПЛРУ, включают: (1) перемещение ЗК в производственном коллекторе от положения полного открытия в направлении положения частичного закрытия; (2) контроль дифференциального давления на ЗК, пока данные давления с датчиков до производственного коллектора и по меньшей мере с одного датчика давления после производственного коллектора не достигнут предварительно определенного значения; (3) прекращение перемещения ЗК, когда ЗК находится в положении частичного закрытия, т.е. не полностью закрыт; (4) прерывание испытания, если дифференциальное давление на ЗК не было обнаружено при достижении максимального предела перемещения ЗК по умолчанию;

(5) контроль датчиков давления до производственного коллектора на повышение давления в производственном коллекторе (т.е. нормированное высокое давление в магистральном трубопроводе до ЗК) при работе всех ЭПН с нормальной скоростью и ЗК в положении частичного закрытия; (6) измерение и запись нормальной рабочей скорости всех ЭПН; (7) понижение/сбавление скорости ЭПН для каждой скважины, используя соответствующий РС, с предварительно определенным приращением понижения; (8) измерение и запись скорости ЭПН для каждой скважины; (9) определение, меньше ли испытательная скорость ЭПН нормальной скорости ЭПН, и, если какой-либо из ЭПН не отвечает на команду понижения начальной скорости с ПЛРУ (шаг (7)), прерывание испытания и индицирование на панели управления ПЛРУ того (тех) ЭПН, который(ые) не ответил(и); (10) снижение скорости ЭПН каждой скважины с дополнительным предварительно определенным приращением снижения до тех пор, пока датчики давления до производственного коллектора не измерят снижение давления в производственном коллекторе; (11) проверка количества снижений скорости ЭПН по сравнению с предварительно установленным минимальным пределом испытательной скорости ЭПН и прерывание испытания и индицирование неисправности на панели управления, если скорость ЭПН снижается до значения минимального предела испытательной скорости ЭПН, и снижение давление не было обнаружено датчиками давления до производственного коллектора; (12) перемещение ЗК из испытательного положения частичного закрытия в положение полного открытия, и поддержание испытательного значения скорости ЭПН и индицирование неисправности ЗК на панели управления, если ЗК не начинает перемещаться с испытательного положения частичного закрытия в течение предварительно определенного периода времени; (13) возврат нормальной рабочей скорости всех ЭПН при условии, что ЗК начинает перемещаться в положение полного открытия; (14) проверка возврата нормальной рабочей скорости всех ЭПН, как записано в ПЛРУ в шаге (6) , и индицирование сигнала тревоги, если какой-либо ЭПН не вернулся к нормальной рабочей скорости; и (15) проверка, что ЗК вернулся в положение полного открытия, и индицирование неисправности ЗК, если ЗК не переместился в течение предварительно определенного периода времени или ЗК не смог достичь положения полного открытия. Во время испытания конечных элементов, датчики давления до ЗК передают данные в ПЛРУ, показывающие давление в магистральном трубопроводе. Датчики давления обновляют данные технологического давления, передаваемые в ПЛРУ, в основном непрерывно во время испытательных и нормальных операций, например обновления выполняются при каждом сканировании ПЛРУ, обычно каждые 100 мс.

В системе, описываемой в настоящей заявке, датчики давления и ПЛРУ доступны для приобретения как сертифицированные устройства у множества поставщиков, например сертифицированные ТИУ Кйе1и1аиб Огоир (Кельн, Германия) и/или ТиУ δύϋ Огоир (Мюнхен, Германия). РС ЭПН и ЗК, включая клапан, исполнительный механизм и регулятор, в настоящее время недоступны в качестве сертифицированных устройств третьей стороны. Поэтому функциональное испытание имеет критическую важность при обеспечении эксплуатационной безопасности подсистемы устья скважины, производственного коллектора, производственного магистрального трубопровода и после магистрального трубопровода (т.е. трубопровода с номинальным давлением ниже максимального давления закрытия).

Система и процесс настоящего изобретения предоставляют оперативную систему функционального испытания, которое может быть проведено без прерывания добычи. Прерывание добычи для функциональных испытаний системы обычно не приемлемые, когда множество ЭПН скважин работают на общий производственный коллектор и одна ВИСЗ используется для защиты трубопровода после коллектора. Система и процесс настоящего изобретения позволяют часто выполнять оперативные испытания, например ежемесячно, каждые два месяца или ежеквартально, посредством частичного закрытия ЗК, снижения скорости ЭПН и проверки измерений датчиков давления между полными функциональными испытаниями, проводимыми во время планового испытания, и техническим обслуживанием, когда добыча прекращается. Полные функциональные испытания (выполняемые с прекращением добычи) включают полное закрытие ЗК, полную остановку ЭПН, и отключение традиционной системы закрытия устья скважины с соответствующим закрытием ПЗК и ППЗК каждой скважины. Поэтому оперативные и полные функциональные испытания комбинируются для обеспечения проверки эксплуатационных параметров системы, требуемых для достижения требуемого снижения риска.

В дополнительных вариантах воплощения системы и способа настоящего изобретения используется протокол обеспечения безопасности, известный как ΡΡ-8ΙΡ. Стандарты ΡΡ-8ΙΡ предназначены для самодиагностики отдельного устройства и передачи данных с устройств, контролирующих процесс и управляющих процессом. Так как принятие и применение этого нового стандарта связи для обеспечения

- 4 024606 безопасности к настоящему изобретению находятся в рамках обычных знаний специалистов в этой области, подробности его использования находятся вне объема настоящего изобретения. Система и способ настоящего изобретения рассматривают высокоинтегрированную систему защиты с самоконтролем для защиты трубопроводов устья скважины с ЭПН, используя датчики избыточного давления, предохранительное логическое решающее устройство, и различные конечные элементы. Конечные элементы включают ЗК и регулятор скорости ЭПН, связанные с каждой добывающей шахтой. Эти конечные элементы используют различные технологии для защиты трубопроводов с более низким номинальным давлением от избыточного давления. В вариантах воплощения, в которых одна высокоинтегрированная система защиты используется для защиты производственного магистрального трубопровода от потенциального избыточного давления вследствие воздействия множества скважинных ЭПН, используется ПЛРУ в комбинации с множеством датчиков избыточного давления (например, трех), расположенных после производственного коллектора и до ЗК. Датчики давления устанавливаются между производственным коллектором с полным нормированным давлением и магистральным трубопроводом. Использование систем и способов настоящего изобретения предоставляет систему обеспечения безопасности, которая отвечает требованиям как безопасности, так и работоспособности, при этом устройства, не являющиеся предметом стандартных процедур сертификации, такой как сертификации Τϋν Ρΐιαίηίαηά Сгоир и/или Τϋν δύϋ Сгоир, испытываются под управлением ПЛРУ без прерывания добычи (оперативные испытания) в дополнение к полным функциональным испытаниям, которые проводятся во время плановых испытаний и технического обслуживания, кода добыча прерывается. В определенных вариантах воплощения три датчика давления устанавливаются до ЗК для контроля трубопровода на высокое и низкое давление, и их данные используются ПЛРУ в соответствии с протоколом два из трех. При использовании этой системы неисправность одного из датчиков давления или невозможность обнаружения внутреннего отказа приведет к тому, что сигнал от этого датчика не будет приниматься во внимание, и процесс останется активным, и два остающиеся датчика будут продолжать защищать систему. ПЛРУ также программируется для распознавания дефекта или неисправности одного датчика и предупреждения персонала по техническому обслуживанию через пригодный индикатор, например звуковой или визуальный сигнал тревоги, текстовое сообщение рабочему персоналу, или другие известные процедуры обеспечения безопасности. В течение этого периода времени, когда известно, что датчик в режиме неисправности, система работает в соответствии с протоколом один из двух.

