用于电力故障指示和隔离的系统和方法与流程

用于电力故障指示和隔离的系统和方法


背景技术：
1.技术领域
1.本公开涉及油气钻井作业，并且更具体地，涉及监测电源，诸如海底电源，以检测故障。
2.2.相关技术说明
3.在油气勘探作业期间，可以通过潜在的含烃区域将井筒钻入地层中。为了调节井筒内的压力，防喷器(bop)系统可以布置在井筒处。在海底作业中，可以部署控制系统(其可能具有冗余)以调节bop的操作。例如，冗余控制系统可以被称为蓝色控制盒和黄色控制盒。在已知系统中，脐带电缆将信息和电力发送到诸如致动器的部件以控制液压阀。系统可以包括可以使用一个或多个电源操作的各种传感器、部件等。
4.一个或多个法规可以限制系统内可能存在的接地泄漏的量。然而，由于系统的配置，可能没有足够的容量来单独测量每个电路的接地阻抗，并且因此，多个电路被单个阻抗测量涵盖。不幸的是，此类配置导致难以识别特定故障或错误。例如，如果电路包括多个部件，则非关键故障仍然可能导致报警，这可能导致操作者不必要地拉动bop。这些拉动对于操作者来说可能是昂贵的。


技术实现要素：

5.申请人认识到本文上面提到的问题，并且构思和开发了根据本公开的用于电源监测的系统和方法的实施方案。
6.在一个实施方案中，用于确定海底防喷器(bop)堆叠中的故障的系统包括第一传感器，该第一传感器适于测量海底作业的一个或多个特性。该系统还包括第二传感器，该第二传感器适于测量海底作业的一个或多个特性。该系统还包括第一电源，该第一电源适于向第一传感器提供作业功率；和第二电源，该第二电源适于向第二传感器提供作业功率。该系统还包括与第一传感器和第一电源相关联的第一电力故障指示器和隔离器(pfii)，该第一pfii测量第一对波形以识别第一故障；和与第二传感器和第二电源相关联的第二pfii，该第二pfii测量第二对波形以识别第二故障。
7.在另一个实施方案中，用于确定故障的方法包括生成波形。该方法还包括测量参考波形的第一值。该方法还包括测量负载波形的第二值。该方法还包括确定第一值与第二值之间的差在正常操作范围之外。该方法还包括生成报警。差分计算的结果提供关于系统中电流泄漏状态的信息，并且可以指示泄漏水平以及泄漏是处于正电源轨还是负电源轨中。
8.在一个实施方案中，系统包括布置在海底位置处的防喷器(bop)堆叠。该系统还包括与bop堆叠相关联的第一控制盒，该第一控制盒包括用于向监测一个或多个操作参数的部件提供电力的至少一个电源。该系统还包括与bop堆叠相关联的第二控制盒，该第二控制盒包括用于向监测一个或多个操作参数的部件提供电力的至少一个第二电源，该第二控制
盒是第一控制盒的备用控制盒。该系统还包括与第一控制盒相关联的电力故障指示器和隔离器(pfii)，该pfii诊断至少一个电源与部件之间的连接中故障，该pfii适于在多个部件之间隔离故障并且响应于诊断故障而提供报警指示。
附图说明
9.已经陈述了本公开的一些特征和有益效果，当结合附图进行描述时，其它特征和有益效果将变得显而易见，附图中：
10.图1是根据本公开的实施方案的海上钻井作业的实施方案的示意性侧视图；
11.图2是根据本公开的实施方案的防喷器(bop)堆叠的实施方案的示意性侧视图；
12.图3是根据本公开的实施方案的电力故障指示器和隔离器(pfii)的实施方案的示意图；
13.图4是根据本公开的实施方案的波形评估的实施方案的图形表示；
14.图5是根据本公开的实施方案的波形评估的实施方案的图形表示；
15.图6是根据本公开的实施方案的用于确定海底系统中的故障的方法的实施方案的流程图；并且
16.图7是根据本公开的实施方案的用于响应于检测到海底系统中的故障而提供报警的方法的实施方案的流程图。
