NO323785B1 - Kraftgenereringssystem - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt et system for generering av elektrisk kraft. Mer spesifikt, i ett illustrerende eksempel, vedrører oppfinnelsen en lokal elektrisk kraftkilde for en autonom undersjøisk installasjon, så som et ventiltre.

Produksjonen fra en undersjøisk brønn er styrt av et antall ventiler som er samlet inn i en enhetlig struktur generelt referert til som et ventiltre. Aktuering av ventilene er normalt avhengig av hydraulisk fluid for å drive hydrauliske aktuatorer som drifter ventilene. Hydraulisk fluid er normalt forsynt gjennom en navlestreng som løper fra en fjerntliggende stasjon lokalisert på et fartøy eller en plattform ved overflaten. Det er mindre vanlig at den hydrauliske navlestrengen kan løpe fra en landbasert stasjon. Vanligvis er aktuatoren styrt av pilotventiler som er huset i en styringsmodul lokalisert ved eller nær den undersjøiske installasjonen. Pilotventilene retter forsyningene av fluid til hver aktuator, slik det er påkrevd for hver spesiell operasjon. Pilotventilene kan være elektrisk aktuert, så som ved sylindersporer. Et slikt system er vanligvis referert til som et elektrohydraulisk system.

I tillegg til de over beskrevne strømningstyringsventilene, aktuatorene og pilotventilene, er et antall av sensorer og detektorer vanligvis anvendt i undersjøiske systemer for å overvåke tilstanden til systemet og strømningen av hydrokarboner fra brønnen. Ofte er et antall av sensorer, detektorer og/eller aktuatorer også lokalisert nedihulls. Alle disse anordningene er styrt og/eller overvåket av et dedikert styringssystem, som vanligvis huses i styringsmodulen.

Design av aktuatorer og ventiler for undersjøiske brønner er diktert av strenge sikkerhets- og pålitelighetsstandarder, på bakgrunn av faren for ukontrollert utslipp av hydrokarboner. Et vanlig krav er at ventilene må være "feilsikker lukket". Med andre ord må ventilene automatisk lukke seg ved tap av kraft eller styring, inkludert en feil eller maskinsvikt av enten det elektriske eller det hydrauliske systemet. En typisk fremgangsmåte for å tilveiebringe en feilsikker lukkingsegenskap er anvendelsen av én eller flere mekaniske fjærer, som forspenner aktuatoren mot den lukkede posisjonen. Det hydrauliske trykket anvendes for å åpne ventilen, og holder også fjærene i den sammentrykkede tilstanden. Ved tap av hydraulisk trykk, enten tiltenkt eller på bakgrunn av en systemfeil, vil energien lagret i fjærene bli frigjort, og derved lukke ventilen. Kraften som er påkrevd for å lukke en hydraulisk aktuert ventil er avhengig av både trykket av fluidet som er styrt av ventilen (dvs. formasjonstrykket), og det omliggende trykket (det hydrostatiske vanntrykket for undersjøiske installasjoner) som den hydrauliske aktuatoren er utsatt for. Høyere formasjons- og/eller omgivelsestrykk resulterer i større lukkingskrefter, og krever derved større fjærer.

I mange land kreves det en nedihulls sikkerhetsventil (overflate kontrollert under overflatesikkerhetsventil, (Surface Controlled Subsurface Safety Valve, SCSSC) som en ytterligere sikkerhetsanordning for lukking av strømningsbanen i brønnens rørgater. Fordi denne ventilen befinner seg i produksjonsstrømningen , må den driftes av et hydraulikkfluid som er ved et høyere trykk enn det fluid som brukes for å aktuere ventiltreventilene. Derved er det påkrevd med et ytterligere system for å forsyne høytrykks hydraulikkfluid til den undersjøiske installasjonen.

For å styre en undersjøisk brønn må en kobling være etablert mellom brønnen og en overvåkings- og styringsstasjon. Overvåkings- og styringsstasjonen kan være lokalisert på en plattform eller et strømning ende fartøy nær den undersjøiske installasjonen, eller alternativt ved en mer fjerntliggende landstasjon. Oppkoblingen mellom kontrollstasjonen og den undersjøiske installasjonen er vanligvis etablert ved å installere en navlestreng mellom de to punktene. Navlestrengen kan inkludere hydraulikklinjer for å forsyne hydraulikkfluid til de forskjellige hydrauliske aktuatorene lokalisert på eller nær brønnen. Navlestrengen kan også inkludere elektriske signaler for å forsyne elektrisk kraft, og også for å kommunisere styringssignaler til og/eller fra de forskjellige overvåknings- og styringsanordninger lokalisert på eller nær brønnen. Den typiske navlestrengen er en veldig komplisert og kostnadskrevende gjenstand. Navlestrengen kan koste flere tusen USD pr. løpemeter, og kan være tusener av meter lang.

Eksempler på tilsvarende systemer er vist i GB 2 251 639, der det beskrives et lukket system for forsyning av elektrisk kraft til kontroll-, instrument-, og kommunikasjonsenheter. Systemet omfattende to fluidlinjer mellom en oversjøisk installasjon og ned til en undersjøisk installasjon slik at det dannet et lukket system, hvor et trykksatt fluid i det lukkede systemet benyttes for å danne elektrisk kraft av en del av det trykksatte fluid som strømmer gjennom det lukkede systemet og opp igjen til den oversjøiske installasjonen.

På tilsvarende måte omhandler GB 2 266 546 et system som benytter en dedikertfluidtilførselslinje for overføring av en trykksatt gass til en undersjøisk installasjon, der den trykksatte gass bevirker eksempelvis at en turbin drives og dermed genererer elektrisk kraft til bruk i elektrisk opererte komponenter ved den undersjøiske installasjonen, før gassen slippe ut i det omgivende vannet.