Обращаясь к фиг. 1, система 10 включает обсадную колонну скважины 12, из которой выходит эксплуатационная насосно-компрессорная колонна 14, которая изготавливается из труб с высоким номинальным давлением, и которая заканчивается поверхностным запорным клапаном 20. После ПЗК 20 устанавливается традиционный трубопровод 16, рассчитанный на более низкое давление по сравнению с максимальным давлением закрытия устья скважины, и предназначенный для транспортировки и распределения продукта.

Скважинный конец эксплуатационной насосно-компрессорной колонны 14 присоединен к электрическому погружному насосу 30, который доставляет под давлением поток с газового и/или нефтяного пласта для транспортировки и распределения посредством сети трубопроводов. В соответствии с изобретением регулятор скорости 40 подсоединяется к скважинному насосу 30 и также к предохранительному логическому решающему устройству (ПЛРУ) 60. В общем, как описывается дополнительно ниже, ПЛРУ 60 будет работать с использованием предварительно программируемого набора диагностических испытаний конечных элементов, контролируя множество датчиков давления в трубопроводе. Система и способ изобретения предоставляют полную функциональную проверку обеспечения безопасности конечных элементов и множества датчиков. В дополнение, само ПЛРУ 60 может быть также испытано во время функциональных испытаний, при этом проверяется способность ПЛРУ принимать информацию от датчиков и передавать команды конечным элементам.

В одном варианте воплощения способ выполнения испытаний на безопасность и предоставления защиты аварийной изоляции системы, используя систему 10, включает этап использования множества датчиков давления 50 для контроля давления в трубопроводе во время нормальной работы и во время выполнения испытаний на полный ход предохранительного запорного клапана 20, и регулирование скорости скважинного ЭПН 30 во время испытаний для поддержания давления в трубопроводе в предварительно определенных пределах рабочего давления. Система и способ защиты трубопровода устья скважины в общем используют РС 40 скважинного ЭПН и ПЗК 20 для обеспечения, что опасные уровни давления не будут достигаться в трубопроводе 16, и предоставляют возможность полных функциональных испытаний подсистемы устья скважины. РС 40 ЭПН используется для разрешения функциональных испытаний и удаления источника давления с защищаемого трубопровода. Множество датчиков давления 50 устанавливаются на трубопроводе 14 с высоким номинальным давлением, и передают данные предохранительному логическому решающему устройству 60. В иллюстрируемом варианте воплощения установлены три датчика давления 52, 54, 56 (также идентифицируемые как РТ1, РТ2 и РТ3); в дополнение, четвертый датчик давления 70 (РТ4) устанавливается после предохранительного запорного клапана на трубопроводе 16 с низким номинальным давлением, и передает данные на ПЛРУ 60. Отметим, что хотя на трубопроводе 14 с высоким номинальным давлением показано множество датчиков давления как

- 5 024606 предпочтительный вариант воплощения, предполагается, что в определенных вариантах воплощения может использоваться один датчик давления. Для обеспечения повышенной безопасности, один или более датчиков могут предоставляться в качестве резервных. Исполнительный механизм 22 клапана устанавливается на клапане 20 и управляется ПЛРУ 60. В этом варианте осуществления, исполнительный механизм клапана также оборудован концевым выключателем 24, соединенным с ПЛРУ 60, для индикации положений полного открытия и полного закрытия ПЗК. Предварительно программируемый ПЛРУ 60 включает локальный переключатель отключения 62, который традиционно представляет собой нажимную кнопку, для инициирования выключения при существовании аварийных условий. При нажатии на кнопку 62 исполнительный механизм 22 закрывает ПЗК 20 и прерывает подачу питания на ЭПН 30 для быстрого снижения давления в трубопроводе 14. Локальная нажимная кнопка 64, используемая при функциональных испытаниях, предназначена для инициирования испытаний системы на безопасность в условиях эксплуатации. Функциональные испытания системы также могут быть инициированы автоматически с использованием программируемого ПЛРУ 60 или дистанционно с центральной аппаратной.

Также иллюстрируется локальный индикатор неисправности 66, который в определенных вариантах воплощения включает световой и звуковой сигналы тревоги. Сигнал тревоги также может быть передан по проводам или беспроводному каналу в удаленную аппаратную для определения, требуется ли какое-либо дополнительное действие для продолжения безопасной работы системы.

Во время нормальной работы, датчики давления 52, 54 и 56 контролируют давление в трубопроводе для обнаружения каких-либо необычных изменений, которые могут потребовать реакции для обеспечения безопасности; датчик давления 70, который расположен после ПЗК, не является предохранительным датчиком и используется для контроля давления в трубопроводе во время испытаний ПЗК. Должно быть понятно, что ПЛРУ 60 включает протокол предварительно программируемых функциональных испытаний без необходимости вовлечения персонала в пошаговое выполнение испытаний. Программируемые испытания на безопасность включают временные интервалы предварительно определенной длительности и мгновенное инициирование одного из предварительно определенных альтернативных действий в случае, когда заданные условия не выполняются в пределах временного интервала. Как должно быть понятно специалисту в этой области, проведение таких испытаний персоналом, использующим способы визуального наблюдения с пошаговыми управляемыми персоналом процедурами, секундомерами, нельзя сравнивать со своевременностью и точностью программируемого протокола. Функциональные испытания могут инициироваться дистанционно из аппаратной; автоматически предварительно определенным периодическим инициированием испытаний, например ежемесячно в заданное время в заданный день в соответствии с программой, инсталлированной в предохранительном логическом решающем устройстве; или персоналом на площадке, использующим кнопку 64. ПЛРУ 60 включает в виде протокола предварительно программируемый набор диагностических испытаний конечных элементов, которые проводятся во время контроля датчиков давления в трубопроводе. Система и способ изобретения предоставляют полную функциональную проверку безопасности всей системы, включая конечные элементы, логическое решающее устройство, и множество датчиков. При инициировании функциональных испытаний площадки устья скважины, например вручную с использованием нажимной кнопки или другого переключателя, или электронным способом с удаленного пункта, исполнительный механизм 22 принимает сигнал для инициирования клапана 20. ПЛРУ 60 инициирует полный ход ПЗК 20 от положения полного открытия до положения полного закрытия. Сигнал передается индикатором 24 при перемещении клапана от положения полного открытия. Во время перемещения ПЗК 20 от положения полного открытия в положение полного закрытия, данные отклика клапана (положение в зависимости от времени) собираются и сохраняются в ПЛРУ 60. Эти данные, известные как характеристика клапана, могут быть использованы для выявления изменений в работе клапана, которые могут указывать на ухудшение эксплуатационных параметров и возможность неисправности. Если клапан не перемещается или наблюдается чрезмерная задержка, ПЛРУ 60 инициирует сигнал тревоги с локальной сигнализацией, например используя локальный индикатор неисправности 66, для индикации того, что система не прошла функциональные испытания. Когда ПЗК 20 достигает положения закрытия, что подтверждается, например, встроенным концевым выключателем 22 исполнительного механизма, датчики давления 50 будут показывать повышение давления, так как ЭПН 30 теперь работает при закрытом клапане 22. В дополнение, давление контролируется с использованием датчика давления 70 до закрытого клапана 20 для обнаружения дифференциального давления (например, между датчиками давления 52, 54, 56 и датчиком давления 70) для подтверждения надлежащей притирки клапана и надлежащего положения штока клапана. После достижения предела клапан закрыт, ПЛРУ 60 инициирует предварительно определенный период испытаний, во время которого контролируется повышение давления. Сигналы с датчиков давления 52, 54, 56 контролируются для обнаружения повышения давления. При обнаружении предварительно определенного значения давления или повышения, ПЛРУ 60 посылает команду на регулятор скорости 40 ЭПН для снижения скорости ЭПН 30.

