专利名称：具有esp速度控制器和紧急隔离阀的井口出油管线保护和测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于由井下电潜泵(ESP)加压的井口管道出油管线的保护系统，以保 护下游低压额定值输送和分配管道，并且还提供了全自动化的安全和故障测试功能。
背景技术：
如果下游隔断阀关闭，井口高完整性保护系统(HIPS)保护连接到井口的出油管 线以免于过压。压力源可以是含油地质构造压力。该压力已知为井口关井(shut in)压 力并且它基于地质参数，它是连续的，它不能被控制，即它不是在该术语的传统意义的“关 掉”。井口压力源的下游需要连续的多个自动化隔断阀，以使得在一个阀泄漏或不能关闭的 情况下，另一个将行使关闭的职责。尽管通常在这些应用中使用的地面安全阀(SSV)极其可靠，但是在安全系统的设 计中要考虑最坏的情况。这在安全仪表的领域中已知为提供硬件危险故障容限的设计。在 SSV紧密关闭测试方法中，阀将不仅关闭，而且实际上提供顶着持续井口压力的完全关闭 (positiveshutoff)，即将不存在可检测的泄漏。需要两个连续的阀来允许紧密关闭测试并 且系统包括在所述两个连续的关断阀和中间的压力传输传感器阵列之间的排气阀。在装置 和系统的优选布置中，所有功能部件都与安全逻辑解算器(SLS)通信并且由该安全逻辑解 算器(SLS)指引。命令和数据信号可以通过导线运送或者被无线通信。当来自油藏(reservoir)的生产因主要的油藏条件而减少时，采用电潜泵系统以 及相关技术来提高油/气采收率。利用井下电潜泵(ESP)将油和气提升到地面，在地面上 它们被井口出油管线系统接收以输送和分配。在井口处监测管道压力、流速以及许多其它 变量以便特别确保井口下游的管道和分配系统的安全操作。在井口近邻，传统的机械保护 系统可以包括使用具有适当高压力额定值的厚壁管道来抵抗可能由ESP产生的高压。从经 济利益方面来说，由具有限定的较低安全操作压力范围的管道来制造井口的下游管道。在 出油管线系统中使用壁厚相对较薄的管道。新的并下ESP生产控制器所引入的问题是尽管它提供了所需的压力升高来保持 油的流动，但是如果在离岸生产平台和岸上GOSP之间的出油管线和干线的长网络中间的 隔断阀关闭，管道网络中的压力将增大到泵的全隔断排放压力，它要比正常流动的管道压 力大得多。适于正常操作的出油管线网络不具有足够的高的压力额定值来抵抗ESP的全隔 断压力。顶着隔断排放来运行井下泵不是正常的做法，但是在设计相关的安全系统时被认 为是最坏的情况。井下的ESP是电驱动的并且作为危险压力的潜在源的泵是电控制的。为了确保最大限度地安全操作，已经为各种应用开发了所谓的高完整性保护系统 即HIPS。现有技术的传统安全设计做法是在理论上可能的最差情况条件下指定从井口输送 所生产油/气的出油管线具有足够壁厚以容忍全隔断排放压力。然而，对于引入了可以产 生大于3000psi的非常高的井口关井压力的电潜泵的情况，该方法被证明是不切实际的。已经采用的一种方法是连续地监测下游出油管线压力并且在出油管线压力达到危险程度 之前切断到ESP的电源。为了关井目的，现有技术还已知提供地下安全阀(SSSV)并且这些类型阀的测试 出于保证井口关闭系统工作正常的目的已例如在USP4，771，633中被公开。已公开了其它系统来使得一旦发生需要井被关时的紧急情况电潜泵继续以再循 环的模式操作。这样的系统在USP Re 32，343和USP4，354，554中公开。还已知用于实施安全截流阀的紧急关闭测试的系统。例如，USP7，079，021公开了 紧急关闭设备控制器和传感器来向控制器提供数据，所述控制器具有处理器、耦合到所述 处理器的存储器以及辅助输入，其中紧急关闭测试被存储在存储器中，并且辅助输入被适 配成接收二进制信号和传感器数据。例程被存储在该存储器中并且被适配成在该处理器上 执行以允许响应于该辅助输入处的二进制信号的接收来执行紧急关闭测试并且使得在该 紧急关断测试期间将传感器数据记录在该存储器中。 