I mange år har elektriske ventilaktuatorer vært foretrukket i landbaserte industrier fordi elektriske aktuatorer er mer kompakte enn hydrauliske aktuatorer. Videre er de fleste av komponentene av en typisk elektrisk aktuator så som den elektriske motoren og/eller girboksen enkelt tilgjengelige gjenstander som enkelt og rimelig kan fremskaffes fra mange produsenter. Innenfor noen bruksområder blir elektriske aktuatorer sett på som et godt alternativ til hydrauliske aktuatorer fordi det omliggende trykket ikke påvirker den påkrevde driftskraften av en elektrisk drevet ventil. Det har vært fremlagt mange forslag om å anvende elektrisk drevne aktuatorer istedenfor hydrauliske aktuatorer for undersjøisk anordnede ventiler. Eksempler på slike anordninger er fremlagt i US patenter nr. 5 497 672 og

5 984 260. Imidlertid, fordi hver av disse anordningene inkorporerer mekaniske fjærer som en feilsikker anordning, har disse aktuatorene en tendens til å være like store og romkrevende som de hydrauliske aktuatorene de er tiltenkt å erstatte.

Vanligvis er eksisterende undersjøiske elektriske aktuatorer drevet fra en fjerntliggende lokalisering via en undersjøisk kabel, for å sikre en tilstrekkelig og pålitelig forskyvning av elektrisk kraft. Det er vanligvis påkrevd at kraftforsyningen er tilstrekkelig til å drifte alle ventilene samtidig. I US patenter nr. 5 257 549 og 6 595 487 har det blitt foreslått å tilveiebringe en undersjøisk batterikraftforsyning, men kun for å tilveiebringe nok krisekraft for å lukke én enkelt ventil. Det har også vært foreslått å drifte en ventil i et undersjøisk miljø ved å anvende kraft generert lokalt av en termoelektrisk anordning. Imidlertid kan slike anordninger kun tilveiebringe en begrenset mengde kraft, som ikke ville være tilstrekkelig til å drifte alle ventilene i en større installasjon. Imidlertid er det nylig utviklet batterier som kan lagre nok kraft til å drifte alle ventiler i en undersjøisk installasjon samtidig, noe som derved åpner veien for løsninger hvor kraft for elektriske motorer er lagret i lokalt installerte batterier.

Siden et slikt system ville ha rikelig lokalt lagret kraft til å lukke alle ventilene, kunne de store feilsikkerfjærene bli eliminert fra aktuatorene. En ytterligere fordel er at drift av slike aktuatorer ville være uavhengig av vanndybden av systemet. Behovet for pilotventiler vil også bli eliminert, siden aktuatoren kan være direkte styrt elektrisk. Derved ville det også være potensielt store innsparinger på navlestrengkostnaden siden de hydrauliske linjene kan bli fjernet.

Helt elektriske undersjøiske systemer krever et mer sofistikert styringssystem enn elektrohydrauliske systemer. Styringssystemet må styre ladning av batteriene og overvåke deres status. Styringssystemene burde også overvåke status og posisjon av hver ventil slik at en operator ved et hvilket som helst tidspunkt kan innhente denne informasjonen og intervenere dersom dette trengs. Videre må styringssystemet implementere en feilsikkerfunksjon og kunne lukke alle ventiler dersom dette er påkrevet.

Under visse omstendigheter og i visse lokaliseringer kan en nedihulls sikkerhetsventil (SCSSV) være påkrevd. Som diskutert over, kan lavtrykks hydrauliske linjer bli eliminert fra navlestrengen ved å anvende elektriske aktuatorer for strømningsstyringsventiler i treet. I det tilfellet hvor en SCSSV er påkrevd, ville det selvsagt også være ønskelig å eliminere høytrykkslinjen fra navlestrengen i samme slengen. Mens nedihulls elektriske aktuatorer for SCSSV'er har vært foreslått, ville det fiendtlige nedihulls miljøet medføre at slike elektriske systemer er upålitelige. En mulig løsning for dette dilemma er å tilveiebringe en lokal kilde for høytrykks hydraulisk fluid ved den undersjøiske brønnen. På dette viset kan fremdeles en typisk hydraulisk SCSSV-aktuator være tilveiebrakt nedihulls, uten å kreve en hydraulisk navlestreng til overflaten. Den lokale kilden for høytrykksfluid kan være tilveiebrakt av en elektrisk drevet pumpe eller trykkintensifiserer, som setter trykk på et lokalt reservoar av hydraulikkfluid. En akkumulator kan også bli tilveiebrakt for lagring av høytrykksfluid.

I en vanninjeksjonsbrønn, som anvendes for å injisere vann eller gass inn i formasjonen for å assistere i å opprettholde trykket i produksjonslønnene, kan SCSSV<*>en være en enkel fjærbasert smekkerventil, som er holdt åpen av injeksjonsstrømningen i seg selv. Dette arrangementet eliminerer behovet for en SCSSV-aktuator i det store og det hele.

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en anordning for løsning av, eller i det minste reduksjon av effektene av, noen eller alle av de tidligere nevnte problemene.

Generelt er foreliggende oppfinnelse rettet mot et elektrisk kraftgenereringssystem, og forskjellige fremgangsmåter for drift av samme. I ett illustrerende utførelse seksempel omfatter oppfinnelsen et styringssystem for en autonom undersjøisk installasjon. Den undersjøiske installasjonen kan inkludere én eller flere elektrisk drevne komponenter, så som elektriske aktuatorer for styring av én eller flere ventiler, og i det minste én strømningslinje. I ett utførelseseksempel er det også tilveiebrakt et system for generering av en elektrisk kraftleveranse lokalt ved den undersjøiske installasjonen. Kraftgenereringssystemet omfatter en turbin som er posisjonert i strømningslinjen, slik at fluid som strømmer gjennom strømningslinjen roterer turbinen for å generere elektrisk kraft. I noen utførelseseksempler kan turbinen være posisjonert i en omløpssløyfe, slik at fluid selektivt kan bli rettet gjennom turbinen når dette er påkrevet. En eller flere elektriske kraftlagringsanordninger, så som batterier, er også tilveiebrakt for lokal kraftlagring, hvori den lagrede kraften i batteriene er tilstrekkelig til å drive de elektriske aktuatorene, eller til å lade ett eller flere batterier, hvor kraften fra denne deretter kan anvendes til å drive aktuatorene. En styringsmodul for styring av driften av aktuatorene, turbinene og batteriene kan også bli tilveiebrakt, så vel som en akustisk kommunikasjonsenhet for kommunikasjon med styringsmodulen fra en fjerntliggende lokalisering, slik som et overflatefartøy eller en plattform. Ved å anvende kun elektriske aktuatorer, ved å generere og lagre kraft lokalt, og ved akustisk kommunikasjon kan navlestrengen bli eliminert i sin helhet, for å realisere store kostnadsinnsparinger.