Если повышение давление не обнаруживается, испытание прерывается и инициируется сигнал тревоги испытание не выполнено. В этом протоколе испытания, нет необходимости проверять плотное закрытие ПЗК. Однако, возможность полного закрытия и повышения давления в трубопроводе до ПЗК,

- 6 024606 что приводит к появлению дифференциального давления на клапане, является достаточным функциональным испытанием для обеспечения безопасности в настоящем изобретении. После полного закрытия ПЗК 20 и успешного обнаружения повышения давления в трубопроводе, ПЛРУ 60 посылает командный сигнал на регулятор скорости 40 ЭПН для снижения скорости ЭПН 30. Начиная с передачи с ПЛРУ 60 на регулятор скорости 40 ЭПН, предоставляется предварительно определенный период времени для обнаружения снижения давления в линии 14 на основании данных, полученных с датчиков давления 52, 54 и 56. Если снижение давления не обнаруживается в течение выделенного периода времени, ПЛРУ 60 откроет ПЗК 20 и инициирует сигнал тревоги испытание не выполнено. Если снижение давления обнаруживается, регулятор скорости 40 ЭПН рассматривается как прошедший функциональное испытание, включая проверку факта, что регулятор скорости 40 ЭПН надлежащим образом отвечает на команды с ПЛРУ 60. Таким образом, способ испытаний включает способность снижать скорость насоса, обнаруживать падение давления до закрытого клапана ПЗК 20, и возврат скорости насоса к нормальному значению.

После обнаружения падения давления, ПЛРУ 60 передаст сигнал для повторного открытия ПЗК 20. Предварительно определенный период времени предоставляется для инициирования перемещения с положения замкнутого состояния концевого выключателя. Если клапан не перемещается до истечения периода времени, ПЛРУ 60 полностью выключит ЭПН 30. Если клапан 20 не возвратился полностью в положение полного открытия, будет инициирован сигнал тревоги, но скорость ЭПН 30 будет возвращена к предварительно определенному значению нормальной рабочей скорости, и давление в трубопроводе будет продолжать контролироваться ПЛРУ 60. Когда ПЛРУ 60 принимает сигнал с концевого выключателя 22 исполнительного механизма, показывающего, что ПЗК 20 переместился из положения открытия в положение закрытия, сигнал передается на регулятор скорости 40 для повышения скорости ЭПН 30 для обеспечения требуемого нормального рабочего давления, что подтверждается датчиком давления 70.

Соответственно, используя протокол ПЛРУ 60, все компоненты, образующие систему аварийной защиты (818), включая датчики давления на стороне входа, предохранительное логическое решающее устройство, и различные выходы, например одинарный поверхностный предохранительный клапан и регулятор скорости ЭПН, испытываются.

В определенных вариантах воплощения систем и процессов настоящего изобретения эксплуатационные характеристики насоса 30, например коэффициент полезного действия, расход и подобные, нет необходимости измерять. Предпочтительнее измерять общий отклик насоса 30 на программируемые сигналы, передаваемые с ПЛРУ 60, которые являются определяющими для состояния системы обеспечения безопасности. Давление в трубопроводе измеряется посредством критических с точки зрения безопасности датчиков давления 50 перед ПЗК 20. Сигналы с датчиков давления 50 передаются на ПЛРУ 60 для определения, отвечает ли насос 30 в приемлемых пределах на командные сигналы с ПЛРУ 60.

В случае когда сигнал запроса безопасности генерируется во время испытания полного хода ПЗК или испытания изменения скорости насоса, сигнал аварийного отключения отменит протокол последовательности испытаний и полностью остановит насос 30 и переместит ПЗК 20 в положение полного закрытия.

Должно быть понятно, что индикатор отказа 60 сформирует сигнал тревоги и зарегистрирует отказ с меткой времени в памяти предохранительного логического решающего устройства в случае, если концевой выключатель 24 не может зарегистрировать состояние полного открытия или полного закрытия предохранительного запорного клапана 20. Отказы будут также зарегистрированы с формированием сигнала тревоги в случае, если повышение давление не обнаруживается датчиками 52, 54 и 56 при перемещении ПЗК 20 в положение закрытия, или понижение давления не обнаруживается после передачи сигнала понижения скорости насоса на регулятор скорости 40. Другие диагностики включают задержки перемещения клапана с положения открытия или закрытия, которые превышают предварительно определенный лимит времени.

Если сигнал аварийного выключения получен ПЛРУ 60, например в результате отключения исполнительного механизма 62, например нажимной кнопкой, персоналом на площадке, или передачей по проводам или беспроводным способом сигнала аварийного выключения, проведение испытания на безопасность и неисправности незамедлительно прерывается и ПЛРУ 60 посылает сигнал выключения ЭПН 30 и закрытия аварийного запорного клапана 20. В определенных вариантах воплощения регулятор скорости 40 включается в программу аварийного выключения таким образом, что скорость ЭПН 30 снижается перед прерыванием подачи электропитания. Это понижает вероятность какого-либо неблагоприятного воздействия на насос 30, которое может иметь место при простом выключении питания.

Обращаясь к фиг. 2, система 100 включает множество подсистем 102 и 102' устья скважины, которые обычно подсоединены к общему магистральному трубопроводу для транспортировки нефти/газа на газонефтесепарационную установку (ГНСУ) 104. Каждая из подсистем 102 устья скважины включает связанную с ней ВИСЗ 106, например включающую ПЛРУ, датчики давления и ПЗК, как показано на фиг. 1. Как описано относительно фиг. 1, трубопровод с высоким номинальным давлением используется между скважиной и ПЗК ВИСЗ 106, и традиционный трубопровод используется после ПЗК ВИСЗ 106, который рассчитан на более низкое давление и пригодный для транспортировки и распределения про- 7 024606 дукта. В определенных системах 100, предоставляются дополнительные подсистемы 102' устья скважины, которые не показывают соответствующую ВИСЗ 106, хотя другие системы защиты и/или обеспечения безопасности могут быть использованы для этих устьев скважин, в пределах обычных знаний специалиста в этой области.

