专利名称：海底井介入模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于从水面船舶或海洋平台在井内执行井介入操作的海底井介入模块。本发明还涉及一种海底井介入系统和一种海底井介入方法。
背景技术：
在采油期间，可能需要在井内执行维修作业或打开生产井。这种井作业称为井介入。将生产套管置于井内，该生产套管在其上端由井口封闭。井口可位于陆地上、石油海洋平台上或水下的海床上。当井口位于深水下的海床上时，井介入更加复杂，因为连接至井口是在水下获得的。
为了执行这种海底介入操作，已知的做法是借助多个远程操作的潜水器(vehicle) (ROV)将介入模块从水面船舶下降到井口结构上。介入工具在下潜入井中之前被放入润滑器中。为了将工具下降到井内和从井中升起并且向工具供电，介入工具在其顶部处连接至线缆，从绞盘经过润滑器供给该线缆。润滑器是装配在井口顶部的长的高压管道，使得工具能够被放入高压井内。润滑器的顶部包括高压油脂喷射区段和围绕线缆密封的密封元件。当工具被放入润滑器中时，润滑器在井口的阀被打开和工具下潜到井内之前被加压至井眼压力。为了围绕穿过润滑器的油脂喷射区段的线缆密封，将高压油脂泵入周围的环面中以实现压力密闭的动态密封，在操作期间根据需要通过注入更多的油脂维持该动态密封。油脂的轻微泄漏是正常的，添加新鲜的油脂使得能够将密封的一致性维持在有效水平。这样，在介入操作期间，油脂从油脂喷射区段泄漏到海中，这对于环境而言是不期望的。由于对环境的日益关注，需要一种更加环境友好的解决方案。
发明内容
本发明的一个方面是通过提供一种更加环境友好的改进的海底井介入模块至少部分地克服上述已知的海底介入操作解决方案的缺点。从以下描述变得显而易见的这一方面和优点是通过一种用于从水面船舶通过井口在井中执行井介入操作的海底井介入模块获得的，该海底井介入模块包括-支承结构，-管道组件，所述管道组件紧固在支承结构上并且具有两个相对端部、内径和腔室，在所述腔室中布置有介入工具，所述介入工具用于在连接至井口或布置在井口顶部上的防喷器时、在井口的至少一个阀被打开和所述工具下潜到井内之前将腔室加压至井眼压力，-连接部件，所述连接部件与管道组件的第一端相连接以提供至井口或防喷器的连接，和-具有外径并包括电力设备的无线介入工具。
其中，所述连接部件具有能够与井口或防喷器连接的敞开的第一端和提供从第一端到腔室的流体通道的通孔。连接部件是指用于提供至井口或防喷器的连接的任何类型的连接装置。在一个实施例中，无线介入工具的外径可以是管道组件的内径的至少50%，优选至少75%，更优选至少90%。在另一实施例中，管道组件的内径可小于连接部件的内径。在又一实施例中，管道组件的内径可小于井口和/或防喷器的内径。另外,连接部件可具有至少为10cm、优选至少15cm、更优选至少20cm的内高。此外，管道组件可具有至少为5米、优选至少8米、更优选至少10米的长度。 并且，工具的外径可小于43/4英寸或12cm。此外，管道组件可具有小于22cm、优选小于20cm并且更优选小于18cm的外径。在一个实施例中，管道组件的第二端可具有连接设备。在另一实施例中，连接设备可为不使用油脂的。在又一实施例中，连接设备可形成第二端的罩子或盖子。此外，连接设备可以是实心的。连接设备还可以是非流体连接装置或实心连接装置(solid connection)。另外，管道组件可具有接头，该接头包括-用于与介入工具接合以便为介入工具再充电和/或向介入工具和从介入工具传输数据和/或指令的第一端，和-用于连接到电源和/或通信设备的第二端。在一个实施例中，接头可布置在管道组件的第二端。并且，接头可以是具有面向管道组件内部的第一线圈设备和面向管道组件外部的第二线圈设备的感应接头。另外，接头可包括接靠站，所述接靠站用于与介入工具接合以便为介入工具再充电和/或向介入工具和从介入工具传输数据和/或指令。此外，接靠站可包括用于与介入工具中的相应连接器接合的湿连接器。另外，接靠站可布置在管道组件的第二端。根据本发明的海底井介入模块可进一步包括通信设备，并且管道组件的接靠站与所述通信设备连接。在一个实施例中，模块可进一步包括具有可生物降解流体的容器。所述容器可具有小于腔室容积的30%的容积。在另一实施例中，接头可以是具有面向管道组件内部的第一线圈设备和面向管道组件外部的第二线圈设备的感应接头。在一个实施例中，第一线圈设备可布置在介入工具的一个端部中。在另一实施例中，第二线圈设备可连接于线缆。在又一实施例中，接头可包括电连接装置。此外，电连接装置可以是电隔离的。另外，接头的第二端可包括用于可拆卸地连接至介入工具的装置。并且，介入工具可包括用于可拆卸地连接至接头的装置。
在一个实施例中，接头和介入工具之间的可拆卸连接装置可以是电连接装置。在另一实施例中，模块可进一步包括具有多个电池的外壳，使得介入工具能为管道组件内的电池充电。在又一实施例中，介入工具可包括用于将外壳中的电池更换为另一电池的替换设备。此外，连接设备可包括用于将该设备连接到管道组件的联轴节或联结螺纹套。另外，联轴节或联结螺纹套可包括至少一个密封装置，例如O型圈。在另一实施例中，电力设备可以是电池，例如可再充电电池。在又一实施例中，模块可进一步包括适于调节下潜的井介入模块的浮力的浮力系 统，和/或导航装置，和/或井操控组件。通过为介入模块提供浮力系统，可确保模块不会剧烈碰撞在海床或井口上并由此损坏其自身或其它元件。此外，介入模块更易于借助远程操作的潜水器(也称为R0V)操作。另外，海底井介入模块可具有顶部和底部，底部的重量高于顶部。此外，支承结构是具有外部形式并限定出容纳井操控组件和导航装置的内部空间的框架结构，井操控组件和导航装置两者均在所述外部形式内延伸。另外，导航装置可具有用于操纵水中的模块的至少一个推进单元。在一个实施例中，支承结构可以是具有对应于标准船运集装箱的尺寸的高度、长度和宽度的框架结构。在另一实施例中，模块可进一步包括用于控制井操控组件、导航装置、浮力系统和/或介入操作的控制系统。