17.虽然将结合优选实施方案描述本公开，但应当理解，并非旨在将本公开限于该实施方案。相反，本公开旨在涵盖所有可能包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
具体实施方式
18.当参考以下实施方案描述和附图进行考虑时，将进一步理解本公开的前述方面、特征和优点。在描述附图所示的本公开的实施方案时，为了清楚起见，将使用特定术语。然而，本公开不旨在限于所用的特定术语，并且应当理解，每个特定术语包括以相似方式运作以实现相似目的的等同物。
19.当介绍本公开的各种实施方案的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在意味着存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包括性的并且意旨除所列要素外还可以有附加要素。工作参数和/或环境条件的任何示例并不排除所公开的实施方案的其它参数/条件。另外，应当理解，对本公开的“一个实施方案”、“实施方案”、“某些实施方案”或“其它实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所引用的特征的附加实施方案的存在。此外，对关于取向或方向的术语诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”、“侧面”、“前部”、“后部”或其它术语的引用是参考所示的实施方案进行的，并且不旨在限制或排除其它取向或方向。应当理解，为了简化解释，可以在附图之间为类似元件携带参考标号，但除非另外具体说明，否则不应将此类使用解释为对各种实施方案的范围的限制。
20.本公开的实施方案包括驻留在海底控制系统内的电力故障指示器和隔离器(pfii)，以测量多个直流(dc)电源的输出处的接地阻抗。pfii的电路系统被配置成在接地故障期间测量阻抗并且将故障电路与主总线隔离，而不会拉动bop堆叠以进行故障排除。实施方案使得能够在bop保持在海底环境中时定位接地故障，同时还隔离接地故障。可以通过
启用机箱阻抗测量电路来执行仪器的周期性检查。
21.本公开的实施方案可以解决并克服本发明系统的缺点。例如，可以部署当前系统，其中评估单个电路以覆盖多个不同装置的故障或失效。因此，报警可以指示系统中的某处的故障，而不提供与故障相关联的特定部件的识别。这些故障可能导致不必要的堆叠拉动，其中钻井作业被停止以评估报警，即使当报警可能与可以以低风险使用冗余传感器的部件相关联。在各种实施方案中，系统被部署在部件与独立电源相关联的地方，这些独立电源中的每个独立电源可以包括独立的pfii。然而，应当理解，可以用单个pfii评估多个部件。因此，沿着特定电路的故障可以与报警相关联。在接收到报警时，操作者确定是否继续作业或拉动堆叠。在各种实施方案中，可以部署一个或多个逻辑系统，诸如用一组规则操作的软件，以便于确定是否例如通过提供指示备份或冗余控制的通知来确定是否继续作业。以此方式，可以减少或消除堆叠拉动，从而简化作业并降低成本。
22.图1是海底钻井作业100的实施方案的侧示意图。钻井作业包括基本上在井筒106上方的漂浮在海面104上的船舶102。应当理解，仅出于说明性目的示出船舶102，并且在各种实施方案中，其它结构(诸如钻井平台)可以与本公开的实施方案一起使用。井筒壳体108位于井筒106的顶部并且连接到防喷器(bop)组件110，该防喷器组件可以包括剪切闸板112、密封闸板114和/或环形闸板116。bop组件110的一个目的是帮助控制井筒106中的压力。bop组件110通过立管118连接到船舶102。在钻井作业期间，钻柱120从船舶102上的钻机122穿过立管118，穿过bop组件110，穿过井口壳体108并进入井筒106。钻柱120的下端附接到钻头124，该钻头随着钻柱120旋转而延伸井筒106。