Обращаясь теперь к фиг. 3, высокоинтегрированная система защиты 206 изображается для связи с множеством подсистем 202 устья скважины. Множество подсистем 202 устья скважины соединяются на общем коллекторе 208, который служит в качестве перехода между индивидуальными скважинами и комбинированным производственным коллектором, в котором расположены ВИСЗ 206 и ЗК 220 расположены. Подсистема 202 устья скважины включает, как показано в сочетании с фиг. 1, обсадную колонну скважины (не показана), из которой выходит эксплуатационная насосно-компрессорная колонна 214а, 214Ь, которая изготавливается из труб с высоким номинальным давлением, и которая заканчивается на аварийном предохранительном запорном клапане (ЗК) 220, где колонна 214а является эксплуатационной насосно-компрессорной колонной до общего коллектора 208, а колонна 214Ь является эксплуатационной насосно-компрессорной колонной после общего коллектора 208. ВИСЗ 206 в общем включает ЗК 220, ПЛРУ 260, множество датчиков давления 250 до ЗК 220, и датчик давления 270 после ЗК 220. Отметим, что хотя множество датчиков давления показаны до ЗК 220, т.е. на трубопроводе с высоким номинальным давлением, как предпочтительный вариант воплощения, предполагается, что в определенных вариантах воплощения может использоваться один датчик давления. Для обеспечения повышенной безопасности, один или более датчиков могут предоставляться в качестве резервных.

Как показано, общий коллектор 208 расположен до ВИСЗ 206. После ЗК 220 устанавливается традиционный трубопровод 216, рассчитанный на более низкое давление по сравнению с максимальным давлением при полной блокировке выхода ЭПН, и предназначенный для транспортировки и распределения продукта. В линию эксплуатационной насосно-компрессорной колонны 214а каждой индивидуальной скважины включается ПЗК 272, и дополнительно может быть предоставлен погружной предохранительный запорный клапан (ГШЗК) 280. Каждый ПЗК 272 и ППЗК 280 индивидуально связан с ПЛРУ 260 через интерфейс 290 закрытия устья скважины для снижения воздействия в случае разрыва последующего трубопровода. Датчик давления 292 также предоставляется для индикации давления в каждой индивидуальной производственной линии. Этот датчик обычно используется в системе закрытия устья скважины для инициирования закрытия ПЗК и ППЗК индивидуальной скважины, когда это требуется, без воздействия на добычу с других скважин, использующих общий шкаф системы закрытия устья скважины. Скважинный конец эксплуатационной насосно-компрессорной колонны 214а связан через текучую среду с ЭПН 230, который доставляет под давлением поток с газового и/или нефтяного пласта для транспортировки и распределения посредством сети трубопроводов. В соответствии с изобретением регулятор скорости (РС) 240 подсоединяется к скважинному ЭПН 230 и также к ПЛРУ 260.

В общем, и как описывается с дополнительными подробностями ниже, предварительно программируемый набор диагностических испытаний конечных элементов множества подсистем 202 устья скважины проводится под управлением ПЛРУ 260 во время контроля множества датчиков давления в трубопроводе. Система и способ изобретения предоставляют функциональную проверку обеспечения безопасности конечных элементов и множества датчиков. В дополнение, само ПЛРУ 260 может быть также испытано во время функциональных испытаний, при этом проверяется способность ПЛРУ принимать информацию от датчиков и передавать команды конечным элементам.

В одном варианте воплощения способ выполнения испытаний на безопасность и предоставления защиты аварийной изоляции системы, используя систему 206, включает этап использования множества датчиков давления для контроля общего давления в трубопроводе во время нормальной работы и во время выполнения испытаний на полный ход ЗК 220. Дополнительно, регулируется скорость скважинного ЭПН 230 во время испытаний для поддержания давления в трубопроводе в предварительно определенных пределах рабочего давления. Эта система и способ защиты трубопровода устья скважины в общем используют регулятор 240 скважинного ЭПН, связанного с каждой подсистемой 202 устья скважины и ЗК 220 для обеспечения, что опасные уровни давления не будут достигаться, и предоставляют возможность оперативных функциональных испытаний посредством ВИСЗ, установленной для защиты трубопровода от опасного избыточного давления. Регулятор скорости 240 электродвигателя ЭПН, связанный с каждой подсистемой 202 устья скважины используется для разрешения функциональных испытаний и удаления источника давления с защищаемого трубопровода.

Множество датчиков давления 250 устанавливаются на трубопроводе 214 с высоким номинальным давлением, и передают данные предохранительному логическому решающему устройству 260. В иллюстрируемом варианте воплощения установлены три датчика давления 252, 254, 256 (также идентифицируемые как РТ1, РТ2 и РТ3). В дополнение, четвертый датчик давления 270 (РТ4) устанавливается после предохранительного ЗК 220 на трубопроводе 216 с низким номинальным давлением и передает данные на ПЛРУ 260.

Исполнительный механизм 222 клапана устанавливается на клапане 220 и управляется ПЛРУ 260. В определенных вариантах осуществления, исполнительный механизм 222 клапана оборудован концевым выключателем 224 для индикации положений полного открытия и полного закрытия ЗК, который сооб- 8 024606 щается с ПЛРУ 260. В дополнительных вариантах воплощения исполнительный механизм 222 клапана оборудован интеллектуальным контроллером клапана и концевым выключателем 224 для индикации положений полного открытия и полного закрытия ЗК, управления ходом ЗК во время испытаний, и получения эксплуатационных характеристик клапана во время оперативных испытаний, при этом все характеристики передаются в ПЛРУ 260. Как описывается в этой заявке в некоторых вариантах воплощения, ЗК использует электронный интеллектуальный контроллер клапана для обеспечения усовершенствования получения характеристик хода клапана, требуемых для испытания частичного хода. Связь между ПЛРУ и технологическими датчиками давления, регуляторами скорости ЭПН и ЗК может осуществляться по проводам или беспроводным способом.

В дополнение, исполнительный механизм 274 клапана и концевой выключатель 276 также устанавливаются на клапане 272 и осуществляют управляемую связь с ПЛРУ 260, например через интерфейс 290 закрытия устья скважины. Подобно этому, исполнительный механизм 282 клапана и концевой выключатель 284 устанавливаются на дополнительном клапане 280 и осуществляют управляемую связь с ПЛРУ 260, например через интерфейс 290 закрытия устья скважины. Во время запроса безопасности, инициируемого ПЛРУ 260 на основании данных с датчиков давления 252, 254, 256, или через кнопку отключения на панели, ПЛРУ 260 закрывает ЗК 220, понижает скорость ЭПН 230 до полной остановки, и инициирует отключение системы закрытия устья скважины. В свою очередь, система закрытия устья скважины закрывает все ПЗК и ППЗК.

Предварительно программируемое ПЛРУ 260 включает локальный переключатель отключения 262, который может представлять собой нажимную кнопку, для инициирования предохранительного выключения при существовании аварийных условий. При нажатии на кнопку 262 исполнительный механизм 222 закрывает ЗК 220 и прерывает подачу питания на каждый ЭПН 230 для быстрого снижения давления в трубопроводе 214.

Локальная нажимная кнопка 264, используемая при функциональных испытаниях, предназначена для инициирования функциональных испытаний и испытаний на безопасность ВИСЗ в условиях эксплуатации. Функциональные испытания ВИСЗ также могут быть инициированы автоматически с использованием программируемого ПЛРУ 260, или дистанционно с центральной аппаратной. Отметим, что функциональные испытания традиционной системы закрытия устья скважины не включены в объем настоящего изобретения.

Также иллюстрируется локальный индикатор неисправности 266, который в определенных вариантах воплощения включает световой и звуковой сигналы тревоги. Сигнал тревоги также может быть передан по проводам или беспроводному каналу в удаленную аппаратную для определения, требуется ли какое-либо дополнительное действие для продолжения безопасной работы системы. Как описано в этой заявке, могут быть также предоставлены определенные специальные индикаторы неисправности, которые могут заменять или дополнять локальный индикатор неисправности 266. Сигналы тревоги со всех индикаторов неисправности, описанных в этой заявке, могут быть также переданы по проводам или беспроводному каналу в удаленную аппаратную для определения, требуется ли какое-либо дополнительное действие для продолжения безопасной работы соответствующих компонентов.