在又一实施例中，支承结构可以是具有外部形式并限定出容纳控制系统的内部空间的框架结构，控制系统在所述外部形式内延伸。此外，导航装置可包括至少一个用于夹持在另一结构周围以便将所述模块引导就位的导引臂。另外，导航装置可包括用于检测介入模块的位置的检测装置。另外，浮力系统可包括置换罐、用于控制罐的充填的控制装置、和用于在向模块提供浮力以补偿介入模块本身在水中的重量时从置换罐排出海水的膨胀装置。在一个实施例中，检测装置可包括至少一个图像记录装置。在另一实施例中，井操控组件可包括工具传送系统，该工具传送系统包括至少一个用于下潜到井内的工具、以及用于将所述工具通过井口下潜到井内的工具下潜装置、至少一个用于连接至井口的井口连接装置、以及井口阀控制装置，该井口阀控制装置用于至少操作第一井口阀以便允许工具通过井口连接装置进入井内。在又一实施例中，工具可包括至少一个由电力设备提供动力、用于在井内向前驱动所述工具的驱动单元。此外，井操控组件可包括用于移除井口上的保护罩帽的罩帽移除装置。另夕卜，电力设备可以是燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器(producer)等供电装置。另外，模块可进一步包括布置在管道组件外部、用于为将模块连接至井口或另一模块提供动力的供电系统，例如来自水面船舶的电缆、蓄电池、燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器等供电装置。在另一实施例中，供电系统可具有一定量的储备电力，该储备电力的量足够大以便控制系统将井口连接装置与井口分离、将用于供电的电缆与供电系统分离、将线缆与介入模块分离，或将附接装置与井口结构分离。在又一实施例中，支承结构可至少部分地由中空构型制成。此外，该中空构型可包封一包括气体的封闭件。本发明还涉及一种海底井介入系统，包括-井口和/或防喷器，以及-至少一个海底介入模块，
其中海底介入模块的连接部件可直接连接于井口或防喷器。海底井介入系统还可包括至少一个用于将介入模块导航到井口或另一海底模块上的远程操作的潜水器。此外，井口可包括具有外径的起重机插塞，并且管道组件的内径可小于起重机插塞的外径。另外，连接部件可具有大于起重机插塞的高度的内高。本发明还涉及一种海底井介入系统，包括-至少一个如上所述的海底介入模块，以及-至少一个用于将介入模块导航到井口或另一海底模块上的远程操作的潜水器。海底井介入系统可进一步包括至少一个用于远程控制介入模块的一部分或全部功能的远程控制装置，所述远程控制装置定位在水面上方。 通信设备可经由线缆连接至水面并且可经由具有卫星装置的浮子与远程站通信。海底井介入系统还可包括至少一个自主通信中继设备，其用于接收来自介入模块的信号、将所述信号转换成无线电传播信号并将所述无线电传播信号传输至远程控制装置，并且反之，接收和转换来自远程控制装置的信号并将所转换的信号传输至介入模块。此外，系统可包括介入模块或介入模块的零件可由金属如钢或铝制成，或者由重量轻于钢的轻质材料如聚合物或复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强的聚合物制成。另外，本发明涉及一种借助于根据前述权利要求中的任一项所述的介入模块执行介入操作的海底井介入方法，包括以下步骤-将水面船舶或海洋平台定位在海底井口附近，-将海底井介入模块连接至船舶上的线缆，-使海底井介入模块进入水中，-将模块操控到井口或防喷器上，-将模块连接至井口，-使管道组件内的工具达到井眼压力，-打开阀，以及-借助于介入工具进入井中以执行操作，-对管道组件中的电池再充电，并且其中所述将模块连接至井口或防喷器的步骤是将模块的连接部件直接连接至井口或防喷器。
所述方法还可包括以下步骤-更换管道组件中的电池，和/或-通过接头发送和/或接收信息。所述方法还可包括以下步骤中的至少一个-对管道组件中的电池再充电，-控制介入模块上的导航装置，-控制所述控制系统以执行一个或多个介入操作，-在执行操作之后将模块从井口分开，
-通过拉动线缆将模块回收到水面船舶上，-将第二海底井介入模块连接到船舶上的线缆，以及-在回收前一海底介入模块之前，通过将模块推动越过船舶的侧部或端部而将第二海底井介入模块从水面船舶倾卸到水中。
下面参考附图详细说明本发明，附图中图I是介入操作的示意图，图2是被接靠在井口上的根据本发明的介入模块的示意图，图3是根据本发明的介入模块的示意图，图4和图5是根据本发明的用于安装到模块上的浮力系统的两个实施例的示意图，图6A是介入模块的一个实施例的示意图，其中井口的罩帽被移除，图6B是用于直接安装到井口上的介入模块的另一实施例的示意图，图6C是用于直接安装到布置在井口上的防喷器上的介入模块的另一实施例的示意图，图7是介入模块的另一个实施例的示意图，图8示出了水下油井介入系统的一个实施例，图9示出了介入系统的另一个实施例，图10示出了介入系统的又一个实施例，图11示出具有端部敞开的连接部件的根据本发明的管道组件的一个实施例的截面图，图12示出具有端部敞开的连接部件的管道组件的另一实施例的截面图，以及图13示出具有端部敞开的连接部件的管道组件的又一实施例的截面图。附图仅为示意性的并基于说明的目的示出。