应当理解，虽然示出了钻井作业，但是本公开的实施方案也可以并入到测井作业、增产作业、采收作业等中。图1所示的附加特征部包括泥浆泵126，该泥浆泵带有将泥浆泵126连接到bop组件110的泥浆管线128，以及将泥浆泵126连接到船舶102的泥浆回流管线130。应当理解，所示的泥浆泵126处于海底位置，但是在其它实施方案中，泥浆泵126可以布置在船舶102上。此外，在实施方案中，泥浆泵126可以从船舶102上的凹坑或挡泥板接收泥浆供应。远程操作的车辆(rov)132可用于根据需要对设备进行调整、维修或更换。尽管在附图中示出了bop组件110，但是井口壳体108也可以附接到其它井设备，包括例如树、线轴、歧管或另一阀或完井组件。
23.开始钻探井筒106的一个有效方式是通过使用吸力桩134。此类程序通过将井口壳体108附接到吸力桩134的顶部并将吸力桩134降低到海底136来实现。当吸力桩134中的内部腔室被抽空时，吸力桩134被驱动到海底136中，如图1所示，直到吸力桩134基本上浸没在海底136中，并且井口壳体108定位在海底136处，使得可以开始进一步钻井。当钻探井筒106时，井筒的壁用混凝土外壳138加强，该混凝土外壳为井筒108提供稳定性并且有助于控制来自地层的压力。
24.在诸如钻井作业的作业期间，经由钻柱120将泥浆注入到井筒106中。例如，泥浆泵126可以从船舶102接收钻井泥浆并且将泥浆引导通过钻柱120。泥浆流过钻柱120并在钻头124处离开，将岩石从钻头124带走，并且还冷却钻头。泥浆进入围绕钻柱120的环140。有利地，这种泥浆可以用于在井筒106内提供压力控制，例如由于来自地层的压力。泥浆可以填充井筒106和立管118，在此泥浆返回船舶102进行处理和重复使用。
25.在这些作业期间，bop 110可以包括一个或多个控制系统142。控制系统142可以朝向bop 110的部件引导液压流体，例如，朝向各种闸板。控制系统142可以例如通过使用两个
或更多个控制系统142来与bop 110冗余地布置。如本文将描述的，控制系统142的各种部件可以利用一个或多个电源来执行操作。电源线可能由于海底环境而绝缘，其中流体的进入在其它潜在作业挑战中可能导致故障。可以检测到这些故障，但是本发明系统可以在电路级别上检测故障，而不是针对单独的部件单独检测故障。因此，即使故障是次要的非关键部件，也可以拉动bop 110以调查故障。本公开的系统和方法描述了用于识别各个部件的故障并警告操作者这些情况的改进系统，其中操作者然后可以确定如何继续。
26.图2是bop堆叠200的实施方案的示意图，该bop堆叠包括下海洋立管封装件202和下堆叠204。应当理解，为了清楚起见，已经移除或将不描述各种部件。所示的bop堆叠200包括第一控制盒206(例如，蓝色控制盒)和第二控制盒208(例如，黄色控制盒)。这些控制盒206、208可以包括一个或多个传感器、电源等。此外，用于测量海底作业的一个或多个特性的各种传感器可以存在并与bop堆叠200相关联。如上所述，冗余可以提供操作益处，其中可以使用第二盒208克服第一盒206的混乱或故障，从而消除额外的操作步骤和从服务移除bop堆叠200的时间。在所示实施方案中，各种导管210、212、214、216、218从立管220延伸到控制盒206、208。例如，导管210、212、214、216、218可用于液压控制、电力控制、通信等。