Во время нормальной работы, датчики давления 252, 254 и 256 контролируют давление в трубопроводе для обнаружения каких-либо необычных изменений, которые могут потребовать реакции для обеспечения безопасности; датчик давления 270, который расположен после ЗК, не является предохранительным датчиком, и используется для контроля давления в трубопроводе во время испытаний ЗК 220. Процент закрытия ЗК 220 в общем основывается на обнаруженном дифференциальном давлении, измеренном между датчиком давления 270 и датчиками давления 252, 254 и 256. Частичное перемещение ЗК 220 предотвращает полное закрытие ЗК 220 и прерывание добычи.

Должно быть понятно, что ПЛРУ 260 включает протокол предварительно программируемых функциональных испытаний без необходимости вовлечения персонала в пошаговое выполнение испытаний. Программируемые испытания на безопасность включают временные интервалы предварительно определенной длительности и мгновенное инициирование одного из предварительно определенных альтернативных действий в случае, когда заданные условия не выполняются в пределах временного интервала. Как должно быть понятно специалисту в этой области, проведение таких испытаний персоналом, использующим способы визуального наблюдения с пошаговыми управляемыми персоналом процедурами, секундомерами, нельзя сравнивать со своевременностью и точностью программируемого протокола. Функциональные испытания могут инициироваться дистанционно из аппаратной; автоматически предварительно определенным периодическим инициированием испытаний, например ежемесячно в заданное время в заданный день в соответствии с программой, инсталлированной в предохранительном логическом решающем устройстве; или персоналом на площадке, использующим кнопку 264. ПЛРУ 260 включает в виде протокола предварительно программируемый набор диагностических испытаний, которые проводятся оперативно для всех конечных элементов, используемых для защиты трубопровода, включая все ЭПН 230 и соответствующие РС 240 и ЗК 220 в производственном коллекторе. Система и способ изобретения предоставляют полную функциональную проверку безопасности всей системы, включая ЭПН 230 в пределах каждой подсистемы 202 устья скважины, ЗК 220 на общем производственном кол- 9 024606 лекторе, множество датчиков 252, 254 и 256 перед ЗК 220, и датчик 270 после ЗК 220. В дополнение, само ПЛРУ 260 может быть также испытано во время функциональных испытаний, при этом проверяется способность ПЛРУ принимать информацию от датчиков и передавать команды конечным элементам. При инициировании функциональных испытаний на площадке устья скважины, например вручную с использованием нажимной кнопки или другого переключателя, или электронным способом с удаленного пункта, исполнительный механизм 222 принимает сигнал для инициирования закрытия клапана 220. ПЛРУ 260 инициирует управляемый частичный ход ЗК 220 от положения открытия до положения испытания. Положение испытания проверяется на основании дифференциального давления, измеряемого на ЗК 220. Сигнал передается переключателем 224 при перемещении клапана от положения полного открытия.

Во время перемещения ЗК 220 от положения открытия в положение испытания данные отклика клапана (положение в зависимости от времени) собираются и сохраняются в ПЛРУ 260. Эти данные, известные как характеристика клапана, могут быть использованы для выявления изменений в работе клапана, которые могут указывать на ухудшение эксплуатационных параметров и возможность неисправности. Если клапан не перемещается или наблюдается чрезмерная задержка, ПЛРУ 260 инициирует сигнал тревоги с локальной сигнализацией, например используя локальный индикатор неисправности 266 и световой индикатор неисправности ЗК, для индикации того, что система не прошла функциональные испытания.

Когда ЗК 220 достигает положения испытаний, что подтверждается появлением дифференциального давления, измеренного ПЛРУ 260, например разницы давлений между датчиками давления 250 и датчиком давления 270, датчики давления 250 будут индицировать повышения давления в производственном коллекторе, так как каждый ЭПН 230 теперь работает при частично закрытом ЗК 220 В дополнение, давление контролируется с использованием датчика давления 270 до частично закрытого клапана 220 для обнаружения повышения дифференциального давления на ЗК 220 для подтверждения надлежащей притирки клапана и надлежащего положения штока клапана.

После достижения конечного предела хода клапана, ПЛРУ 260 инициирует предварительно определенный период испытаний, во время которого контролируется повышение давления. Сигналы с датчиков давления 252, 254, 256 контролируются для обнаружения повышения давления. При обнаружении предварительно определенного значения давления или повышения, ПЛРУ 260 посылает команду на РС 240 для снижения скорости ЭПН 230 в каждой скважине. Отметим, что нормальное рабочее давление каждого ЭПН 230 записывается в ПЛРУ 260 перед началом снижения скорости ЭПН. После подачи первой команды снижения скорости ЭПН, передается сигнал проверки, показывающий, что РС 230 каждого скважинного ЭПН ответил. Если какой-либо РС 230 скважинного ЭПН не ответил, испытания прерываются, и скважинный ЭПН идентифицируется одним из индикаторов отказа 231 на панели ПЛРУ 260. Если снижение давления в производственном коллекторе не обнаруживается, испытание прерывается, и инициируется сигнал тревоги испытание не выполнено. В этом протоколе испытаний, нет необходимости проверять плотное закрытие ЗК. Однако возможность полного закрытия и повышения давления в трубопроводе до ЗК является достаточным функциональным испытанием для обеспечения безопасности в настоящем изобретении. После достижения ЗК 220 положения испытания и успешного обнаружения повышения давления в трубопроводе, ПЛРУ 260 посылает командный сигнал на каждый из регуляторов скорости 240 ЭПН для снижения скорости ЭПН 230. В определенных вариантах воплощения командный сигнал посылается одновременно и задает одинаковое приращение снижения скорости для каждого РС 240. Ответ каждого РС 240 на команду начального приращения снижения скорости с ПЛРУ 260 проверяется перед продолжением снижения скорости ЭПН 230. Начиная с передачи с ПЛРУ 260 на РС 240 ЭПН, снижения скорости осуществляются в течение предварительно определенного периода времени для обнаружения снижения давления в линии 214 на основании данных, полученных с датчиков давления 252, 254 и 256. Если снижение давления не обнаруживается в течение выделенного периода времени, или достигается минимальный предел скорости ЭПН, ПЛРУ 260 вернет РС 240 в режим нормальной рабочей скорости, откроет ЗК 220 и инициирует сигнал тревоги испытание не выполнено. Используя протоколы диагностики для каждого РС 240 и установленные на панели индикаторы 231, техник на площадке может определить, какой РС 240 не отвечает при прерывании испытания системы, и принять корректирующие меры.

Если обнаруживается снижение давления, которое соответствует предварительно определенному значению или превышает его, РС 240 рассматриваются как прошедшие функциональные испытания, включая подтверждение факта, что РС 240 надлежащим образом отвечают на команды ПЛРУ 260. Таким образом, способ испытаний включает способность снижать скорость насоса, обнаруживать падение давления до частично закрытого клапана ЗК 220, и возврат скорости каждого ЭПН 230 к нормальному значению.

После подтверждения падения давления в производственном коллекторе, превышающего предварительно определенное значение, ПЛРУ 260 передаст сигнал для возврата ЗК 220 из положения частичного закрытия в положение полного открытия. Предварительно определенный период времени предоставляется для ЗК 220 для инициирования перемещения с испытательного положения частичного закры- 10 024606 тия. Если ЗК 220 не перемещается до истечения периода времени, ПЛРУ 260 сформирует сигнал тревоги, например через индикатор отказа 221 ЗК, и для скоростей всех ЭПН 230 останутся пониженные испытательные значения.