Enhver elektrisk aktuator omfatter en elektrisk motor. Lokalt plasserte batterier tilveiebringer direkte kraft til de elektriske aktuatorene for å åpne og lukke ventilene. Batteriene blir ladet av turbinen etter behov. Styringsmodulen overvåker tilstanden av batteriene, og sender et signal for å ta turbinen i bruk når som helst når ladningen av et hvilket som helst batteri faller under et forhåndsbestemt nivå. Styringssystemet inkluderer en akustisk sender og en akustisk mottager for kommunikasjon med en styringsstasjon ved en fjerntliggende lokalisering. Styringsstasjonen kan være lokalisert hvor som helst i verden. F.eks. kunne den akustiske senderen og den akustiske mottageren kommunisere med en bøye ved overflaten, og denne bøyen deretter være koblet til en kommunikasjonssatellitt.

Derved, i ett illustrerende utførelseseksempel omfatter oppfinnelsen en fullt ut autonom undersjøisk installasjon som kan drives i det uendelige uten menneskelig intervensjon. Et styringssystem er tilveiebrakt, som kan overvåke og styre brønnen uten ekstern ledelse, mens den tillater tilgang til innsamlede data og kriseintervensjon dersom dette er nødvendig. Blant andre arbeidsoppgaver er styringssystemet tilpasset til å overvåke strømningen av fluid gjennom strømningslinjen, for å sikre at systemet drives på rett vis. Det helt elektriske styringssystemet i henhold til dette illustrerende utførelseseksemplet av oppfinnelsen resulterer i en undersjøisk operasjon som er enklere og mindre kostnadskrevende enn eksisterende installasjoner. Oppfinnelsen er spesielt fordelaktig for injeksjonsbrønner, fordi disse brønnene veldig ofte er lokalisert fjernt fra andre undersjøiske installasjoner i et spesielt felt, og derved ellers ville kreve separate, dedikerte navlestrenger.

Enkel beskrivelse av illustrasjoner

Oppfinnelsen kan bli forstått via referanser til den etterfølgende beskrivelsen, sett i sammenheng med de medfølgende illustrasjoner, hvori like referansetall identifiserer like elementer, og hvori: Fig. 1 viser et illustrerende utførelseseksempel av oppfinnelsen; Fig. 2 viser en skjematisk fremstilling av en undersjøisk installasjon i henhold til et illustrerende utførelseseksempel av oppfinnelsen; Fig. 3 viser et illustrerende utførelseseksempel av en generatoromløpssløyfe; Fig. 4 viser et detaljert riss av et illustrerende utførelseseksempel av en turbin; og Fig. 5 viser et illustrerende utførelseseksempel av en algoritme for overvåking av strømningsretning i strømningslinjen og respons til samme.

Mens oppfinnelsen er mottagelig for forskjellige modifikasjoner og alternative former, har spesifikke utførelseseksempler av samme blitt vist som eksempler i illustrasjonene og er heri beskrevet i detalj. Det bør imidlertid være forstått at beskrivelsen heri av spesifikke utførelseseksempler ikke er tiltenkt til å begrense oppfinnelsen til de spesielle formene som er fremlagt, men motsatt, at oppfinnelsen er tiltenkt å dekke alle modifikasjoner, ekvivalenter og alternativer som faller innenfor ånd og rekkevidde av oppfinnelsen slik den er definert av de vedlagte krav.

Illustrerende utførelseseksempler av oppfinnelsen er beskrevet under. For å fremheve oppfinnelsen klarere er ikke alle egenskaper ved en faktisk implementasjon beskrevet i denne spesifikasjonen. Det vil naturligvis bli forstått at i utviklingen av en slik faktisk utførelse vil et antall implementasjonsspesifikke avgjørelser måtte bli gjort for å oppnå utviklernes spesifikke mål, så som overholdelse av systemrelaterte og forretningsrelaterte begrensninger, som vil variere fra én implementasjon til en annen. Videre vil det bli forstått at en slik utviklingsinnsats kan være kompleks og tidkrevende, men vil fremdeles være en rutineoppgave for de fagpersoner som har fordelen av denne fremleggingen.

Foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med referanse til de vedlagte figurene. Ordene og frasene som er anvendt heri bør bli forstått og tolket til å ha en mening som er konsistent med den forståelse av disse ord og fraser som finnes blant fagpersoner. Ingen spesiell definisjon av en term eller en frase, f.eks. en definisjon som er forskjellig fra den vanlige og normale meningen slik den er forstått av fagpersoner, er tiltenkt å bli underforstått ved konsistent anvendelse av termen eller frasen heri. I den utstrekning at en term eller en frase er tiltenkt til å ha en spesiell mening, dvs. en mening annet enn den som er forstått av fagpersonen, vil en slik spesiell definisjon uttrykkelig bli satt frem i spesifikasjonen, på definisjonsvis, som direkte og utvilsomt fremlegger den spesielle definisjonen for termen eller frasen.