具体实施例方式本发明涉及一种用于在如图I所示的海底油井101上执行介入操作的海底井介入模块100。海底井介入模块100例如仅通过将模块100从船舶102的后部的甲板或越过船舶102的一侧103推入海中而从水面船舶102入水。由于介入模块的入水可以仅通过将模块100倾卸到水中而完成，因而可通过更多种类的船舶来实现入水，包括更常见的船舶。因此，介入模块100也可通过例如起重机(未示出)被投入水104中。另外，介入模块可以直接从海洋平台或者通过直升机被投入水104中。在介入模块100已入水之后，介入模块100如图2所示借助导航装置105或借助远程操纵潜水器(也称为R0V)航行至井101以执行介入。在另一个实施例中，导航装置105包括允许例如位于水面船舶102上的操作人员经由控制系统126远程控制介入模块100的通信装置。介入模块可通过使用导线入水，并且当模块接靠在井口或防喷器上时，导线断开使得船舶自由漂浮，这在暴风雨天气中尤其有用。用于导航装置105的远程控制信号和为介入模块100提供的电力可通过从电缆绞盘107绕出的诸如缆线或细缆的电缆106提供。此电缆随后也可断开从而以无线方式或通过ROV或类似装置执行通信。 如图2和图7所示，位于海床上的井口 120是井101的上端并包括两个井口阀121和用于生产管线(未示出)的连接和用于各种永久和临时连接的端子。阀121通常可被机械地操作，或被液压地操作，或两者兼有。在其顶部，井口 120具有在继续进行其它介入任务之前必须被去除的保护罩帽123，如图6A所示。通常，海底井口 120被承载结构112包围，以在外部单元连接时提供用于井口 120本身的卸载。承载结构112可配设有两个、三个或四个附接支柱113。介入模块100的附接装置111必须适合于待在其上接靠介入模块的井口 120上的特定类型的承载结构112。附接装置111可仅通过重力将介入模块支承在承载结构112上，或者附接装置111可包括一个或多个锁止装置以在已进行接靠之后保持模块100在井口 120上就位。通过远程控制执行介入模块100的接靠。使介入模块100航行至井口 120，被旋转以与井口结构对齐，并且被操纵以接靠在井口结构上，如图2所示。这可通过ROV (未示出)或者具有推进装置并设置在海底介入模块100中的导航装置105完成。根据本发明的海底井介入模块100、160由支承结构110和紧固在该结构上的管道组件170形成。管道组件170、178具有长形本体，该本体具有两个相对端部和一腔室182，在该腔室中布置有介入工具171，其用于在井口 120的至少一个阀121被打开和工具171下潜到井内之前将腔室加压至井眼压力。管道组件170、178的第一端202经由连接部件连接至井口 120。模块100还包括无线介入工具，当模块100下潜入水时该无线介入工具以无线方式连接并布置在管道组件170、178中。介入工具171包括电力设备196，诸如电池组，并且因此不通过直接连接于工具一端的线缆提供动力。因而，管道组件170(也称为润滑器(lubricator))不具有油脂连接头或油脂注射系统，原因在于线缆不再必须能够移动穿过该润滑器。海底井介入模块如图6A和6B所示直接通过井口或者如图6C所示通过布置在井口 120上的防喷器236在井101中执行井介入操作。管道组件170、178通过连接部件122连接至井口或防喷器，连接部件122与管道组件的第一端202连接以提供至井口 120或防喷器236的连接。管道组件170、178具有腔室182，介入工具171布置在腔室182中。当连接至井口 120或防喷器236上时，所布置的腔室在井口 120的至少一个阀121被打开和工具下潜到井内之前被加压至井眼压力。如图6A、11-13所示，连接部件122具有能够与井口120或防喷器236连接的敞开的第一端237和提供从第一端到腔室的流体通道的通孔240。经过连接部件流入管道组件的流体用箭头指示。
连接部件在没有任何中间连接的情况下直接连接在井口 120或防喷器236上，腔室在下降时充满海水。这导致非常简单的结构，并且当连接到井口 120或防喷器236上时，腔室易于被加压到井压力。当介入工具返回管道组件中时，压力下降，并且在分离管道组件之前将管道组件中的井流体替换为更加能够生物降解的非污染流体。如图11-13所示，管道组件170、178具有内径Dp，无线介入工具171具有外径Dt，外径Dt是管道组件的内径的至少50%，优选至少75%，更优选至少90%。通过使介入工具的外径为管道组件的内径的至少75%，在加压时排出的流体的量或者在分离管道组件之前更换的流体的量显著小于现有技术润滑器。为了排出污染的井流体，模块包括可生物降解的流体如乙二醇或其他非污染流体的容器239。通过使管道组件具有比已知润滑器显著小的内径，容器也可显著小于已知的容器。具有较小的容器减小了模块的总体尺寸和模块的重量。容器的体积小于腔室体积的30%。为了拉动作为密封件布置在井口中的起重机插塞(crone plug)，现有技术润滑器的直径稍微大于起重机插塞的直径。润滑器中的工具拉动第一起重机插塞并且分离润滑 器，将用于拉动第二起重机插塞的第二工具连接至井口。如图11-13所示，管道组件的内径小于连接部件的内径Dc。连接部件的内径对应于起重机插塞的外径，并且起重机插塞被保持在连接部件中而不是润滑器中。因此，润滑器或管道组件可通过具有比起重机插塞的外径小的内径而制造得较小。管道组件的内径因此可小于井口和/或防喷器的内径。在图11-13中，连接部件的尺寸使得当连接到井口或防喷器上时，被介入工具拉动的起重机插塞被连接部件包封。为了使连接部件具有这种较大直径，连接部件的壁厚(Wc)大于管道组件的壁厚(Wp)。由于起重机插塞被保持在连接部件中而不是管道组件中，管道组件的壁厚可因此相对于现有技术润滑器减小。另外，连接部件122的内部高度大于起重机插塞的高度。因此，连接部件的内部高度为至少IOcm,优选为至少15cm,更优选为至少20cm。海底介入模块100在海洋之上这样做准备打开管道组件170，并且借助于特定的操作工具诸如用于拉动布置在井口 120或防喷器236中的第一和第二起重机插塞的连接器插入介入工具171。随后，将特定的操作工具安装在驱动单元195诸如井下牵引车和介入工具171上。随后，管道组件170再次闭合，模块准备好下潜到海中。管道组件170具有使其能够打开和闭合的连接设备184。连接设备184是无油脂型的，意味着其不具有用于围绕线缆流体密封该设备的单元。如图11所示，管道组件具有接头183，用以向介入工具传输电力以便为介入工具再充电或者向和/或从介入工具传输数据。接头183包括用于提供到电源185和/或通信设备186的连接的第一端188和用于接合介入工具以便向介入工具再充电和/或与介入工具通信的第二端189。第二端可包括湿连接器238。接头183是具有面向管道组件170内部的第一线圈设备210和面向管道组件外部的第二线圈设备211的感应接头。如可看到的，第二线圈设备211连接于线缆185并由该线缆供电。线缆106也可在介入模块上的另一位置处连接，其中线缆在框架结构内延伸到管道组件。线缆还可包括不同于电缆的可分离的通信电缆。线圈围绕贯穿连接设备184的一个芯部。这样，电流从管道组件170的外部传递到组件的内部，而不需要线缆穿过盖子的顶部并且因此不需要油脂喷射系统。