期望提供利用具有井口出油管线保护系统的电潜泵的油/气操作，所述井口出油 管线保护系统在不需要为了执行测试的目的而关井的情况下能够提供全自动化的验证测 试和自诊断。因此，本发明的目的是提供一种在继续ESP的操作的同时对被电潜泵加压的出油 管线中的潜在故障进行连续监测和自动测试的一种井口控制系统和方法。本发明的另一个目的是提供一种可靠的自动化测试和关闭系统来代替需要很多 人力并且基于复杂的人工验证测试需求的现有技术的仪表化出油管线保护系统。本发明的又一个目的是提供一种用于具有ESP的井的安全测试程序，所述程序可 以在不通过关掉该ESP而中断生产的情况下执行。本发明的再一个目的是通过提供自动功能测试和诊断方法和系统来消除对系统 的验证测试的人工人为干预的依赖。
发明内容
利用本发明的方法和系统来实现上述目的和其它优点，在本发明的方法和系 统中，ESP变速驱动控制器功能结合安全逻辑解算器以及地面紧急隔离阀或安全截流阀 (SSV)来执行完整的井口出油管线系统的全功能测试。在优选实施例中，ESP速度控制器是电子设备。该方法包括在正常操作期间以及 在安全截流阀的全行程测试期间使用多个压力变送器(pressure transmitter)来监测出 油管线压力的步骤，以及在测试期间调整井下ESP的速度以使管道压力维持在预定安全压 力限制内。该井口出油管线保护系统和方法利用井下ESP速度控制器和SSV来保证不达到 危险压力程度并且提供井口系统的全功能安全测试。ESP电机速度控制器用于准许功能测 试并且从所保护的下游出油管线管道移去压力源。本发明的系统和方法通过利用冗余传感器、安全逻辑解算器以及不同的最终元件 来构成完整的自测试高完整性保护系统以保护ESP井口出油管线。最终元件包括SSV和 ESP速度控制器。它们使用完全不同的技术来使较低额定值的出油管线管道避免受到过压 的影响。在本发明的一个优选方面中，安全逻辑解算器还收集并且处理阀位置反馈数据。被传输到安全逻辑解算器的阀(SSV)位置数据提供了一种证实SSV响应于需求信号的能力的方式。工业安全标准要求阀性能测试，但是没有指定执行所需的测试和证实的方法。在 优选的实施例中，每个SSV包括具有正向弹簧回位(positive spring return)的防故障致 动器。该阀可以是电或液压致动类型的阀。在本发明的上下文中，最终元件包括ESP变速驱动控制器以及地面紧急隔离阀或 截流安全阀(SSV)。主要步骤包括(1)关闭SSV ； (2)使用变速控制器(VSC)来缓降ESP ； (3)打开SSV;以及(4)缓升ESP到正常操作速度。在最终元件的测试期间，过程传感器将 关于出油管线中的压力的数据传输到安全逻辑解算器。在本发明的系统中，没有测量泵的性能特性，例如效率、流速等等。相反，正是总体 泵对从安全逻辑解算器传输的编程的信号的响应，决定了安全系统的状况。利用安全临界 压力变送器来感测出油管线压力，并且它们各自的信号被传输到安全逻辑解算器以用于确 定该泵是否在可接受的限度内对来自安全逻辑解算器的命令信号做出响应。本发明使用在泵运行时将其关闭的单个地面安全截流阀，并且监测被关闭阀上游 压力的增大，来验证适当的阀座和阀杆位置。在阀仍然关闭的情况下，将泵的速度降低直到 压力降低表明泵变速控制器响应于安全逻辑解算器控制器命令。最后，地面安全截流阀被 打开并且泵缓慢回升到正常速度。构成安全仪表系统(SIS)的所有部件，包括位于输入侧 的压力传感器、安全逻辑解算器以及不同的输出(即单个地面安全截流阀和ESP变速控制 器)都被测试。在优选实施例中，三个压力感测变送器监测出油管线的高压和低压，并且由安全 逻辑解算器以三取二协议表决(vote)。使用该系统，压力传感器其中之一失灵或检测内部 故障的失灵将导致来自该传感器的信号不被考虑，并且该过程将保持在线并且剩余的两个 传感器将继续保护该系统。