Когда ПЛРУ 260 принимает сигнал с концевого выключателя 222 и/или интеллектуальный контроллер клапана ЗК показывает, что ЗК 220 переместился из испытательного положения частичного закрытия в положение открытия, сигнал передается на регулятор скорости 240 для повышения скорости ЭПН 230 для обеспечения требуемого нормального рабочего давления в трубопроводе, что подтверждается датчиком давления 270. Проверка выполняется для всех РС 240 для подтверждения, что каждый регулятор вернулся в режим нормальной рабочей скорости, записанной при пуске последовательности испытаний.

Соответственно, используя протокол ПЛРУ 260, все компоненты, образующие систему аварийной защиты (818), включая датчики давления и различные выходы, например ЗК 220 и РС 240, испытываются. В дополнение, само ПЛРУ 260 может быть также испытано во время функциональных испытаний, при этом проверяется способность ПЛРУ принимать информацию от датчиков и передавать команды конечным элементам.

В определенных вариантах воплощения систем и процессов настоящего изобретения эксплуатационные характеристики ЭПН 230, например коэффициент полезного действия, расход и подобные, нет необходимости измерять. Предпочтительнее измерять общий отклик насосов ЭПН 230 на программируемые сигналы, передаваемые с ПЛРУ 260, например измеренное давление в производственном коллекторе, которые являются определяющими для состояния системы обеспечения безопасности. Обратная связь по скорости индивидуального РС ЭПН в основном используется только в качестве относящихся к безопасности диагностических параметров в пределах последовательности оперативных функциональных испытаний. Давление в трубопроводе измеряется посредством критических с точки зрения безопасности датчиков давления 250 перед ЗК 220. Сигналы с датчиков давления 250 передаются на ПЛРУ 260 для определения, отвечают ли насосы 230 в приемлемых пределах на командные сигналы с ПЛРУ 260.

В случае когда сигнал запроса безопасности генерируется во время испытания частичного хода ЗК или испытания изменения скорости насоса, сигнал аварийного отключения отменит протокол последовательности испытаний и полностью остановит насос 230 и переместит ЗК 220 в положение полного закрытия.

Должно быть понятно, что индикаторы отказа на панели локального управления сформируют сигнал тревоги и зарегистрируют отказ с меткой времени в памяти предохранительного логического решающего устройства в случае, если соответствующее устройство не функционирует надлежащим образом во время выполнения последовательности функциональных испытаний. Выявленные и отображенные отказы будут включать РС ЭПН индивидуальных скважин (при отсутствии ответа на запрос ПЛРУ), отсутствие повышения давления, обнаруженное датчиками 252, 254 и 256 при перемещении ЗК 220 в испытательное положение закрытия или отсутствие понижения давления, обнаруженное после передачи сигнала понижения скорости насоса на каждый РС 240. Другие диагностики включают задержки перемещения клапана с положения открытия или испытательного положения частичного закрытия, которые превышают предварительно определенный лимит времени. Если сигнал аварийного выключения получен ПЛРУ 260, например в результате отключения нажимной кнопкой 262 персоналом на площадке, или передачей по проводам или беспроводным способом сигнала аварийного выключения, проведение испытания на безопасность и неисправности незамедлительно прерывается, и ПЛРУ 260 посылает сигнал снижения скорости каждого ЭПН 230 до полной остановки и полного закрытия ЗК 220. В определенных вариантах воплощения предоставляется переключатель аварийного выключения ЭПН для прекращения подачи питания на ЭПН 230.

В дополнительных вариантах воплощения регуляторы скорости 240 ЭПН включаются в программу аварийного выключения таким образом, что скорость каждого ЭПН 230 снижается до полной остановки вместо прекращения подачи электропитания на ЭПН и РС. Это понижает вероятность какого-либо неблагоприятного воздействия на насосы 230, которое может иметь место при простом выключении питания. В дополнение, при условии аварийного выключения, предохранительное логическое решающее устройство 260 предоставляет выход для традиционной системы закрытия устья скважины, который обеспечивает изоляцию индивидуальной скважины через исполнительный механизм 274 клапана ПЗК и исполнительный механизм 282 клапана ППЗК, установленные в каждом устье скважины. ПЛРУ 260 также программируется для распознавания дефекта или неисправности одного датчика 252, 254, 256 или 270, и предупреждения персонала по техническому обслуживанию через один из индикаторов 251 датчиков давления или через индикатор 271, например звуковой или визуальный сигнал тревоги, текстовое сообщение рабочему персоналу, или другие известные процедуры обеспечения безопасности. В течение этого периода времени, когда известно, что датчик в режиме неисправности, система работает в соответствии с протоколом один из двух.

Кроме того, ПЛРУ 260 программируется для приема и записи данных предварительно определенных эксплуатационных характеристик одного или более компонентов, выбранных из ЗК, датчиков давления, каждого ЭПН и каждого РС во время испытания на функциональную безопасность. Эксплуатаци- 11 024606 онные характеристики одного или более компонентов сравниваются ПЛРУ 260 с существующими стандартами. Сравнительные данные могут отображаться и/или передаваться в центральную аппаратную.

Обращаясь к фиг. 4, система 200 включает множество подсистем 202, 102 и 102' устья скважины, которые обычно подсоединяются к общему магистральному трубопроводу для транспортировки нефти/газа на газонефтесепарационную установку (ГНСУ) 104. Подсистемы 202 устья скважины подсоединяются к общему коллектору 208, например как описано при обращении к фиг. 3. Высокоинтегрированная система защиты 206, включающая ПЛРУ, датчики давления и ЗК, расположена после общего коллектора 208.

Как описано при обращении к фиг. 3, трубопровод с высоким номинальным давлением используется между скважинами и ЗК ВИСЗ 206, а традиционный трубопровод используется после ЗК ВИСЗ 206, который рассчитан на давление более низкое по сравнению с максимальным давлением при полной блокировке выхода ЭПН, и предназначен для транспортировки и распределения продукта.

В дополнение, могут быть также предоставлены подсистемы 102 устья скважины, каждая из которых включает связанную с ней ВИСЗ 106, например включающую ПЛРУ, датчики давления и ПЗК, как показано на фиг. 1. В определенных системах 200 предоставляются дополнительные подсистемы 102' устья скважины, которые не показывают соответствующую ВИСЗ 106, хотя другие системы защиты и/или обеспечения безопасности могут быть использованы для этих устьев скважин, в пределах обычных знаний специалиста в этой области.

Различные протоколы и предварительно программируемые наборы диагностических испытаний, выполняемых предохранительными логическими решающими устройствами, описанными в этой заявке, могут использоваться в виде модулей в программируемой среде компьютера. Примерная блок-схема компьютерной системы 300, посредством которой могут быть использованы модули настоящего изобретения, показана на фиг. 5. Компьютерная система 300 включает процессор 302, такой как центральный процессор, интерфейс ввода/вывода 304 и вспомогательные схемы 306. В определенных вариантах воплощения, где компьютер 300 требует использования прямого интерфейса человек-машина, и тогда также предоставляются дисплей 308 и устройство ввода 310, такое как клавиатура, мышь или указатель. Дисплей 308, устройство ввода 310, процессор 302 и вспомогательные схемы 306 показаны подсоединенными к шине 312, которая подсоединяется к памяти 314. Память 314 включает память 316 для хранения програм и память 318 для хранения данных. Отметим, что в то время как компьютер 300 показан с компонентами прямого интерфейса человек-машина - дисплеем 308 и устройством ввода 310, программирование модулей и передача данных могут альтернативно выполняться через интерфейс 304, например где компьютер 300 подсоединяется к сети, и операции программирования и отображения выполняются на другом совмещенном компьютере, или через съемное устройство ввода, как это известно относительно программируемых логических контроллеров связи.