介入工具171具有位于介入工具的面对接头183的一端的内部电力设备196，使得电力设备能够通过接合接头的第一端189而被再充电。介入工具171具有用于可拆卸地接合接头183的装置，例如湿连接器，以便被再充电，并且同样地，接头的第二端具有用于可拆卸地连接至工具的装置，例如与湿连接器匹配的连接器。如上所述，接头183可为穿过管道组件170传输电流的感应接头。在图12中，第一线圈设备210布置在介入工具171的一端，并且当工具需要再充电时，第一线圈设备接靠管道组件170的第二端203的内壁以便传输电流并由此为工具171中的电力设备充电。这样，工具能可拆卸地连接到接头183。第二线圈设备211直接连接到供电线路以便为工具171供电。这也在操作期间或两个操作之间发生。在图11中，连接设备184借助于螺纹连接封闭管道组件170，在图12中，连接设备184形成罩子或盖子。连接设备184还可形成为管道组件的一部分并且因此不可附接地与之相连接。罩子或盖子借助于螺纹连接或卡扣锁定件在管道组件170的外侧紧固到管道组件170上，在卡扣锁定件中管道组件的突起接合盖子中的凹槽。为了便于闭合管道组件170，连接设备184可包括联轴节或联结螺纹套以在不扭曲线缆的情况下将该设备连接到 管道组件。连接设备184是不使用油脂而是使用密封装置212例如O形圈的紧密连接。连接设备184还可包括电隔离以避免系统短路的电连接，例如湿连接器238。接头183和介入工具171之间的可拆卸连接可为电连接，工具和接头的可拆卸连接因此是电插头方案。在图6B中，接头包括接靠站127，用于与介入工具接合以便为介入工具再充电和/或向介入工具和从介入工具传输数据和/或指令。接靠站127可包括用于与介入工具中的相应连接器接合的湿连接器238。接靠站127布置在管道组件的最远离井口 120的第二端。海底介入模块100可包括通信设备186，管道组件170、178的接靠站127与通信设备连接以便向和从介入工具传输数据。该数据然后被通信设备从远程控制中心接收或传输到远程控制中心。工具设备中的电源可以是电池，例如可再充电的电池。在图13中，管道组件170包括具有多个电池的外壳197，使得介入工具171能为管道组件内的电池充电，而不必打开管道组件并取出介入工具。为此，介入工具171包括用于以另一电池替换外壳中的电池的
替换设备。线缆还可以仅用于或部分地用于从工具171向表面(surface)传输数据，或者接头183在其外侧可具有存储器或通信设备186，如图13所示。存储器或通信设备186还可通过ROV或另一模块以预定的时间间隔清空。为了获得良好的竖向机动性，导航装置105设有适于调节下潜的井介入模块100的浮力的浮力系统117。浮力系统如图4和5所示。通过控制介入模块100在下潜时的浮力，可使模块在水104中下沉(负浮力)、维持一给定深度(零浮力)或上升(正浮力)。通过利用该原理来提供更好的竖向机动性，甚至可以如利用此类布置结构的潜艇所示例的那样有效地控制重物。在一个实施例中，可使用适当定向的竖向推进单元116执行微小的竖向位置调节。为井介入模块100提供显著增大的浮力所产生的附加效果是降低了模块100的重量施加在井口 120上的合力。优选地，介入模块100应被保持成接近零浮力，即为“失重的”。这降低了井口 120破裂的风险，否则这种破裂将导致巨大的环境灾害。为了辅助这种接靠程序，导航装置105包括用于检测介入模块100在水104中的位置的检测装置109，如图2所示。设置能够在水104中独立地移动的介入模块100减少了对水面船舶102的要求，这是因为船舶102仅需将介入模块投入水104中，此后模块100能够根据其本身的命令降入水中，从而避免了需要昂贵的特别装备的水面船舶，例如，带有大的升沉补偿起重机系统(未示出)的水面船舶。此外，海底介入模块100的下部重于海底介入模块的上部。这样的目的是确保模块在下潜时不会倒置，从而使模块100的底部而不是顶部与井口结构或待在其上安装模块100的另一模块面对。介入模块100可通过组合的电力/控制电缆106、185、通过独立的电缆或甚至无线地进行远程控制。由于介入模块100包括能够使模块在水104中自由移动的导航装置105， 所以不需要导引线或其它外部引导机构来使模块接靠到井口 120上。在某些情况下，需要断开水面船舶102与模块100之间的线缆连接件108、118，并且在这些情况下，本发明的模块仍然能够继续当前的操作。此外，不需要投入其它潜水器例如ROV来控制介入模块100。这使操作更简单，水面船舶102具有更大的灵活度，例如，从接近的物体等移开。但是，ROV可用于使模块接靠在井口 120或防喷器236上。导航装置105可具有推进单元115、116、检测装置109和/或浮力系统117。如果模块100的导航装置105具有推进单元115、116和检测装置109两者，则推进单元能够将模块移动到另一模块上或海床上的井口结构上的适当位置。如果模块100仅具有浮力系统117，则仍需要远程操作的潜水器来将模块移动到位，但浮力系统使导航更容易。此外，当模块100的底部重于顶部时，确保了模块总是具有正确的定向。根据本发明的海底井介入模块100、160由可在其上安装介入模块的各种子系统的支承结构110形成。子系统可以是如图2所示的推进单元或浮力系统117。支承结构110包括用于以可去除的方式将支承结构110附接到井口 120的结构112上或井口的其它结构上的附接装置111。因此，附接装置111允许介入模块100被接靠在井口 120或防喷器236的顶部上。