安全逻辑解算器还被编程成识别单个传感器的缺陷或失灵并且 例如经由可听到以及/或者可看到的警报、给操作人员的文本消息或其它已知安全程序来 警告维修人员。在如传感器处于已知的故障模式的任何这样的时间期间，系统转换为表决 的二取一协议。压力传感器和安全逻辑解算器作为来自多个供应商的TUV认证的设备在商业上 是可得到的。ESP速度控制器和SSV作为第三方安全认证的设备是当前得不到的。因此，功 能测试对系统的操作安全至关重要。优选的SSV使用提供控制和安全的电的防故障功能。 通信被硬连线到ESP控制器、SSV并且到处理传感器。在特定的优选实施例中，采用已知为FF-SIS的安全协议。FF-SIS标准提供单独设 备自诊断以及来自监测过程的数据的通信。尽管本发明所采用和应用的该新的安全标准在 本领域普通技术人员所知之内，但是其部署的细节超过本发明的范围。利用经过编程的安全逻辑解算器来启动系统的自动化功能测试。该测试可以在井 口处当场启动或者从中央控制室远程地启动。逻辑解算器将运行一遍预先编程的一组对最 终元件的诊断测试，同时监测出油管线压力传感器。本发明的系统和方法提供对整个系统 (包括最终元件、逻辑解算器以及多个传感器)的首尾相连的功能安全检查。下面将更详细 地描述本发明。步骤1-关闭SSV在井口现场例如利用按钮或其它开关手动地或者从远程位置电子地启动自动化功能测试例程。安全逻辑解算器(SLS)启动SSV从打开位置到关闭位置的全行程。在阀从 打开位置行进到关闭位置时，阀响应数据(位置与时间的关系)被安全逻辑解算器收集并 存储。该数据已知为阀特性曲线(valve signature)并且可以用来诊断阀性能的变化，阀 性能的变化可以指示出退化的性能以及失灵的可能性。如果阀不能移动或者显示出过量的 延迟，则警报被安全逻辑解算器启动并且被现场告示以指示系统未能通过功能测试。当阀 到达关闭位置时，如由整体致动器限位开关所验证的那样，压力传感器将指示压力的增加， 因为ESP现在顶着关闭的阀运行。一旦到达“阀被关闭”的限度，SLS就启动预定的测试周 期，在该测试周期期间监测压力的增加。当检测到预定压力值或压力增加，安全逻辑解算器 将发送命令到ESP速度控制器来降低泵的速度。如果没有检测到压力增加，则测试被中止 并且“测试失败”警报被启动。在该测试协议中，没有验证SSV “紧密关闭”。然而，完全关 闭并且产生上游管道中的压力增加的能力是对本发明的安全应用的充分功能测试。步骤2-缓降ESP一旦SSV被完全关闭并且成功地检测到出油管线压力增加，安全逻辑解算器就发 送命令信号到ESP变速控制器以缓降泵的速度。以从安全逻辑解算器到ESP速度控制器的 输出开始，提供预定时间段来检测出油管线中压力的减小。如果在分配的时间期间没有检 测到压力的减小，则安全逻辑解算器将打开SSV，并且启动“测试失败”警报。如果检测到压 力减小，则认为ESP变速控制器已通过功能测试。因此，测试方法包括降低泵速度、检测关 闭的SSV的上游的压力下降，并且使泵速度恢复到正常的能力。步骤3-打开SSV在上面步骤2中所描述的压力下降的检测之后，安全逻辑解算器将传输信号以再 次打开SSV。提供预定的时间段，使阀从关闭限位开关位置启动移动。如果在该时间段逝去 之前阀不能移动，则逻辑解算器将完全关闭ESP。如果阀不能完全返回到全打开位置，则将 启动故障警报，但是ESP将返回到预定的正常操作速度并且出油管线压力将继续被SLS监 测。步骤4-将ESP缓升到正常操作速度当安全逻辑解算器从致动器限位开关接收到指示SSV已从关闭位置移动的信号 时，信号被传输到ESP速度控制器以返回到正常操作速度。在SSV全行程测试或泵速度斜坡测试(ramp test)期间生成安全需求信号的情况 下，紧急关闭跳间(trip)信号将不予考虑测试序列协议并且将导致泵的完全停止并且将 SSV拨到完全关闭位置。根据上面的描述还将理解，系统验证传感器检测出油管线压力变化、逻辑解算器 监测这些信号、ESP变速驱动控制器减小泵的速度、以及SSV将油/气流动与出油管线网络 下游隔离的功能。在本发明的系统中，优选的SSV致动器是具有弹簧回位的电的防故障设 备。安全逻辑解算器的功能通过最终元件的适当操作以及通过经由专用传感器监测压力变 化来验证。如果检测到阀、泵速度控制器或传感器的故障，将会警告人员，并且他们可以采取 适当的步骤来在对安全或操作没有不利影响的情况下执行所需的维护。最重要地，本发明 提供了用于HIPS的安全仪表系统(SIS)，其可以在测试协议期间不中断通过出油管线的油 /气生产的情况下被完全测试，并且在必要的情况下可以立即响应以关闭ESP和SSV。