Память 316 для хранения программ и память 318 для хранения данных могут включать энергозависимую (КАМ) и энергонезависимую (КОМ) память, и может также включать жесткий диск и резервное запоминающее устройство, и память 316 для хранения программ и память 318 для хранения данных могут быть реализованы в виде одного устройства памяти или множества отдельных устройств памяти. Память 316 для хранения программ сохраняет модули для выполнения протоколов и наборы диагностических испытаний, описанных в этой заявке. Память 318 для хранения данных сохраняет, например, данные, генерируемые во время функциональных испытаний, такие как данные характеристик клапана и данные отказов с метками времени, генерируемые одним или более модулями настоящего изобретения. Должно быть оценено, что компьютерная система 300 может быть представлена любым компьютером, таким как персональный компьютер, миникомпьютер, автоматизированное рабочее место, главный компьютер центра, специализированный контроллер, такой как программируемый логический контроллер, или их комбинация. В то время как компьютерная система 300 показана для иллюстрации как один компьютерный блок, система может включать группу/ферму компьютеров, которая может масштабироваться в зависимости от нагрузки обработки и размера базы данных. Вычислительное устройство 300 типично поддерживает операционную систему, например хранящуюся в памяти 316 для хранения программ и выполняемую процессором 302 из энергозависимой памяти. В соответствии с вариантом воплощения изобретения операционная система взаимодействует с одним или более модулями, содержащими инструкции для связи устройства 300 с датчиками давления, аварийным запорным клапаном или предохранительным запорным клапаном (ГОК), и конечными элементами.

В системах и процессах настоящего изобретения эксплуатационные характеристики насоса, например коэффициент полезного действия, расход и подобные, нет необходимости измерять. Предпочтительнее измерять общий отклик насоса(ов) на программируемые сигналы, передаваемые с предохранительного логического решающего устройства, которые являются определяющими для состояния системы обеспечения безопасности. Обратная связь по скорости индивидуального РС ЭПН используется только в качестве относящихся к безопасности диагностических параметров в пределах последовательности функциональных испытаний. Давление в трубопроводе измеряется посредством критических с точки зрения безопасности датчиков давления, устанавливаемых перед ПЗК в системах, в которых высокоинтегрированная система защиты используется для одной скважины с ЭПН, или перед ЗК в пределах про- 12 024606 изводственного коллектора в высокоинтегрированной системе защиты, используемой для множества скважин, каждая из которых имеет ЭПН. Сигналы с датчиков давления передаются на предохранительное логическое решающее устройство для определения, отвечают ли насос или насосы в приемлемых пределах на командные сигналы с предохранительного логического решающего устройства. Должно быть понятно из описания выше, что система проверяет функционирование датчиков для обнаружения изменений давления в трубопроводе, логического решающего устройства для контроля этих сигналов, регулятора скорости ЭПН для снижения скорости насоса, и ПЗК или ЗК для изоляции потока нефти/газа от последующей трубопроводной сети. В системе этого изобретения вариант воплощения исполнительного механизма ЗК представляет собой электрическое отказоустойчивое устройство с пружинным возвратом. Функционирование предохранительного логического решающего устройства подтверждается надлежащей работой конечных элементов и посредством контроля изменений давления специальными датчиками. При обнаружении отказа клапана, регулятора скорости насоса, или датчиков, персонал предупреждается и может принять соответствующие меры для выполнения требуемого технического обслуживания без неблагоприятного воздействия на безопасность или работу. В применении для шахты с несколькими ЭПН, обратная связь индивидуального РС ЭПН скважины обеспечивает проверку ответа каждого РС ЭПН во время оперативного функционального испытания. Наиболее важно, что изобретение предоставляет систему аварийной защиты (818) для ВИСЗ, которая может быть полностью испытана оперативно без прерывания добычи нефти/газа через трубопровод во время выполнения протокола испытаний, и которая может незамедлительно ответить для выключения ЭПН и ПЗК или ЗК в случае необходимости.

В определенных вариантах воплощения система изобретения изготавливается и испытывается на заводе и может быть установлена на полозьях с фланцевыми соединениями на входе и выходе трубопроводной системы для облегчения модульной установки на площадке. Использование этой же конструкции также имеет преимущества вследствие снижения нагрузки на рабочий персонал и персонал по техническому обслуживанию при выполнении типовых испытаний системы на безопасность благодаря установленному сроку службы модульных блоков.

Таким образом, настоящее изобретение предоставляет высокоинтегрированную систему защиты устья скважины, которая защищает трубопроводы, подсоединенные к устью скважины, от избыточного давления при закрытии выходного запорного клапана. В системе настоящего изобретения источником давления является скважинный электрический погружной насос, или ЭПН, который используется, когда верхнее (на поверхности) давление скважины снижается до значения, при котором скважина не может обеспечивать свободное течение, или верхние давления не достаточные для транспортировки нефти/газа на газонефтесепарационную установку (ГНСУ), расположенную удаленно от устья добывающей скважины.

Способ и система настоящего изобретения была описана выше и в прилагаемых чертежах; однако, модификации будут очевидны специалистам в этой области, и объем защиты изобретения определяется последующими пунктами формулы изобретения.

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Автоматизированная система для испытания на безопасность системы защиты магистрального трубопровода с контрольно-измерительным оборудованием, подсоединенной к множеству трубопроводов устья скважины, используемых для распределения потока газа и/или нефти, при этом по меньшей мере в одном трубопроводе устья скважины из множества трубопроводов устья скважины создается давление скважинным электрическим погружным насосом (ЭПН), содержащая:

   а) общий коллектор для множества трубопроводов устья скважины;

   б) аварийный запорный клапан (ЗК), расположенный в магистральном трубопроводе после общего коллектора;

   в) предварительно программируемое предохранительное логическое решающее устройство (ПЛРУ) для выполнения протокола испытания на безопасность и записи результатов в электронном виде и для формирования сигналов аварийного выключения;

   г) по меньшей мере один датчик давления для измерения внутреннего давления магистрального трубопровода в общем коллекторе перед запорным клапаном (ЗК) и по меньшей мере один датчик давления для измерения внутреннего давления магистрального трубопровода после запорного клапана (ЗК);

   д) исполнительный механизм клапана для частичного закрытия ЗК в ответ на сигнал инициирования испытания и для закрытия ЗК в ответ на сигнал аварийного выключения, переданный с ПЛРУ, и для открытия ЗК в ответ на сигнал, переданный с ПЛРУ;