第一模块用于去除井口 120的罩帽，而第二模块用于在介入操作中将工具投入井101内。当一个介入模块被接靠在井口 120或防喷器236上例如用于拉动起重机插塞时，另一个介入模块安装有另一工具，以用于在井内执行第二操作，也称为第二轮操作。当用于第二轮操作的模块可用时，将该模块倾卸到水104中并在井口 120附近等待以准备在“第一轮操作”完成时安装。这样，可在执行前一轮操作的同时完成用于下一轮操作的工具的安装。因此，每个模块可安装有能够减轻模块在井口120上的重量的一个专用工具，因为模块不具有带有大量工具和用于操纵这些工具的装置的大型工具传送系统170，而是仅具有一个简单的管道组件170。这样，避免了用于更换工具的中间投入导管，避免了污染海水的风险——因为这种导管将难以清空和用其它可生物降解的流体置换。此外，具有中间投入导管的这种模块的容器会非常大，因而减小了模块的重量。此外，不存在工具被卡在工具传送系统内的风险。另外，它们可以更特别地为特定用途设计，因为可针对该工具构建其它辅助装置，而这不可能在工具传送系统中实现。如图2所示，介入模块100包括井操控组件125，该井操控组件125能够使介入模块执行完成介入作业所需的各种井介入操作。此外，介入模块100具有导航装置105，该导航装置105带有用于使模块在水104中侧向移动的推进单元115、116。但是，推进单元115、116也可被设计成使模块100上下移动。另外，介入模块100具有用于控制井操控组件125、导航装置105和介入操作(例如在井101内操作的工具171)的控制系统126。支承结构110制成允许水通过该结构，从而使任何水流可作用在其上的截面积最小，如图2-7所示。因此，可通过减小模块的阻力而使模块100能够更快地在水中航行。此夕卜，开口结构使得能够更容易地接近介入模块100的构件。
在另一个实施例中，支承结构110至少部分地构造为管架结构，因为这种结构使重量最轻。因此，支承结构110可由中空构型例如管设计而成，以使结构的重量更轻。这种重量轻的介入模块使得当模块被接靠在井口 120上时井口 120上的重量减轻，从而降低损坏井口的风险。此外，重量轻的介入模块能够使模块100更易于操纵，例如在登上水面船舶102 时。支承结构110可由金属例如钢或铝制成，或者由轻于钢的轻质材料如复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。支承结构110的某些零件也可由聚合材料制成。介入模块100的其它零件也可由金属例如钢或铝制成，或者由轻于钢的轻质材料如聚合物或复合材料、例如玻璃纤维或碳纤维增强型聚合物制成。介入模块100的这些其它零件可为介入模块100的附接装置111 ;井操控组件125 ;导航装置105 ;推进单元115、116 ;控制系统126 ;检测装置109 ;展开本地线缆的绞盘；工具交换组件；工具传送系统；蓄能系统119等装置的至少一部分。支承结构110也可由封装了气体的中空构型制成，从而当潜入海中时进一步为模块100提供浮力。图3示出了介入模块的一个实施例的支承结构110如何将导航装置105、控制系统126和井操控组件125完全容纳在框架的外部形式内。因此，支承结构110保护导航装置105、控制系统126和井操控组件125免于与例如海床或水面船舶102上的物体发生碰撞。因此，介入模块100能够承受在其下降时撞击海床，并例如当等待被接靠在井口 120上时直接置于海床上。为了执行井介入，井口 120的罩帽必须被去除，随后如图7所示将工具投入井101内。因此，接靠在井口 120上的第一模块150是其中井操控组件125包括用于去除保护罩帽123的装置的模块，如图6A所示。在如图6B所示的下一介入步骤中，包括用于将工具171配制在井101内的装置的第二介入模块160被接靠在第一模块150上，如图7所示。在图6C中，防喷器236布置在井口 120的顶部。检测装置109使用超声波、声学装置、电磁装置、光学装置或它们的组合来检测模块100的位置并将模块导航到井口 120或另一模块上。当使用导航技术的组合时，检测装置109可检测模块100的深度、位置和定向。可使用超声波来测量介入模块100下方的水深并确定竖向位置，同时，可使用陀螺仪来确定介入模块的定向。可使用一个或多个加速计来确定在水平面中相对于已知初始位置的运动。这种系统可提供关于介入模块100的完整位置信息。在另一个实施例中，检测装置109包括至少一个图像记录装置，例如摄像机。此夕卜，该图像记录装置包括用于经由控制系统126将图像信号传送至水面船舶102的装置。摄像机优选被定向成在接靠程序期间显示介入模块100的附接装置111及井口 120。这使得操作人员能够例如在模块被接靠在井口 120上时通过可视图像引导介入模块100。如图2所示，图像记录装置可被安装在介入模块100的支承结构110上的固定位置处，或被安装在可由操作人员远程控制的转向座上。对于本领域的技术人员来说显而易见的是，该可视图像系统可包括任何数量的适当光源，以照亮可视图像系统的光路内的物体。在另一个实施例中，图像记录装置还包括用于分析所记录的图像信号的装置，从而例如能够使自主导航装置系统通过可视图像操控介入模块100。为了实现介入模块100在下潜时的更好的机动性，必须能够维持该介入模块100在水104中的竖向位置，同时能够在水平面中移动，并能围绕竖直轴线114旋转，从而允许 附接装置111与井口 120的承载结构112的附接支柱113对准以便进行接靠。水平机动性及旋转可由一个或多个推进单元115、116例如推力器、喷水式推进器或任何其它适当的水下推进装置提供。在一个实施例中，推进单元115、116被安装到介入模块100的固定位置上，即，每个推进单元115、116相对于介入模块100具有固定的推力方向。在本实施例中，使用至少三个推进单元115、116来提供模块100的可移动性。在另一个实施例中，来自一个或多个推进单元115、116的推力方向可通过旋转推进单元本身或通过例如利用方向舵装置等引导水流来控制。