优选地在工厂建造并测试本发明的系统，并且可以利用流动管道系统的输入和输 出上的法兰连接而被滑动安装以便于现场的模块化安装。相同设计的一致使用还具有减小 操作和维修人员在执行对模块化单元的安装寿命的例程系统安全测试时的负担的优点。因此，本发明提供了井口高完整性保护系统，其在下游隔断阀关闭的情况下保护 连接到井口的出油管线免于受到过压的影响。在本发明的系统中，压力源是井下电潜泵即 ESP，其在井的顶部(地面)压力降低到该井将不再“自由流动”的点时或者顶部压力不足 以将油/气输送到位于远离生产井口位置的油气分离站(GOSP)的时候使用。
下面将结合附图来进一步描述本发明，所述附图是由根据本发明的方法和系统而 修改的电潜泵加压的井口出油管线管道布置的示意性说明。
具体实施例方式将参考附图进一步描述本发明，所述附图描绘了钻井孔套管12，从所述钻井孔套 管12延伸出由高压额定值管道构造的生产油管14，所述高压额定值管道在地面安全截流 阀20处终止。在SSV 20的下游，安装被额定为较低压力的传统管道16以用于产物的输送 和分配。生产油管14的井下端被附接到电潜泵30，该电潜泵30递送油藏气和/或油的加 压流以用于通过下游出油管线管管道网络的最后输送和分配。根据本发明，变速驱动控制 器40在操作中连接到井下泵30并且还连接到安全逻辑解算器60。多个压力变送传感器50被安装在高压额定值出油管线管道14上并且与安全逻辑 解算器60进行数据通信。在所说明的实施例中，安装了三个压力传感器52、54、56 (还被标 识为PT1、PT2、PT3)；另外，第四个压力传感器70(ΡΤ4)被安装在低压额定值出油管线16上 的安全截流阀的下游并且与安全逻辑解算器进行数据通信。阀致动器22被安装在阀20上，并且受控地与安全逻辑解算器60通信。在该实施 例中，阀致动器还装备有限位开关24以指示被传送到SLS的SSV全打开位置和全关闭位置。预先编程的安全逻辑解算器60包括局部跳闸开关62 (便利地其是按钮)，以用于 在存在紧急状况的时候启动安全关闭。按下按钮62将导致致动器22关闭SSV 20并且终 止为ESP供电以迅速地减小在出油管线14中的压力。提供局部功能测试按钮开关64以启动现场的系统中的系统的功能和安全测试。 还说明了局部故障指示器66，其优选地包括灯并且可以包括可听到的警报。该警报还可以 经由有线电路或者无线地传输到远程控制室以确定是否需要任何附加的动作来继续下游 单元的安全操作。在正常操作期间，压力变送器52、54和56为可能需要安全响应的任何非正常的变 化监测出油管线压力；在SSV下游的压力变送器70是被用来监测出油管线压力的与安全无 关的变送器。将要理解，在不需要人员参与逐步实施测试的情况下，安全逻辑解算器包括预先 编程的测试协议。在时钟间隔内没有遇到特定状况的情况下，经过编程的安全测试包括预定长度的时间间隔以及预定可替换动作之一的立即启动。如本领域普通技术人员将理解的 那样，通过人员使用目测法、秒表等等而实施的这些测试不能与编程协议的及时性和精确 性相比。如上面所提到的那样，功能测试可以从控制室远程启动；由测试的预定周期启动 自动地启动，例如根据安装在安全逻辑解算器上的程序的特定时间和日期每月一次；或者 由现场人员使用按钮64来启动。在启动功能测试时，致动器22就接收信号来启动阀20的 关闭。指示器24在阀从完全打开位置的移动时传输信号。