27.在各种实施方案中，信息可以被传输到控制盒206、208并从控制盒传输，该控制盒可以进一步供应到表面位置。例如，可以提供作业信息以使操作者能够调整钻井作业等。在各种实施方案中，各种信息的不同值可以指示不期望的作业条件。例如，高于某一水平的压力、钻头上的力等可能导致作业混乱，如果操作者通过对钻井作业的修改而做出响应，则可以避免操作混乱。然而，应当理解，这些系统中的一些系统可以被视为“非关键的”，而其它系统是“关键的”。应当理解，被认为是“关键”的传感器并不旨在反映本公开的作业所需的部件，而是反映操作者已经认为具有对于钻井作业的阈值重要性水平的部件。因此，术语“关键”和“非关键”分别用于描述重要性值高于和低于阈值的部件。例如，“关键”部件可以是没有备用部件的部件，而“非关键”部件可以具有冗余或者由该部件获得的信息可以源自其它部件。
28.如上所述，本发明系统可能难以识别包括故障的特定部件并向操作者提供该信息以确定如何进行。相反，现有系统识别具有错误的整个电路或部件组。在本公开的各种实施方案中，可以针对各个部件部署各个电源，其中使用pfii评估故障。在检测到故障时，信号可以在表面位置处传输到操作者。
29.图3是可与本公开的实施方案一起使用的pfii 300的实施方案的示意图。应当理解，pfii 300可以包括可以至少部分地集成到可以在海底环境中使用的一个或多个控制系统中的电路和/或逻辑。例示的实施方案包括具有控制器304、滤波器306和放大器308的波形发生器302。
30.在操作中，可以是微控制器的控制器304生成脉冲宽度调制(pwm)信号。在各种实施方案中，最大占空比可以是大约95％，然而，应当理解，可以利用其它循环并且作为示例提供95％。所生成的pwm信号被馈送到滤波器306中，该滤波器可以是bessel滤波器，该bessel滤波器从pwm信号移除载波频率。例如，滤波器306可以允许低于0.7hz的频率移除载波信号。因此，所得输出是正弦波。此后，放大器308接收正弦波以产生期望的峰到峰波形。在各种实施方案中，正弦波可以是大约0.1hz，并且峰到峰波形可以被放大到10v。
31.波形发生器302的输出可以指向门310，该门可以被称为机箱阻抗测量(chim)门。
chim门启用和/或禁用从波形发生器302分配的正弦信号，以确定测量。例如，chim门310可以在某些时间阻止测量并且当接收到用于评估系统内的泄漏或故障的信号时启用测量。换句话说，chim门310可以启用或阻止连续测量，或者可以间隔等建立测量，如由操作者或控制系统控制。chim门310的结果可能导致功耗降低和/或数据采集减少，这可能是期望的，因为连续采集可能会使用过多的带宽。应当进一步理解，第一控制盒206和第二控制盒208的每个子系统可以包括独立的pfii。因此，chim门310可以用于调节操作顺序，例如，其中第一pfii在指示第二pfii进行测量之前接收测量。以此方式，可以避免系统之间的干扰。然而，应当理解，在各种实施方案中，测量可以基本上同时进行，或者一个测量的至少一部分与另一个测量的至少一部分重叠。
32.例示的实施方案还包括测试模块312，该测试模块可以用于使操作者能够测试电路对放置在chim门310与测试模块312之间的已知电阻器314的功能。例如，在实施方案中，可以将信号传输到测试模块312，并且通过考虑电阻器314来测量返回信号。在各种实施方案中，可以利用测试模块312以验证在表面位置处接收到报警读数。可以激活chim电路，然后利用测试模块312从负载中移除电阻器，从而导致基本上开路。这还可提供对未来测量的参考。
33.本公开的实施方案进一步使得能够测量电流泄漏，例如，利用第一chim测量模块316。在例示的实施方案中，第一chim测量模块316测量参考波形。例如，一旦来自波形发生器302的正弦波被传输到机箱，就执行测量以确定在24v和机箱或dc公共端与机箱之间是否存在电流泄漏。可以通过在电阻器314上获取第一chim测量模块316与第二chim测量模块318之间的差来测量阻抗。所得测量向负载提供电流，其中第一chim测量模块316向负载提供电压。模块316、318可以包括大体上相同的放大器，以缩放所测量的电压并在传输信号之前提供缓冲器。