这种设置可以通过与所述单元被固定在介入模块100上的情况所需数量相比较少的推进单元115、116来实现全部机动性。介入模块100可远程操作、通过自主系统操作或两者结合。例如，在一个实施例中，模块的接靠由远程操作人员执行，但自主系统在模块100被附接至井口 120时保持例如零浮力。浮力系统117还可提供用于考虑到由于例如温度或盐度而引起的周围海水密度的变化而调节浮力的装置。图4和图5示出了浮力系统117的两个不同的实施例。一般而言，浮力系统117必须能够置换/排放与介入模块100本身的总重量对应的质量的水。例如，如果模块重30吨，则被置换的水的质量必须为30吨，大致对应于30立方米的体积，以确保零浮力。但是，并不需要将全部体积充填水以使模块100下降，因为这样会使模块很迅速地下沉。因此，浮力系统117的一部分可布置成永久向模块提供浮力，而浮力系统117的另一部分可置换一定体积以将浮力从负浮力调节为正浮力。浮力系统117的永久浮力可由充填有气体或适当的低密度材料如微球组合泡沫的置换罐130的密封隔室提供。最小浮力将取决于模块100下降时所受的阻力。类似地，可获得的最大浮力应选择为使模块100能够以合理的高速度上升以允许方便的操作，但该速度不高于模块100的安全航行所规定的速度。图4示出了包括可被充填海水或气体例如空气的置换罐130的浮力系统117。为了增加模块100的浮力，将气体导入罐130内，从而置换海水。为了降低浮力，通过控制装置131将气体从罐130导出，从而使海水进入。用于控制对罐充填海水的控制装置131可仅为一个或多个使罐130内的气体逸出的远程操作阀。该罐可具有开口底部，或其可完全封装内容物。在开口罐的情况下，当气体逸出时水将自动充满罐130，但在封闭罐的情况下，需要进口阀来允许水进入罐130。图5示出了一浮力系统117，该浮力系统117包括多个可由膨胀装置132充胀的可充胀装置140。可以设想任何数量的可充胀装置140，例如，一个、两个、三个、四个、五个或更多。可充胀装置140可为气球、气密囊袋等形式，并且例如当介入模块100在介入程序之后要上升到海面时可被充胀以增加浮力。膨胀装置132可包括压缩气体，例如空气、氦气、氮气、氩气等。或者，可充胀装置140的充胀所需的气体通过化学反应产生，类似于用于汽车中的气囊的充胀的系统。可充胀装置140必须由足够牢固以承受在期望的操作深度处存在的水压的材料制成。此类材料可为使用芳族聚酰胺或碳纤维增强型聚合物材料、金属或任何其它适合的增强材料。如图5所示的浮力系统117可以可选地包括用于部分或完全从可充胀装置440释放气体或甚至用于释放整个可充胀装置140本身的装置。在一个实施例中，介入模块100、160具有平行于井101的纵向长度的纵向轴线，并且所述模块围绕其纵向轴线重量对称。这种对称的重量分布确保了介入模块100在被接靠到井口上时不会扭转井口 120和相关的井口结构。
在另一个实施例中，浮力系统117适于确保浮力作用于其上的浮力中心与介入模块100的质心位于相同的纵向轴线上，并且浮力中心位于质心上方。本实施例确保了介入模块100的方向稳定性。如图2所示，介入模块100、160包括定位在模块上的供电系统119。供电系统119可呈连接至水面船舶102的电缆106的形式或呈蓄电池、燃料电池、柴油电流产生器、交流发电机、发生器等本地供电装置的形式。在一个实施例中，供电系统119对井操控组件125和/或使用液压、加压气体、电等能量的模块的其它装置供电。通过向介入模块100提供本地供电装置或储备电力，介入模块能够从井口 120或另一模块自行释放，并且如果需要的话，能够提升井101内的工具。这至少使得介入模块100能够在出现损坏或其它紧急情况的情况下自行浮上水面。在另一个实施例中，本地供电装置允许介入模块100在无外部电源的情况下独立地执行部分介入程序。在某些实施例中，供电系统119包括用于储存所产生的能量的蓄能系统。该蓄能系统可包括机械储存装置，其可为张紧系统、气动储存装置、液压储存装置或任何其它适当的机械储存装置中的任何类型。此外，介入模块100的供电系统119可由用于从水面上方向介入模块供电的至少一条电缆106供电。电缆106通过连接件108以可分离的方式连接至介入模块100，所述连接件108能够使电缆在水面船舶102需要移动的情况下容易地与介入模块分离。这种情况在图6中示出，其中电缆106刚好分离。电缆106可适合为介入模块100供应来自水面船舶102的电力并且例如可作为缆线(umbilical)或细缆(tether)提供。与水面船舶102通信使得介入模块100能够被远程操作并且将各种测量和状态数据传回船舶。介入模块100可有线地或无线地与水面船舶102或与下潜的或水面上的其它单元通信。通信导线可以是作为单独的电缆或作为电缆内的单独的线提供的专用通信线，或电力传输导线连接，例如电力电缆。在另一个实施例中，如图8和图9所示，介入模块100包括无线通信装置，例如无线电频率通信、声学数据传输、光链路或任何其它适当的无线水下通信装置。通信可使用指定的接受器直接进行，或通过代理、即中间发送器和接收器单元例如中继设备190进行。通信装置可实现双向或单向通信，这种通信从介入模块100传送诸如在接靠程序期间的视频反馈、位置、当前深度读数、子系统的状态或例如来自井101内的其它测量数据之类的数据。对介入模块100的通信例如可为对返回数据、操控操作、用于井操控组件的控制数据即控制实际介入过程本身等的请求。在一个实施例中，控制系统126包括有线和无线通信装置两者，例如，使得可通过导线传输高带宽要求的视频反馈，直到介入模块100被接靠在井口 120上为止。当模块已被接靠时，可借助中继设备190无线地执行较低带宽要求的通信，例如在介入本身期间所