Med referanse til fig. 1, i et illustrerende utførelseseksempel av oppfinnelsen er en undersjøisk installasjon 1 lokalisert på havbunnen 2. Installasjonen 1 inkluderer et ventiltre 11 montert på et brønnhode 12, hvor brønnhodet er den øverste delen av en brønn som strekker seg ned inn i havbunnen til en underjordisk hydrokarbonformasjon. Ventiltreet har i det minste én elektrisk drevet anordning så som en elektrisk aktuator 13 for aktuering av i det minste én strømningsstyringsventil (ikke vist). En elektrisk drevet styringsmodul 14 er festet til ventiltreet 11. Styringsmodulen 14 inneholder elektronisk utstyr for mottagelse og overføring av styrings- og/eller telemetrisignaler 19. Styringsmodulen 14 inneholder også én eller flere elektrisk kraftlagringsanordmnger 22 (i fig. 2), så som batterier, som tilveiebringer kraft til de elektriske aktuatorene og/eller andre elektriske anordninger på ventiltreet 11 eller brønnhodet 12. En kabel 15 strekker seg fra styringsmodulen 14 til aktuatoren 13. Annet utstyr, så som forskjellige elektrisk opererte sensorer, kan også bli koblet til styringsmodulen 14. Ventiltreet 11 kan også inkludere et fjernstyrt fartøy (ROV) panel (ikke vist) for å tillate manuell aktuering av ventilene med en ROV, som er vel kjent fra før av. Et fartøy 3, så som en flytende prosesseringsenhet (FPU) er lokalisert på overflaten 4 av vannet. En strømningslinje 5 strekker seg fra fartøyet 3 til ventiltreet 11. Et lokalt kraftgenererende system 30 er driftsmessig koblet til strømningslinjen 5. En kabel 31 kobler genereringssystemet 30 med styringsmodulen 14.

En hydroakustisk kommunikasjonsenhet 16 er festet til ventiltreet 11 og er koblet til styringsmodulen 14 via kabelen 17. Kommunikasjonsenheten 16 inkluderer en første antenne 18, en akustisk sender (ikke vist), og en akustisk mottager (ikke vist). Fartøyet 3 inkluderer videre en andre antenne 20 for mottagelse og utsendelse av akustiske styrings- og telemetrisignaler 19 til og fra antennen 18 på ventiltreet 11.1 andre utførelseseksempler kan forskjellige kommunikasjonsfremgangsmåter bli anvendt, slik som radiobølger. I andre utførelseseksempler kan antennen 18 være anordnet på en bøye (ikke vist) som strømning er på overflaten 4. Bøyen kunne deretter være koblet til en fjerntliggende stasjon via en satetlittkobling, kabel, radio eller andre egnede kommunikasjonsmidler.

I det foreliggende illustrerende utførelseseksemplet er ventiltreet 11 et vanninjeksjonstre. Vann pumpes fra fartøyet 3, gjennom strømningslinjen 5, og til den undersjøiske installasjonen 1 hvor den injiseres inn i formasjonen. Alternativt kan strømningslinjen 5 strekke seg fra en prosesserings- eller separasjonsenhet (ikke vist) som er lokalisert fjernt fra brønnen. Prosesserings- eller separasjonsenheten prosesserer fluid produsert fra andre brønner i formasjonen, og separerer det produserte vannet fra hydrokarbonene. Prosesserings- eller separasjonsenheten kan være lokalisert undersjøisk, på et fartøy, på en plattform eller på land.

Fig. 2 viser eri skjematisk fremstilling av ventiltreet 11 koblet til brønnhodet 12. Den undersjøiske brønnen er ferdigstilt på det vanlige viset ved først å drille et hull og installere en Iederørgate, for deretter å installere et brønnhode og en serie av konsentriske foringsrørstrenger som er ankret i brønnhodet. Til slutt blir rørgatestrengen og rørgatehengeren installert i brønnen og ventiltreet 11 blir koblet til brønnhodet 12.1 fig. 2 merker tallet 41 produksjonsstrømningspassasjen, som kommuniserer med strømningsborehullet av produksjonsrørgatestrengen, 42 angir annulus-passasjen, som kommuniserer med det ringformede rommet mellom rørgaten og den indre fåringsrørstrengen. 43 angir produksjonsutløpet, fra hvilken produserte fluider normalt vil utløpe i en produserende brønn. I en vanninjeksjonsbrønn, slik som i det foreliggende utførelseseksemplet, er produksjonsutløpet 43 anvendt til å injisere vann inn i brønnen. Produksjonsutløpet 43 er koblet til strømningslinjen 5. Referansetallet 44 merker en krysningspassasje, som kobler den ringformede passasjen 42 og produksjonsstrømningspassasjen 41.

En hovedproduksjonsventil 45 er lokalisert i produksjonsflytpassasjen 41, og en ringformet hovedventil 46 er lokalisert i den ringformede passasjen 42. En krysningsventil 47 styrer fluidstrømningen gjennom krysningspassasjen 44. En produksjonsvingeventil 50 er lokalisert i produksjonsutløpet 43. En strupeventil 48 kontrollerer trykket i produksjonsutløpet 43. Det kraftgenererende systemet 30 omfatter en turbin 23, som er lokalisert i strømningsbanen av produksjonsutløpet 43, på et vis som er beskrevet i større detalj under.

Ventilene 45, 46,47,48 og 50 er hver drevet av en elektrisk aktuator. I ett illustrerende utførelseseksempel inkluderer hver elektrisk aktuator (ikke vist) en elektrisk motor, en girboks og en drivaksel som er koblet til den respektive ventilspindel via et standardisert API-grensesnitt. I et illustrerende utførelseseksempel kan den elektriske motoren være en børsteløs type DC-motor, og girboksen kan være en planetarisk girboks. Eksempler på en egnet motor 185 og girboks 175 kombinasjon inkluderer en modell med navnet TPM 050 solgt av det tyske firmaet Wittenstein. Hver elektrisk aktuator har en assosiert motorstyrer (ikke vist) for mottagelse av og sending av signaler fra styringsmodulen 14, og modulering av kraft til motoren etter mottagelse av egnede kommandoer fra styringsmodulen 14. Hver elektrisk aktuator er huset i en demonterbar enhet (ikke vist). Det standardiserte API-grensesnittet gjør det mulig å fjerne aktuatoren i en krisesituasjon, og å aktuere ventil spindelen direkte med en ROV eller en dykker.

Brønnoverhalingsventilene 51 og 52 er også lokalisert i ventiltreet. Disse ekstra ventilene kan bli drevet av hydrauliske aktuatorer (ikke vist), og er anvendt for adgang til brønnen under overhalingssituasjoner. I løpet av brønnoverhalingen vil en navlestreng (ikke vist) bli anvendt for å forsyne hydraulikkfluid til en hvilken som helst gjenværende hydraulikkaktuator og til brønnhodekoblingenO 53. Brønnoverhalingsnavlestrengen er koblet til en brønnoverhalingsenhet 54 som vist.