34.本公开的实施方案可以包括用于直接测量故障的阻抗的软件指令。例如，可以通过缩放输入、计算chim电路的电阻、计算峰到峰值的负载电流、然后计算电压和电流的峰到峰值的机箱故障阻抗来评估阻抗。此类测量可以提供关于故障的位置的信息。例如，负值可以指示24v轨道出现故障，而不是dc公共端出现故障。
35.在各种实施方案中，可以部署切换电路以提供隔离。在不进行测量的同时，切换电路的一个实例将正弦波与机箱隔离。切换电路的其它实例将紧密公差电阻器切换到地面以提供自检功能。在实施方案中，自检可以包括一对切换电路的操作。
36.图4是测量循环400的图形表示。如上所述，在各种实施方案中，波形发生器302可以将信号(诸如正弦波)传输到机箱中并且测量第一测量模块与第二测量模块之间的差。在例示的实施方案中，示出了正常信号402，该正常信号说明正弦波。如图所示，当出现故障时，信号的dc偏移和信号振幅会发生变化。没有故障不会在电阻器两端的信号中产生差异。故障将产生具有dc偏移的较小值波形。此类故障在第一故障信号404和第二故障信号406中示出，第一故障信号和第二故障信号都施加在同一图形界面408上以说明与正常信号402相比时的差异。
37.转向第一故障信号404，峰到峰振幅410小于正常信号402的峰到峰振幅412，指示dc公共端的故障。另外，第二故障信号406的峰到峰振幅414也小于正常信号402的峰到峰振幅412，并且被偏移。因此，可以利用信号的振幅以及相对值和位置，以便识别哪些系统包括
故障，从而提供对可能检测到故障的存在的现有配置的改进，但是故障不被隔离或识别到特定电源。
38.图5是可与本公开的实施方案一起使用的峰检测算法的图形表示500。在操作中，来自chim电路的值被测量为峰到峰值，因为rms或瞬时值可能会丢失信息或导致不正确的结果。然而，接收信号的可编程逻辑控制器(plc)可能与生成正弦波的控制器(例如，波形发生器302)不同步。因此，可以实施峰检测算法以确定峰到峰值。
39.实施本公开的实施方案以克服诸如缺乏同步、缺乏交叉信号以及使用离散样品而不是连续数据的问题。因此，实施方案可以被描述为面向状态的，因为数据在功能的各种状态下获取，而不是将信息评估为连续或接近连续的流。图5示出了示例性正弦波502。沿着正弦波示出许多状态504、506、508、510。例如，状态504指示增加部分，状态506是峰，状态508是减少部分，并且状态510是最小值。利用足够的采样速度，可以在各种状态之间建立状态图。然而，应当理解，在状态506、510处花费的时间小于状态504、508中的时间。在各种情况下，采样错误可能导致状态丢失。因此，将状态504和状态508分别评估为对数最小值和对数最大值可能是有益的。
40.图5进一步说明点分组512。点分组512包括在不同时间点获取的测量系列514。在例示的实施方案中，系列514a在时间上比系列514b更早地获取，后者早于系列514c，等等。例示的实施方案包括每个系列514的三深数组，但是应当理解，可以利用更多或更少的测量，其中三个测量作为示例提供。对于系列514a，进行了多次测量，用点表示。当读取正弦波的新值时，生成系列514b，其中丢弃最旧值(最左侧)。其它值偏移到较旧的位置，并且将新值放置到数组中(右侧)。鉴于图5中的示例，在三个读数/测量之后，数组的值由系列514a表示。然后，新读数进入，并且数组中的新值由系列514b表示。随后，另一个新值进入，并且数组中的值由系列514c表示，继续到系列514d和系列514e。更新后的数组值说明了缓冲值如何相对于波形随时间变化。如将解释的，数组之间的差异可用于确定状态。
41.在示例中，等式1提供了值的变化的示例，该值在该实施方案中表示为电流(i)，