需的通信。如果例如与电力电缆结合的通信导线从介入模块100被释放，则在任何表面或下潜的船舶与介入模块之间没有物理连接，因为介入模块仍可通过无线连接180、191控制。因此，在一个实施例中，控制系统126包括用于使向系统供电的电缆、用于将介入模块100连接至船舶102的线缆或附接装置111分离的分离装置108。继分离之后，介入模块100继续依靠其自身的电源工作。当电缆已从介入模块100被释放并在水面船舶102上被回收时， 船舶可自由航行离开其位置，例如，以避免来自浮动障碍物如冰山、船只等的危险。为了将井操控组件125连接至井口 120，该组件还包括至少一个井口连接装置173和用于至少操作第一井口阀121的井口阀控制装置174，以使工具通过井口连接装置173进入井101内。井口通常具有机械地或液压地操作的阀。因此，由介入模块控制系统126控制的井口阀控制装置174包括用于操作阀控制装置如机械臂或液压接头的装置，以及用于将所需的机械或液压力传送至阀控制装置的系统。在井101的一部分未大致竖直的情况下，可使用井下牵引车作为驱动单元来将工具一直驱动到井内的适当位置。井下牵引车是能够在井下推动或拉动工具的任何种类的驱动工具，例如Well Tractor .支承结构110是具有对应于标准船运集装箱的尺寸的高度、长度和宽度的框架结构。船运集装箱可具有不同尺寸，例如美国军队使用的8英尺(2. 438m)立方体(2. 44mX 2. 44mX 2. 44m)单元,或后来的标准化集装箱,其具有更长的长度,例如10英尺(3. 05m)、20 英尺(6. 10m)、40 英尺(12. 19m)、48 英尺(14. 63m)和 53 英尺(16. 15m)。欧洲和澳洲的集装箱可稍宽，例如宽2英寸(50. 8mm)。在又一个实施例中，供电系统119具有一定量的储备电力，该储备电力的量足够大以便控制系统126将井口连接装置173与井口 120分离、将用于供电的电缆与供电系统119分离、将线缆与模块分离，和/或将附接装置111与井口结构分离。这样，即使例如由于水面船舶102遇到风险而需要使缆索分离，介入模块100也可重新浮上水面。在一个实施例中，可通过使介入模块100配设有能够实现所需操作的适当数量的电池来提供所需的储备电力。除带有工具的构型外，常见的介入操作需要井操控组件125的至少一个附加构型。如所述的，该附加构型可为罩帽去除组件151或第一和第二起重机插塞拉动工具。这种罩帽去除装置134可适于根据井口 120和/或保护罩帽123的设计来拉动或旋松井101的保护罩帽123。此外，罩帽去除装置134可适于使罩帽123振动以松动可能已经沉积在罩帽上的碎屑和沉淀物。第一起重机插塞拉动工具是与用于连接至起重机插塞的连接器相连接的介入工具，该介入工具拉动被保持在连接部件中的第一插塞。然后，第二模块接靠在井口上，并且利用类似的或同一介入工具拉动第二插塞。通过使用数个介入工具，第二模块可在井口的附近等待，直至第一轮操作结束并且第一模块被分离。如图9所示，海底井介入系统100的某些实施例包括至少一个自主通信中继设备190，其用于从介入模块100、160无线接收水中传播信号、将所述信号从模块100转换为无线电传播信号191并且将所述无线电传播信号传输至远程控制装置192，并且反之亦然，接收和转换来自远程控制装置的信号并且将所转换的信号传输至介入模块100。在一个实施例中，自主通信中继设备190被设计为浮子并具有悬挂在下方的弹性通信电缆194、199。通信中继设备190可为小船、小艇、浮子或任何其它适当的漂浮结构。优选地，中继设备190包括导航装置105，该导航装置105能够使中继设备190从水面船舶102被远程控制，例如，以维持特定位置。而且，在某些实施例中，中继设备190包括用于检测其当前位置的装置，例如用于全球定位系统(GPS)的接收器193。在图8中，弹性通信电缆194、199悬挂在船舶102下方，其中电缆的端部具有用于与第一模块100和第二模块160通信的装置。 往返介入模块100的无线电传播通信在水下通信装置与水面上方通信装置如从图9所见的天线192之间中继。水下通信装置可为连接至介入模块100(参见图10)的导线，或者其可以是例如利用无线电频率信号或光学的或声学信号进行无线水下通信的装置。如果使用无线通信，则通信中继设备190可适于将水下通信装置下降到深水处，例如，到达水深的10-100%、或25-75%或甚至40-60%的深度。这限制了所需的水下无线传输距离，因为需要避免电磁辐射在海水中的过大传输损失。无线电传播通信可通过水面船舶102或例如远程操作中心而发生。图10示出了一实施例，其中中继设备190的水下通信装置是连接至介入模块100并且可在介入模块下降时从中继设备190拉出的通信导线199。中继设备190可设有用于绕出(spool out)导线199的装置，或者所述导线可仅在模块下降时由于介入模块100的重量而被从卷轴拉出。导线199可通过电子机械装置例如绞盘或通过纯机械装置例如张紧系统提升。利用了根据本发明的介入模块的海底井介入因此包括以下步骤将水面船舶102定位在海底井口 120附近，将海底井介入模块100连接至船舶上的线缆，通过推动海底井介入模块100越过船舶的边缘而将该模块从水面船舶102倾卸到海中，控制介入模块100上的导航装置105，将模块100操控到井口 120上，将模块100连接在井口 120上，控制控制系统126以执行一个或多个介入操作，在执行所述操作之后将模块100与井口 120分离，以及通过拉拽线缆而将模块100回收到水面船舶102上。水面船舶102不需要被精确地定位在井口 120上方，因为模块100独立地航行并且不从所述船舶悬挂。此外，由于模块100可仅被推动越过水面船舶102的一侧103，因此将介入模块配置到水中的通常关键的现有技术程序得以明显简化。这使得介入模块100能够在否则不能够进行介入操作的不利条件下进行配置。而且，由于模块100是远程操作的，所以不需要配置另外的潜水器，例如R0V，从而进一步简化了介入操作。在根据本发明的介入方法的某些实施例中，在第一模块之后或与第一模块同时顺次地倾卸一个或多个另外的海底井介入模块。当第一介入模块执行其指定操作时，可在水面船舶102上准备下一介入模块并将其投入海中以朝井口 120下降。当第一介入模块已执行其操作后，第一介入模块可通过其自身的装置返回水面而第二介入模块在井口 120附近等待被接靠在井口上。与需要通过起重机例如经由一组导引线将多个介入模块下降到井口 上的情形(在该情况下，需要更多的时间来执行介入)相比，通过提供等待的第二介入模块可以实现从一个介入模块到下一介入模块的快速变换。