Et antall sensorer er lokalisert i den undersjøiske installasjonen for å overvåke forskjellige parametere i systemet. En trykk/temperatur (pressure/temperature;PT) sensor 56 er lokalisert i den ringformede passasjen 42. En annen PT-sensor 58 er lokalisert i produksjonsutløpet 43 oppstrøms av vanninjeksjonsstrømningen av strupeventilen 48. En tredje PT-sensor 57 er lokalisert i produksjonsutløpet 43 nedstrøms vanninjeksjonsstrømningen av strupeventilen. Sensorene 57 og 58 er anvendt for å overvåke trykket av injeksjonsfluidet mens det blir pumpet ned inn i brønnen. Denne informasjonen anvendes for å regulere strupeventilen 48 for å oppnå det ønskede informasjonstrykket.

Styringsmodulen 14 inneholder en prosesseringsenhet 21, som inkluderer elektronikk for å ta imot og sende signaler til de forskjellige anordningene i systemet, og til den hydroakustiske antennen 18. Elektronikken i prosesseringsenheten 21 vil også dirigere elektrisk kraft slik det er påkrevd til de forskjellige anordningene, inkludert de elektriske ventil aktuatorene. Den illustrerende styringsmodulen 14 inneholder også i det minste to batterier 22 for redundans. Prosesseringsenheten styrer driften av de elektriske aktuatorene (ikke vist) og turbinen 23 (på fig. 4), overvåker ladningen av batteriene 22 via en ladningssensor (ikke vist), og håndterer kommunikasjonssignaler både internt og eksternt i systemet. En akustisk kommunikasjonsenhet 16 inkluderer antennen 18, og tilveiebringer kommunikasjon med mottagelsesantennen 20 (på fig. 1) ved overflatefartøyet, plattformen eller en fjerntliggende stasjon.

I andre utførelseseksempler kan de elektriske aktuatorene (ikke vist) være utstyrt med mekaniske feilsikre fjærer (ikke vist), for å tilveiebringe en feilsikker lukket mulighet. F.eks., med referanse til fig. 2, er vingventilen 50 vist med en feilsikker fjær. I det aktuelle illustrerende utførelseseksemplet er feilsikkerfjærene utelatt fra de andre elektriske aktuatorene. Prosesseringsenheten 21 kan bli anvendt, så lenge som elektrisk kraft er tilgjengelig, for å tilveiebringe en feilsikker lukket funksjonalitet. Uten elektrisk kraft vil de elektriske aktuatorene ha en feil "i seg selv" funksjonalitet.

Med referanse til fig. 3 og 4, inkluderer det kraftgenererende systemet 30 en turbin 23 installert i en lukket rørsløyfe 32, som er koblet til styringsventilen 38 via flensene 33 og 34. Turbinen 23 er operativt koblet til strømningslinjen 5, og ventilen 38 regulerer strømningen av fluid fra strømningslinjen 5 til turbinen 23. Ventilen 38 kan bli drevet av en elektrisk aktuator (ikke vist), som kan bli styrt av styringsmodulen 14 (på fig. 2). Med dette arrangementet kan en kontrollert mengde fluid bli forsynt gjennom rørsløyfen 32 når dette trengs, for å tilveiebringe elektrisitet til å lade batteriene 22 (på fig. 2). Ventilen 38 kan være posisjonert i en første posisjon slik at fluid som strømmer gjennom strømningslinjen 5 blir rettet gjennom rørsløyfen 32. Ventilen 38 kan også være posisjonert i en andre posisjon slik at strømning gjennom strømning linje S går utenom rørsløyfe 32 i sin helhet.

Turbinen 23 er vist i større detalj på fig. 4. Turbinen 23 omfatter et flertall av turbinblader 36 som strekker seg mellom en sentral aksel 39 og en ytre ring 35. Bladene 36 er fordelt jevnt rundt akselen 39. Turbinen 23 blir rotert av strømningen av fluid gjennom rørsløyfen 32. Et antall roterende permanente magneter 37 er montert ved den ytre diameteren av ringen 35 for å danne rotorviklinger. Ytterligere stasjonære permanente magneter 40 er fastmontert i et ringarrangement rundt de permanente magnetene 37 for å danne statorviklinger. Slik det er vel kjent fra før vil rotasjon av rotoren på innsiden av statoren forårsake en relativ bevegelse mellom de roterende og stasjonære magnetene, og derved danne en strømning og generere elektrisk kraft. Viklingene i statoren er anordnet for å produsere en trefase vekselstrømkraftleveranse eller signal på kjent vis.

Systemet omfatter sensorer (ikke vist) for avlesning av hastighet og rotasjonsretning på turbinen 23. Normalt er også spennings- og strømmålere eller sensorer tilveiebrakt for å muliggjøre kalkuleringen av generatorens leveranse. Vekselstrømsleveransen kan bli uttrykt som tre sinusoidale kurver eller faser som er forskjøvet i tid (A, B og C). Tiden mellom toppene av de nærliggende fasene (f.eks. A og B) bestemmer frekvensen og derved rotasjonshastigheten av turbinen 23. En hastighetssensor er derved tilveiebrakt for å avlese denne frekvensen. Rotasjonsretningen av turbinen 23 kan bli bestemt fra sekvensen av de tre fasene. En forandring i sekvens av fasene (f.eks. fra ABC til BAC) vil indikere en forandring i rotasjonsretningen av turbinen 23). En retningssensor er også tilveiebrakt for avlesning av sekvensen av i det minste to av de tre fasene av trefase veksel strømsi gnålet. Sensorene for avlesning av frekvens og faseresultat av kraftleveransen kan omfatte kalkuleringsrutiner innenfor prosesseringsenheten 21 av styringsmodulen 14.