来自压力变送器52、54和56的 信号被监测以检测压力增加；假设已检测到压力增加，速度控制器40就会缓降ESP 30的速 度。一旦阀20关闭并且ESP的速度降低，安全逻辑解算器60就基于从压力变送器52、54 和56接收到的数据来确认线14中的压力的减小。此后，将信号传输到阀致动器22来打开 阀20，并且变速控制器40缓升ESP的速度来提供如由压力变送器70验证的期望的正常操 作出油管线压力。将要理解，在限位开关24不能记录安全截流阀20中的全打开或全关闭状况的情 况下，故障指示器60将提供警报并且将时间标记的故障记录在安全逻辑解算器的存储器 中。在当SSV移动到关闭位置时，52,54和56没有检测到压力增加或者如果在减慢泵的速 度已经用信号通知给变速驱动40之后没有检测到压力减小的情况下，还将记录并且警报 故障。其它诊断包括在阀从打开或关闭位置行进超过预先定义的时间限制的延迟。如之前所提到的那样，如果安全逻辑解算器接收到紧急关断信号，例如作为现场 的人员使按钮62跳闸或者经由有线或无线传输紧急关断信号的结果，安全和故障测试的 实施被立即不予考虑并且安全逻辑解算器发送信号来关断ESP并且关闭紧急隔离阀20。在 优选实施例中，变速驱动40被包括在紧急关断程序中，以使得在中断电功率之前对ESP减 速。这降低了可能由简单地断开电源而发生的对泵的任何不利影响的可能性。尽管已经在上面详细地描述了系统及其方法的操作，但是根据该说明书，各种修 改和替换对本领域普通技术人员来说是显而易见的，并且本发明的范围参考后面的权利要 求而确定。
权利要求
一种自动化系统，其用于对由井下电潜泵(ESP)加压的气和/或油的流体流的分配所采用的井口管道出油管线进行安全测试，该系统包括a地面安全截流阀(SSV)，其位于出油管线中并且与所述ESP流体连通；b预先编程的安全逻辑解算器(SLS)，其用于实施安全测试协议并且电子地记录结果，并且用于发布紧急关断信号；c多个压力传感器，其用于测量所述SSV上游的内部出油管线压力；d用于响应于由所述SLS传输的紧急关断信号或测试启动信号来关闭所述SSV的装置；e用于响应于由所述SLS传输的信号来打开所述SSV的装置；f变速驱动控制器，其在操作中连接到所述ESP以响应于来自所述SLS的信号改变所述ESP的速度，以及由此改变所述出油管线中流体的压力；以及g紧急ESP截流开关，其用于响应于来自所述SLS的紧急关断信号来中断为所述ESP供电。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括信号传输阀致动器限位开关，其在操作中连接 到所述SSV并且与所述SLS进行通信；以及警报，如果在所述SLS将信号传输到所述SSV以 启动打开或关闭之后的预定的时间段过去之后所述致动器限位开关没有发布信号，则致动 所述警报。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述SSV配备有具有正向弹簧回位的电操作防故障致动器。
4.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述ESP的所述变速驱动控制器包括用于在 步骤(g)中的供电中断之前减速所述ESP的装置。
5.根据权利要求1所述的系统，其中一直到所述SSV并且包括所述SSV的出油管线管 道被额定成对应于最大井口关井压力的最大操作压力。
6.根据权利要求1所述的系统，包括在操作中连接到所述SLS的三个压力变送传感器， 并且通过在三取二协议中表决传感器信号值来确定在所述出油管线中的压力。
7.根据权利要求6所述的系统，包括警报，如果由所述SLS处理的压力传感器信号的值 改变多于预定值，则致动所述警报。
8.根据权利要求1所述的系统，包括用于将优先于正在进行的任何有效安全测试的 首要的紧急关断信号独立地传输到ESP的装置，由此响应于所述紧急关断信号来关断所述 ESP。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述SLS被编程为基于从所述压力感测变送器传 输的出油管线压力来将控制信号发布给所述SSV和变速驱动控制器。