权利要求
1.一种用于从水面船舶(102 )通过井口在井(101)中执行井介入操作的海底井介入模块(100)，包括 -支承结构(110)， -管道组件(170，178)，所述管道组件紧固在所述支承结构上并且具有两个相对端部、内径(Dp)和腔室(182)，在所述腔室中布置有介入工具(171 )，所述介入工具用于在连接至井口( 120 )或布置在井口顶部上的防喷器(236 )时、在井口( 120 )的至少一个阀(121)被打开和所述介入工具下潜到井内之前将所述腔室加压至井眼压力， -连接部件(122 )，所述连接部件与管道组件的第一端(202 )相连接以提供至井口的连接， -无线介入工具(171 )，所述无线介入工具具有外径(Dt)并包括电力设备(196)， 其中，所述连接部件具有能够与井口或防喷器连接的敞开的第一端(237)和提供从所述第一端到所述腔室的流体通道的通孔(240)。
2.根据权利要求I所述的海底井介入模块，其中所述无线介入工具的外径是所述管道组件的内径的至少50%，优选至少75%，更优选至少90%。
3.根据权利要求I或2所述的海底井介入模块，其中所述管道组件的内径小于所述连接部件的内径(D。)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的海底井介入模块，其中所述管道组件具有比所述连接部件的壁厚(W。)小的壁厚(wp)。
5.根据权利要求I至4中的任一项所述的海底井介入模块，其中所述管道组件具有接头(183)，所述接头包括 -用于与所述介入工具接合以便为所述介入工具再充电和/或向所述介入工具和从所述介入工具传输数据和/或指令的第一端(189)，和 -用于提供到电源(185)和/或通信设备(186)的连接的第二端(188)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的海底井介入模块，其中所述接头包括接靠站(127)，所述接靠站用于与所述介入工具接合以便为所述介入工具再充电和/或向所述介入工具和从所述介入工具传输数据和/或指令。
7.根据权利要求6所述的海底井介入模块，其中所述接靠站包括用于与所述介入工具中的相应连接器接合的湿连接器(238 )。
8.根据权利要求6或7所述的海底井介入模块，其中所述接靠站布置在所述管道组件的第二端。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的海底井介入模块，还包括通信设备(186)，并且所述管道组件的接靠站与所述通信设备连接。
10.根据权利要求5所述的海底井介入模块，其中所述接头是具有面向所述管道组件内部的第一线圈设备(210)和面向所述管道组件外部的第二线圈设备(211)的感应接头。
11.根据权利要求10所述的海底井介入模块，其中所述第一线圈设备布置在所述介入工具的一个端部中。
12.根据权利要求10或11所述的海底井介入模块，其中所述第二线圈设备连接于线缆。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的海底井介入模块，其中所述支承结构是具有外部形式并限定出容纳井操控组件和导航装置的内部空间的框架结构，所述井操控组件和所述导航装置两者均在所述外部形式内延伸。
14.一种海底井介入系统(200)，包括 -井口和/或防喷器，以及 -至少一个根据权利要求I至13中的任一项所述的海底介入模块， 其中所述海底介入模块的所述连接部件直接连接于所述井口或所述防喷器。
15.根据权利要求14所述的海底井介入系统，还包括至少一个用于将所述介入模块导航到所述井口或另一海底模块上的远程操作的潜水器。
16.根据权利要求14或15所述的海底井介入系统，还包括至少一个用于远程控制所述介入模块的一部分或全部功能的远程控制装置(192)，所述远程控制装置定位在水面上方。
17.一种借助于根据前述权利要求中的任一项所述的介入模块执行介入操作的海底井介入方法，包括以下步骤 -将水面船舶或海洋平台定位在海底井口附近， -将海底井介入模块连接至所述船舶上的线缆， -使海底井介入模块进入水中， -将所述模块操控到井口或防喷器上， -将所述模块连接至所述井口， -使所述管道组件内的工具达到井眼压力， -打开阀，以及 -借助于所述介入工具进入井中以执行操作， -对所述管道组件中的电池再充电，并且 其中所述将所述模块连接至所述井口或防喷器的步骤是将所述模块的所述连接部件直接连接至所述井口或防喷器。
18.海底井介入方法，还包括以下步骤 -更换管道组件中的电池，和/或 -通过接头发送和/或接收信息。
全文摘要
一种用于从水面船舶(102)通过井口(120)在井(101)中执行井介入操作的海底井介入模块(100)，包括支承结构(110)；管道组件(170)，所述管道组件紧固在所述支承结构上并且具有两个相对端部、内径和腔室(182)，在所述腔室中布置有介入工具(171)，所述介入工具用于在连接至井口或布置在井口顶部的防喷器时、在井口的至少一个阀(121)被打开和所述工具下潜到井内之前将腔室(182)加压至井眼压力；连接部件，所述连接部件与管道组件的第一端(202)相连接以提供至井口的连接；无线介入工具(171)，所述无线介入工具具有外径并包括电力设备(196)。所述连接部件具有能够与井口或防喷器连接的敞开的第一端和提供从第一端到腔室的流体通道的通孔。
文档编号E21B41/04GK102822443SQ201180013936
公开日2012年12月12日 申请日期2011年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者J·哈伦德巴克, P·黑泽尔 申请人:韦尔泰克有限公司