I løpet av normal drift kan ventilen 38 være posisjonert for å tillate strømning gjennom turbinen 23, med turbinen 23 løpende fritt eller med en veldig liten elektrisk belastning. I denne konfigurasjonen kan rotasjonshastigheten og retningen bli konstant overvåket. Fra rotasjonshastigheten kan strømningsraten Q bli bestemt, og derved tillate deteksjon av forstyrrelser i strømningen. Når turbinen 23 løper under elektrisk belastning kan rotasjonshastigheten bli sammenlignet med strømmen som blir produsert av generatoren. Dette muliggjør at effektiviteten av og/eller leveransen fra turbinen 23 kan bli overvåket. Parametermålinger i en forhåndsbestemt intervall kan gi en indikasjon på om turbinen 23 holder på å svikte og burde bli erstattet. En annen måte å måle ytelsen til turbinen 23 er å måle fallet i rotasjonshastighet når turbinen 23 blir plassert under elektrisk belastning. For den spesielle turbinen 23 som er anvendt vil forholdet mellom strømleveranse og nedbremsningen av turbinen 23 under belastning være kjent. Dersom nedbremsningen av turbinen 23 og/eller strømleveransen skulle avvike fra dette kjente forholdet kan det være en indikasjon på at turbinen 23 holder på å svikte. Sammenligning av hastigheten av turbinen 23 og strømmen som genereres vil også gi en indikasjon på effektiviteten av turbinen 23. En forandring av disse avlesningene over tid kan gi en tidlig advarsel om at turbinen 23 holder på å svikte, slik at turbinen 23 kan bli erstattet med minimum av nedetid for systemet.

Målingen av rotasjonshastighet vil også fungere som en strømningsmåler i løpet av normal drift, siden strømningsraten vil være direkte relatert til antallet omdreininger pr. min. av turbinen 23. Slike målinger kan bli sammenlignet med strømningsraten mot pumpestasjonen, for å avgjøre om det er noen lekkasjer tilstede i systemet nå.

Når turbinen 23 blir plassert under en elektrisk belastning, vil et trykktap bli målt i trykksensoren 58. Dette trykktapet vil være proporsjonalt til kraftleveransen i henhold til formelen P=Ap x Q (hvor P er kraftleveransen, Ap er trykkfallet, og Q er strømningsraten). Dette kan bli sammenlignet med kraftleveransen målt fra turbinen 23, for å gi en indikasjon på mulig turbin 23 svikt.

I en injeksjonsbrønn er det veldig viktig å avlese strømningsretningen, siden en reversering i strømningsretning indikerer at brønnen kan ha blitt ustabil og/eller at vann strømmer ut av brønnen. Når dette inntreffer burde strømning styringsventilene (45 og 46) lukkes umiddelbart for å unngå problemer med brønnen. En algoritme for å oppnå dette er vist diagrammatisk på fig. 5. Strømningsretningen kan bli målt på to måter. Først, på den venstre siden av fig. 5, er rotasjonsretningen av turbin 23 målt. En reversering av retning indikerer at strømning en er i feil retning og at hovedventil 45 burde bli lukket. Imidlertid er det mulig at denne avlesningen kunne være feilaktig, f.eks. på bakgrunn av en svikt i turbinen 23. For å bekrefte at strømningsretningen faktisk har forandret seg, blir trykkfallet over strupeventilen også målt, hvilket er vist på høyre hånds side av fig. 5. Dersom trykkfallet er positivt over strupeventilen, er en feil i turbinen 23 enheten indikert, og den fjerntliggende styringsstasjonen blir varslet. Dersom trykkfallet over styringsventilen er negativt, bekrefter dette at fluid strømmer ut av brønnen. I dette tilfellet burde hovedventilen 45 lukkes automatisk.

Nok en gang med referanse til fig. 2, blir vann forsynt gjennom en strømningslinje 5 til hovedpassasjene 43 og 41. Hovedventilen 45 og vingeventilen 50 holdes i åpen posisjon, og tillater vann å bli pumpet ned i brønnen og inn i formasjonen. Styringsmodulen 14 overvåker de forskjellige parameterne ved brønnen, inkludert ladningsnivået av batteriene 22, og sender denne informasjonen til en fjerntliggende styringsstasjon (ikke vist) på fartøyet 3 (på fig. 1) eller på land. Når styringsmodulen 14 avleser at ladningsnivået på batteriene 22 er under en første forhåndsbestemt verdi, blir det sendt et signal for å aktivere (i en elektrisk mening av ordet) turbinen 23.1 den aktiverte tilstanden genererer turbinen 23 elektrisk kraft. Elektrisiteten generert av turbinen 23 blir sendt gjennom kabelen 31 for å lade batteriene 22. Når styringssystemet avleser at ladningsnivået på batteriene 22 er over en andre forhåndsbestemt verdi blir et signal sendt for å deaktivere turbinen 23, dvs. å fjerne den elektriske belastningen fra turbinen 23, og turbinen 23 tillates å returnere til dets frittløpende tilstand. I den elektrisk deaktiverte tilstanden genererer turbinen 23 lite eller ingen elektrisk kraft.

Nedihullssikkerhetsventilen (ikke vist) kan være en enkel enkelthandlings ventil, f.eks. en smekkerventil. Denne typen ventil vil holdes åpen så lenge som fluidstrømningen er inn i brønnen, men lukkes automatisk når fluidstrømmen stopper eller reverseres, og derved lukkes brønnen. I noen land er det påkrevd å ha en overflatekontrollert undersjøisk sikkerhetsventil (SCSSV). I dette tilfellet kan en ventil så som den beskrevet i norsk patentspesifikasjon nr. 313 209 anvendes. Siden denne ventilen kan bli styrt fra utsiden av ventiltreet kan en elektrisk aktuator bli anvendt. Sikkerhetsstyringsventilen kan også bli manuelt lukket, ved anvendelse av en ROV dersom dette er påkrevd.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i sammenheng med en vanninjeksjonsbrønn, bør det bli forstått at et lignende system kan bli anvendt for en produksjonsbrønn eller et manifoldsystem, uten å gå utenom den sanne ånd og rekkevidde av oppfinnelsen som definert i de etterfølgende krav. F.eks. kunne kraftgenereringssystemet 30 bli operativt koblet til produksjonsstrømningslinjen av en produksjonsbrønn, slik at strømningen av produsert fluid forårsaker turbinen 23 å rotere.