10.根据权利要求2所述的系统，包括用于在当所述SLS将信号传输到所述SSV以启动 打开或关闭循环之后的预定的时间段之内由所述多个传感器传输的管线压力没有变化的 时候致动所述警报的装置。
11.一种用于对运送由井下电潜泵(ESP)加压的气和/或油的井口地面管道出油管线 进行安全和故障测试的方法，所述出油管线装备有安全截流阀(SSV)，所述方法包括a.在所述SSV的地面出油管线上游上提供多个电子压力变送传感器；b.提供用于调整所述ESP的速度的变速控制器(VSC)；c.提供经过编程的安全逻辑解算器(SLS)，其与用于所述ESP的变速控制器和SSV控 制通信并且接收和记录由所述多个压力传感器传输的数据；d.由SLS通过将信号传输到所述SSV以启动到其全关闭位置的移动来启动安全和故障 测试；e.监测从所述压力传感器接收到的压力数据；f.将信号从所述SLS传输到所述VSC以响应于内部出油管线压力的预定增加来减小所 述ESP的速度；g.以由所述SLS确定的受控速度继续所述ESP的操作时使所述SSV达到全关闭位置以 将所述出油管线压力保持在预定安全范围内；h.从所述SLS传输信号以将所述SSV移动到其全打开位置；以及i.将信号从所述SLS传输到所述VSC以响应于出油管线压力数据来增加所述ESP的速度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中由所述SLS表决来自所述多个压力传感器的数据。
13.根据权利要求1所述的方法，包括接收和记录关于在所述安全测试期间从所述 SSV、压力传感器、ESP和VSC选择的一个或多个部件的预定性能特性的数据；将相应部件的 性能特性与现有的标准进行比较以及提供所述比较数据的显示。
14.根据权利要求11所述的方法，包括响应于由所述SLS接收到的紧急信号来终止 所述安全和故障测试，以及同时传输信号来将所述SSV移动到其全关闭位置并且关断所述 ESP。
15.根据权利要求11所述的方法，包括在传输所述SLS信号以关闭所述SSV之后没有 增加所述出油管线压力的情况下启动失败测试警报。
16.根据权利要求11所述的方法，包括如果在传输所述SLS信号以在步骤(f)中减小 所述ESP的速度之后没有降低所述出油管线压力，则启动失败测试警报。
17.根据权利要求11所述的方法，包括如果在传输信号以打开所述SSV之后没有检测 到所述出油管线压力减小，将所述关断信号从所述SLS传输到所述ESP。
18.根据权利要求11所述的方法，包括向所述SSV提供信号传输阀致动器限位开关，其 将全打开和全关闭信号传输到所述SLS ；当信号被传输以关闭和/或打开所述SSV时启动 所述SLS中的时钟；以及如果在预定的时间段之后限位开关没有发信号通知运动，则启动 失败测试警报。
19.根据权利要求11所述的方法，包括监测SLS接收到的压力数据的变化并且如果来 自一个压力传感器的数据与来自其它两个的数据的差超过预定值则启动故障警报。
全文摘要
ESP变速驱动控制器连同安全逻辑解算器、专用压力传感器以及地面紧急隔离阀即安全截流阀(SSV)发挥功能来执行完整的井口出油管线系统的全功能测试。该方法包括下述步骤在正常操作期间以及安全截流阀的全行程测试期间使用多个压力变送器来监测出油管线压力，以及在测试期间调整井下ESP的速度以使管道压力维持在预定安全压力限度内。该井口出油管线保护系统和方法利用井下ESP速度控制器和SSV来保证不达到危险压力程度并且提供井口系统的全功能安全测试。ESP电机速度控制器用于准许功能测试并且从所保护的下游出油管线管道移去压力源。
文档编号G05D7/06GK101836172SQ200880112826
公开日2010年9月15日 申请日期2008年10月9日 优先权日2007年10月23日
发明者P·S·弗兰德斯 申请人:沙特阿拉伯石油公司