42.iδ＝i(1)-i(0)，
ꢀꢀꢀ
等式1
43.其中i是电流的函数，并且数值表示点分组数组中的数据点。也可以根据等式2评估此初始增量，该初始增量可以被称为增量素数，
44.iδ
′
＝i(2)-i(1)，
ꢀꢀꢀ
等式2
45.其中i是电流的函数。如图所示，等式1确定第一位置与第二位置之间的差。正值将指示正斜率，而负值将指示负斜率。类似地，等式2确定第二位置与第一位置之间的差，其中再次正值将指示可能的斜率，而负值将指示负斜率。
46.当评估波形的不同状态时，可以利用增量和增量素数值。例如，可以为通过正弦波状态的转换建立不同的关系。在该示例中，在增量和增量素数值均为正的情况下，正弦波将在状态504处。在增量为正的情况下，增量素数为负或等于零，正弦波将在状态506处。在增量为负或等于零的情况下，增量素数也为负或等于零，正弦波将在状态508处。在增量为负或等于零并且增量素数为正的情况下，正弦波将在状态510处。下表说明了这些关系。
47.iδiδ’状态》0》0状态504》0《＝0状态506
《＝0《＝0状态508《＝0》0状态510
48.此外，也可以利用增量和增量素数值来确定峰检测。例如，当先前状态是状态508并且当前状态小于或等于先前状态时，可以确定最小值(例如，状态510)。类似地，当先前状态是状态504并且当前状态小于或等于先前状态时，可以确定最大值(例如，状态506)。以此方式，即使采样减少，也可以确定正弦波的状态。
49.应当理解，本公开的各种实施方案还可以包括各种滤波器。滤波器可以采用利用单个存储器位置和常数的加权平均技术，以便简化编程并减少存储器使用。仅以举例的方式，可以利用权重、β、缓冲器和电流读数来生成低通滤波器。
50.图6示出了方法600的实施方案的流程图。应当理解，该方法可包括更多步骤或更少步骤。另外，除非另有特别说明，否则该方法的步骤可能以任何顺序或并行执行。该示例包括生成波形602。例如，可以使用一个或多个波形发生器来生成波形。如上所述，可以在生成时，例如通过移除载体、放大波形等来操纵或修改波形。任选地测试了被评估的电路604。例如，可以以不同的间隔执行测试，例如在经过一定时间之后。然而，在其它实施方案中，可以在每个实例中的信息采集之前执行测试。参考波形的第一值例如使用第一测量模块来测量606。还测量了第二值或负载波形608。确定测量值之间的差610，并且针对正常操作范围612进行评估。如果差超出正常操作范围(例如，高于或低于正常操作范围)，则可以发出报警614。报警可以指示系统内的故障或其它错误。如上所述，在各种实施方案中，不同的部件和/或子系统可以包括用于执行故障测试的各个pfii，并且因此，错误的指示可以定位于特定部件，而不是作为整体提供关于电路的信息。此外，所获得的差值也可以指示错误，如本文所述。
51.图7是用于向操作者提供报警的方法700的流程图。该示例开始于测试电路的故障702。例如，pfii可以集成到包括电源以及其它特征部的海底部件中，以测试故障。可以通过评估波形来确定故障704。例如，如上所述，可以跨不同的测量模块评估波形以确定差，其中正常操作范围之外的差可能指示故障。在确定故障时，可以向操作者传输报警706。在各种实施方案中，仅提供报警不足，因为各种部件可以被布置在井下。因此，报警可能特别与海底系统的所识别部件相关联。因此，操作者可以评估报警以确定是否需要采取行动。例如，可以减轻针对非关键部件的报警，而针对关键部件的报警可能导致拉动堆叠。
52.所公开的实施方案的上述公开内容和描述对本公开的实施方案而言是示例性和说明性的。在不脱离本公开的实质精神的情况下，可在所附权利要求的范围内对所示实施方案的细节作出各种改变。本公开的实施方案应当仅受以下权利要求书及其法律等同物的限制。