I generelle termer er foreliggende oppfinnelse rettet mot et elektrisk kraftgenererende system, og forskjellige fremgangsmåter for drift av samme. I ett illustrerende utførelseseksempel omfatter systemet i det minste én strømningslinje, en turbin operativt koblet til strømningslinjen, hvor turbinen er rotert av fluid som strømmer gjennom strømningslinjen, og hvor turbinen genererer en elektrisk kraftleveranse når turbinen roteres.

I ett illustrerende utførelseseksempel omfatter fremgangsmåten operativ kobling av en turbin til strømningslinjen og retting av en strømning av fluid gjennom turbinen for derved å generere den elektriske kraftleveransen.

De spesifikke utførelseseksemplene som er fremlagt over er kun illustrerende, siden oppfinnelsen kan bli modifisert og anvendt på forskjellige men ekvivalente vis som er åpenbare til fagpersonen som har fordelen av fremleggelsen heri. F.eks. kan prosesstrinnene som er beskrevet over bli utført i forskjellig rekkefølge. Videre er ingen begrensninger tiltenkt i detaljene av konstruksjon eller design som er vist heri, annet enn det som er beskrevet i kravene under. Det er derfor klart at de spesifikke utførelseseksemplene som er fremlagt kan bli forandret eller modifisert, og at alle slike variasjoner er ansett å være innenfor rekkevidden og ånden av oppfinnelsen. I henhold til dette er beskyttelsen som er søkt heri slik den er erklært i kravene under.

Claims (41)

1. Et system for å tilføre elektrisk kraft til en undersjøisk installasjon (1) ved et fjerntliggende sted, hvilken undersjøisk installasjon (1) omfatter i det minste en elektrisk operert komponent (13), en fluidtilførselslinje (5) som strekker seg mellom nevnte installasjon (1) og en andre installasjon (3), hvor nevnte andre installasjon (3) omfatter en pumpe anordnet for å tilføre et trykksatt fluid gjennom fluidtilførselslinje (5) til den undersjøiske installasjonene (1), hvor den undersjøiske installasjonen (1) omfatter anordninger for operativt injisere det transporterte fluidet inn i en brønn eller et fluid produsert av en brønn, ved et spesifikt trykk som er større enn brønntrykket eller trykket i fluidet produsert av en brønn, karakteris ert v e d at systemet omfatter en anordning for å generer elektrisk kraft (30), hvilken omfatter en turbin (23) operativt forbundet til fluidtilførselslinjen (5) ved den undersjøiske installasjonen (1), hvor pumpen ved den andre installasjonen (3) er drevet for å levere et fluid som gir et trykk større det spesifikke trykk ved den undersjøiske installasjonene (1), og hvor det tilgjengelige overskuddet benyttes for å genererer elektrisk kraft.

2. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at den undersjøiske installasjonen (1) er en vanninjeksjonsbrønn og fluidtilførselslinjen (5) er en vanninjeksjonsstrømningslinje, eller en strømningslinje for kjemisk fluid eller andre typer av fluid til den undersjøiske installasjonen (1).

3. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at den undersjøiske installasjonen (1) er en gassproduserende brønn og fluidtilførselslinjen (5) er en kjemisk tilførselslinje.

4. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at den i det minste ene elektriske komponent omfatter en elektrisk drevet ventilaktuator (13).

5. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at den i det minste ene elektriske komponent omfatter en kontrollenhet (14).

6. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter i det minste en elektrisk kraftlagringsanordning (22), nevnte generert elektrisitet er tilført til den i det minste ene elektriske kraftlagringsanordningen (22).

7. System i henhold til krav 6, karakterisert ved at i den det minste en elektrisk kraftlagringsanordning omfatter et batteri (22).

8. System i henhold til krav 6, karakterisert ved at det ytterligere omfatter i det minste en elektrisk operert komponent (13) drevet av den i det minste ene elektriske kraftlagringsanordningen (22).

9. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det videre omfatter en kontrollmodul (14) for å kontrollere turbinen (23).

10. System i henhold til krav 9, karakterisert ved at kontrollmodulen (14) forårsaker turbinen (23) til selektivt å være i det minste i en første tilstand hvori turbinen genererer elektrisk kraft, og en annen tilstand hvor turbinen ikke genererer elektrisk kraft.

11. System i henhold til krav 10, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: i det minste en ladningssensor for å avlese ladningsnivået av batteriet (22), hvor ladningsnivået bestemmer valget av den første og andre tilstand av turbinen (23) ved kontrollenheten (14).

12. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at turbinen (23) omfatter: et roterende element omfattende et flertall av blader (36) og i det minste en roterende magnet (37) og; et fast hus omfattende i det minste en stasjonær magnet (40) hvor rotasjonen av det roterende elementet forårsaker relativ bevegelse mellom den i det minste ene roterende magnet (37) og den i det minste ene stasjonære magnet (40), hvor den relative bevegelsen genererer det elektriske kraftuttaket.

13. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det videre omfatter i det minste én hastighetssensor for å avlese rotasjonshastigheten.

14. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det elektriske kraftuttaket har et AC-signal som har en frekvens hvilken er proporsjonal til rotasjonshastigheten til turbinen (23), og den i det minste ene hastighetssensor omfatter en frekvenssensor for å avlese frekvensen.

15. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at den videre omfatter: i det minste en spenningssensor for å avlese en spenning produsert av turbinen (23); en kontrollenhet for å bestemme en effektivitet av turbinen, hvor bestemmelsen av effektiviteten er basert på rotasjonshastigheten og spenningen.

16. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det videre omfatter en kontrollenhet for å bestemme en strømningsrate av fluidstrømningen gjennom turbinen (23), hvor bestemmelsen av strømningsraten er basert på rotasjonshastigheten avlest av hastighetssensoren.

17. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det videre omfatter i det minste en retningssensor for å avlese retningen av rotasjonen av turbinen (23).