   е) регулятор скорости привода, подсоединенный к каждому ЭПН и ПЛРУ, для изменения скорости ЭПН на основании команд снижения/повышения скорости с ПЛРУ для изменения давления текучей среды в трубопроводе и для обеспечения обратной связи по скорости ЭПН в ПЛРУ во время нормальной работы и во время испытания системы.
2. 2. Система по п.1, которая дополнительно содержит концевой выключатель исполнительного меха- 13 024606 низма клапана, передающий сигнал, или интеллектуальный контроллер клапана, подсоединенный к ЗК и осуществляющий связь с ПЛРУ, а также сигнал тревоги, активируемый в случае, если концевой выключатель исполнительного механизма клапана или интеллектуальный контроллер клапана не передает сигнал по истечении предварительно определенного периода времени после передачи сигнала с ПЛРУ на ЗК для инициирования открытия или закрытия.
3. 3. Система по п.2, которая содержит средства для активации сигнального устройства, когда отсутствие изменения давления во множестве трубопроводов устья скважины передается множеством датчиков в течение предварительно определенного периода времени после передачи сигнала инициирования цикла закрытия или открытия с ПЛРУ на ЗК.
4. 4. Система по п.1, в которой ЗК оснащен отказоустойчивым исполнительным механизмом с электрическим управлением с положительным возвратом пружины.
5. 5. Система по п.1, в которой регулятор скорости привода для каждого ЭПН адаптирован для снижения скорости соответствующего ЭПН до остановки в ответ на сигнал аварийного выключения с ПЛРУ.
6. 6. Система по п.1, которая дополнительно содержит переключатель аварийного выключения ЭПН для прерывания подачи питания на каждый ЭПН в ответ на сигнал аварийного выключения с ПЛРУ.
7. 7. Система по п.1, в которой трубопроводы скважины и магистральный трубопровод до общего коллектора включительно рассчитаны на максимальное рабочее давление, которое соответствует максимальному давлению закрытия устья скважины.
8. 8. Система по п.7, отличающаяся тем, что трубопроводы устья скважины, расположенные после автоматизированной системы, имеют номинальное значение давления ниже по сравнению с максимальным давлением закрытия.
9. 9. Система по п.7, которая содержит сигнальное устройство, которое активируется, если значения сигналов датчиков давления, обрабатываемых ПЛРУ, отличаются на величину, превышающую предварительно определенное значение.
10. 10. Система по п.1, которая содержит три датчика давления, подсоединенные к ПЛРУ, при этом давление в общем коллекторе определяется выбором значений сигналов датчиков в соответствии с протоколом два из трех.
11. 11. Система по п.1, которая содержит средства для независимой передачи сигнала аварийного выключения на каждый ЭПН, который имеет превосходство над любым активным выполняемым испытанием на безопасность, вследствие чего каждый ЭПН выключается в ответ на сигнал аварийного выключения.
12. 12. Система по п.1, в которой ПЛРУ запрограммирован для передачи сигналов управления на ЗК и каждый регулятор скорости привода на основании значений давления в трубопроводе, переданных с датчиков давления.
13. 13. Система по п.1, в которой дополнительно обратная связь с индивидуальных регуляторов скорости используется ПЛРУ для индикации выявления неисправностей во время испытания системы.
14. 14. Способ испытания на безопасность и неисправность системы защиты магистрального трубопровода с контрольно-измерительным оборудованием, подсоединенной к множеству трубопроводов устья скважины, транспортирующих газ и/или нефть, в каждом из которых создается давление скважинным электрическим погружным насосом (ЭПН), при этом магистральный трубопровод оборудован аварийным запорным клапаном (ЗК), причем согласно способу используют автоматизированную систему по п.1, а также:

    а) устанавливают по меньшей мере один датчик давления в магистральном трубопроводе по потоку до ЗК и по меньшей мере один датчик давления в магистральном трубопроводе по потоку после ЗК;

    б) устанавливают регулятор скорости (РС) для каждого ЭПН для регулирования скорости ЭПН;

    в) устанавливают программируемое предохранительное логическое решающее устройство (ПЛРУ), осуществляющее связь с ЗК и каждым регулятором скорости для каждого ЭПН, и принимающий и записывающий сигналы, передаваемые датчиками давления;

    г) инициируют испытание на безопасность и неисправности с ПЛРУ передачей сигнала на ЗК для инициирования его перемещения в положение частичного закрытия на основании измерений дифференциального давления на клапане;

    д) контролируют данные давления, полученные с датчиков давления;

    е) передают сигнал с ПЛРУ на каждый РС для снижения скорости каждого ЭПН в ответ на предварительно определенное повышение внутреннего давления магистрального трубопровода;

    ж) обеспечивают обратную связь по скорости РС ЭПН на ПЛРУ после инициирования предварительно заданного шага снижения скорости для идентификации РС индивидуального скважинного ЭПН, который не ответил ПЛРУ во время испытания системы;

    з) передают сигнал с ПЛРУ для перемещения ЗК в положение полного открытия;

    и) передают сигнал с ПЛРУ на каждый РС для повышения скорости ЭПН в ответ на данные давления в магистральном трубопроводе.
15. 15. Способ по п.14, согласно которому множество датчиков давления установлены по потоку до ЗК.
16. 16. Способ по п.15, согласно которому данные с множества датчиков давления, установленных по

    - 14 024606 потоку до ЗК, выбираются ПЛРУ.
17. 17. Способ по п.15, согласно которому контролируют изменения данных давления, полученных ПЛРУ, и инициируют сигнальное устройство отказа, если отличие данных с одного из датчиков давления при сравнении с данными с других датчиков давления, установленных по потоку до ЗК, превышает предварительно определенное значение.
18. 18. Способ по п.14, согласно которому дополнительно получают и записывают данные предварительно определенных эксплуатационных характеристик одного или более компонентов, выбранных из ЗК, датчиков давления, каждого ЭПН и каждого РС во время испытания на безопасность, сравнивают соответствующие эксплуатационные характеристики компонента с существующими стандартами и отображают сравнительные данные и/или передают сравнительные данные в центральную аппаратную.
19. 19. Способ по п.14, согласно которому прекращают испытание на безопасность и неисправности в ответ на аварийный сигнал, полученный ПЛРУ, и одновременно передают сигналы для перемещения ЗК в положение полного закрытия и выключения каждого ЭПН.
20. 20. Способ по п.14, согласно которому инициируют аварийное устройство невыполнения испытания в случае, если давление в магистральном трубопроводе не повышается после передачи сигнала ПЛРУ для частичного закрытия ЗК.
21. 21. Способ по п.14, согласно которому инициируют сигнальное устройство невыполнения испытания в случае, если давление в магистральном трубопроводе не понижается после передачи сигнала ПЛРУ для снижения скорости каждого ЭПН в шаге (е), и инициируют индикатор отказа на локальной панели управления, который идентифицирует любой индивидуальный РС ЭПН, который не ответил на предварительно заданные запросы предохранительного логического решающего устройства во время испытания системы.
22. 22. Способ по п.14, согласно которому передают сигнал выключения с ПЛРУ на каждый ЭПН при отсутствии обнаружения снижения давления в магистральном трубопроводе после передачи сигнала для открытия ЗК.
23. 23. Способ по п.14, согласно которому дополнительно оснащают ЗК концевым выключателем исполнительного механизма клапана и интеллектуальным контроллером клапана, передающим сигнал полного открытия, полного закрытия и текущего положения клапана в ПЛРУ;

    инициируют таймер в ПЛРУ при передаче сигнала для закрытия/открытия ЗК;

    инициируют сигнальное устройство невыполнения испытания и отказа ЗК, если отсутствует сигнал перемещения с концевого выключателя по истечении предварительно определенного периода времени перемещения из положения открытия или испытательного положения частичного закрытия.