IS. System i henhold til krav 12, karakterisert ved at det elektriske kraftuttaket har et trefase-AC-signal og den i det minste ene retningssensoren omfatter en fasesekvenssensor for å avlese sekvensen av i det minste to faser av det nevnte trefase-AC-signal et.

19. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter en lukket strømningssløyfe (32) i fluidforbindelse med fluidtilførselslinjen, hvor turbinen (23) er posisjonert i den lukkede strømningssløyfen.

20. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter i det minste en kontrollventil (38) for å regulere en strømning av fluid til turbinen (23).

21. System i henhold til krav 20, karakterisert ved at det i det minste en kontrollventil (38) omfatter i det minste en første posisjon i hvilken i det minste en del av fluidstrømningen gjennom fluidtilførselslinjen er rettet gjennom turbinen og en andre posisjon i hvilken fluidstrømningen gjennom fluidtilførselslinjen ledes forbi turbinen.

22. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det ytterligere omfatter en kommunikasjonsenhet (18) for kommunikasjon med en kontrollstasjon som befinner seg fjernt fra den undersjøiske installasjonen.

23. System i henhold til krav 22, karakterisert ved at kommunikasjonsenheten (18) omfatter i det minste en akustisk transmitter.

24. System i henhold til krav 22, karakterisert ved at kommunikasjonsenheten (18) omfatter i det minste en akustisk mottaker.

25. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at den andre installasjonen (3) omfatter en landbasert installasjon eller en strømningendeinstallasjon, eller en fast offshore-installasjon omfattende utstyr for å tilføre ytterligere trykk til fluidet som transporteres i fluidtil førselslinj en.

26. En fremgangsmåte for å tilføre energi til en undersjøisk installasjon (1) ved et fjerntliggende sted, hvilken undersjøiske installasjon (1) omfatter i det minste en elektrisk operert komponent (13), og en fluidtilførselslinje (5) for å tilføre et fluid fra en andre installasjon (3) til den undersjøiske installasjonen (1), hvilket fluid er injisert inn i en brønn eller et fluid produsert av en brønn ved den undersjøiske installasjonene (1), omfattende trinnene ved å: - tilveiebringe anordninger for å generere elektrisk kraft (30) omfattende en turbin (23) operativt forbundet til fluidtilførselslinjen (5), ved den undersj øiske install asj onene (1), - tilføre ytterligere kinetisk energi til tilførselsfluidet ved den andre installasjonen (3) ved å trykksette fluidet til et nivå større en det nødvendig for å injisere fluidet inn i brønnen eller fluidet produsert av en brønn ved den undersjøiske installasjonen, - transportere fluidet til den undersjøiske installasjon (1), og - trekke ut overskuddsenergien i fluidet i fluidtilførselslinje ved å operere turbinen (23) slik at man tilveiebringer elektrisk kraft til den i de minste ene komponenten.

27. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, karakterisert ved at fluidet i fluidtilførselslinjen (5) benyttes for vanninjeksjon.

28. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, karakterisert ved at fluidet i fluidtilførselslinjen (5) benyttes for kjemisk behandling.

29. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, karakterisert ved å rette i det minste en del av strømningen av tilførselsfluid gjennom turbinen (23) for derved å generere den elektriske energien.

30. Fremgangsmåte i henhold til krav 29, karakterisert ved at den ytterligere omfatter avlesning av rotasjonshastigheten av turbinen (23).

31. Fremgangsmåte i henhold til krav 29, karakterisert ved at den ytterligere omfatter avlesning av en spenning produsert av turbinen (23), og bestemmelse av en effektivitet av turbinen (23), hvor bestemmelsen av effektiviteten er basert på rotasjonshastigheten og spenningen.

32. Fremgangsmåte i henhold til krav 29, karakterisert ved at den ytterligere omfatter å bestemme en strømningsrate av fluidet som strømmer gjennom turbinen (23), hvor bestemmelsen av strømningsraten er basert på rotasjonshastigheten.

33. Fremgangsmåte i henhold til krav 29, karakterisert ved at den ytterligere omfatter avlesning av en retning av rotasjonen for turbinen (23).

34. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, .karakterisert ved at den ytterligere omfatter: forbindelse av en strupeventil til fluidtilførselslinjen; avlesning av et første trykk i fluidtilførselslinjen på en side av strupeventilen, og avlesning av et andre trykk i fluidtilførselslinjen på den andre siden av strupeventilen.

35. Fremgangsmåte i henhold til krav 34, karakterisert ved at den ytterligere omfatter bestemmelsen av en strømningsretning av fluidet som strømmer gjennom strupeventilen, hvor bestemmelsen av strømningsretningen er basert på det første og andre trykket.

36. Fremgangsmåte i henhold til krav 35, karakterisert ved at den ytterligere omfatter, forbindelsen av en hovedventil til fluidtilførselslinjen; kontrollering av hovedventilen i respons til strømningsretningen.

37. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, karakterisert ved at den ytterligere omfatter overføring av det elektriske kraftuttaket til i det minste en elektrisk kraftlagringsanordning (22).

38. Fremgangsmåte i henhold til krav 37, karakterisert ved at den ytterligere omfatter krafttilførsel til i det minste en elektrisk operert anordning ved den i det minste ene elektriske kraftlagringsanordningen (22).

39. Fremgangsmåte i henhold til krav 37, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: avlesning av et ladenivå av den i det minste ene elektriske kraftlagringsanordningen (22); og når ladenivået er under en første forhåndsbestemt verdi forårsake at turbinen (23) er i en første stilling hvori turbinen genererer elektrisk kraft.

40. Fremgangsmåte i henhold til krav 39, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: når ladenivået er over en andre forhåndsbestemt verdi forårsake at turbinen (23) er i en annen stilling hvori turbinen (23) ikke genererer elektrisk kraft.

41. Fremgangsmåte i henhold til krav 26, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: lokalisering av en kontrollstasjon fjerntliggende fra den undersjøiske installasjonen; å kommunisere akustisk mellom den undersjøiske installasjonen og kontrollstasjonen.