энергетическая система

Формула изобретения

1. Система для снабжения электроэнергией удаленной подводной установки, содержащей, по меньшей мере, один электроуправляемый компонент, линию подачи флюида, идущую от указанной подводной установки ко второй установке, выполненной с возможностью подавать флюид под давлением к подводной установке по указанной линии подачи, при этом указанная подводная установка дополнительно содержит средства нагнетания поданного флюида в скважину или во флюид, поступающий из скважины, причем указанная система содержит средства выработки электроэнергии, в состав которых входит турбинка, функционально связанная с указанной линией подачи на подводной установке и вырабатывающая электроэнергию из указанного флюида, текущего под давлением по линии подачи флюида, при этом вырабатываемая электроэнергия обеспечивает питание, по меньшей мере, одного электроуправляемого компонента подводной установки, а вторая установка выполнена с возможностью повышения давления подаваемого флюида до уровня, превышающего уровень, необходимый для нагнетания флюида в скважину или во флюид, поступающий из скважины, на подводной установке, создавая тем самым избыточную энергию для выработки электроэнергии.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что линия подачи является линией подачи химического реагента.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что подводная установка является нагнетательной скважиной, а линия подачи является трубопроводом для закачки воды в скважину.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что подводная установка является эксплуатационной газовой скважиной, а линия подачи предназначена для подачи флюида, ингибирующего гидратообразование.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один электроуправляемый компонент содержит электрический приводной механизм клапана.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один электроуправляемый компонент содержит модуль управления.

7. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, одно устройство накопления электроэнергии, на которое подается указанная вырабатываемая электроэнергия.

8. Система по п.7, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно устройство накопления электроэнергии содержит аккумулятор.

9. Система по п.7, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, один электроуправляемый компонент, который снабжается энергией от, по меньшей мере, одного устройства накопления электроэнергии.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что содержит блок управления указанной турбинкой.

11. Система по п.10, отличающаяся тем, что указанный блок управления обеспечивает селективное поддерживание турбинки, по меньшей мере, в первом состоянии, в котором она вырабатывает электроэнергию, и во втором состоянии, в котором она не вырабатывает электроэнергию.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик уровня заряда для определения уровня заряда аккумулятора, причем указанный уровень определяет выбор посредством указанного блока управления первого или второго состояния турбинки.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что турбинка содержит: вращающийся компонент с множеством лопастей и, по меньшей мере, с одним магнитом, и неподвижный корпус, снабженный, по меньшей мере, одним стационарным магнитом, причем вращение вращающегося компонента приводит к взаимному перемещению, по меньшей мере, одного вращающегося магнита и, по меньшей мере, одного стационарного магнита с выработкой в результате этого перемещения указанной электроэнергии.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик скорости для определения угловой скорости турбинки.

15. Система по п.13, отличающаяся тем, что вырабатываемая электроэнергия включает сигнал переменного напряжения с частотой, пропорциональной угловой скорости турбинки, а, по меньшей мере, один датчик скорости содержит датчик частоты для определения указанной частоты.

16. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик тока для определения силы тока, вырабатываемого турбинкой, и блок управления для определения эффективности турбинки на основе определения указанных угловой скорости и силы тока.

17. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок управления для определения по результатам определения посредством указанного датчика скорости указанной угловой скорости расхода флюида, проходящего через турбинку.

18. Система по п.13, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один датчик направления для определения направления вращения турбинки.

19. Система по п.13, отличающаяся тем, что вырабатываемая энергия включает сигнал трехфазного переменного тока, а указанный, по меньшей мере, один датчик направления содержит датчик порядка следования фаз для определения порядка следования, по меньшей мере, двух фаз в указанном трехфазном сигнале переменного тока.

20. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит байпасный контур, сообщающийся с линией подачи флюида, а турбинка установлена в байпасном контуре.

21. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один клапан управления потоком флюида для регулирования потока флюида, проходящего через турбинку.

22. Система по п.21, отличающаяся тем, что указанный, по меньшей мере, один клапан управления потоком имеет, по меньшей мере, первое положение, при котором, по меньшей мере, часть флюида, текущего по линии подачи флюида, направляется через турбинку, и второе положение, при котором флюид, текущий по линии подачи флюида, обходит турбинку.

23. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно включает коммуникационный блок для связи со станцией управления, находящейся на удалении от подводной установки.

24. Система по п.23, отличающаяся тем, что коммуникационный блок содержит, по меньшей мере, один акустический передатчик.

25. Система по п.23, отличающаяся тем, что коммуникационный блок содержит, по меньшей мере, один акустический приемник.

26. Система по п.1, отличающаяся тем, что вторая установка содержит наземную, или плавучую, или стационарную оффшорную установку, содержащую оборудование для создания дополнительного давления во флюиде, транспортируемом по линии подачи флюида.

27. Способ снабжения электроэнергией удаленной подводной установки, содержащей, по меньшей мере, один электроуправляемый компонент и соединенной линией подачи флюида со второй установкой для переноса флюида от второй установки к подводной установке, включающий:

обеспечение средств выработки электроэнергии, в состав которых входит турбинка, функционально связанная с указанной линией подачи на подводной установке,

увеличение кинетической энергии указанного флюида на второй установке путем приложения давления к флюиду, причем указанное давление больше давления, необходимого для нагнетания флюида в скважину или во флюид, поступающий из скважины, на подводной установке, транспортирование флюида к удаленной подводной установке, и отбор избыточной энергии флюида в линии подачи флюида с помощью турбинки, вырабатывающей электроэнергию, предназначенную для, по меньшей мере, одного электроуправляемого компонента.

28. Способ по п.27, отличающийся тем, что подаваемый флюид используют в качестве воды для закачивания в скважину.

29. Способ по п.27, отличающийся тем, что подаваемый флюид используют для осуществления химической обработки.

30. Способ по п.27, отличающийся тем, что с линией подачи флюида функционально связывают турбинку и направляют, по меньшей мере, часть потока флюида через турбинку с выработкой за счет этого электроэнергии.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что дополнительно определяют угловую скорость турбинки.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что дополнительно определяют силу тока, вырабатываемого турбинкой, и определяют эффективность турбинки на основе определения указанных угловой скорости и силы тока.

33. Способ по п.30, отличающийся тем, что дополнительно определяют расход флюида, проходящего через турбинку, на основе определения указанной угловой скорости.

34. Способ по п.30, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление вращения турбинки.

35. Способ по п.27, отличающийся тем, что с линией подачи флюида дополнительно связывают дроссельный клапан и определяют в линии подачи флюида первое давление по одну сторону дроссельного клапана и второе давление по другую сторону дроссельного клапана.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что дополнительно определяют направление течения флюида, проходящего через дроссельный клапан, по результатам определения указанных первого и второго давлений.

37. Способ по п.36, отличающийся тем, что с линией подачи флюида дополнительно связывают главный клапан и управляют указанным главным клапаном в зависимости от указанного направления течения флюида.

38. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют подачу вырабатываемой электроэнергии, по меньшей мере, на одно устройство накопления электроэнергии.

39. Способ по п.38, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют снабжение электроэнергией, по меньшей мере, одного указанного электроуправляемого устройства, по меньшей мере, от одного устройства накопления электроэнергии.

40. Способ по п.38, отличающийся тем, что дополнительно определяют уровень заряда, по меньшей мере, одного указанного устройства накопления электроэнергии и, когда уровень заряда находится ниже первого заданного значения, поддерживают турбинку в первом состоянии, в котором она вырабатывает электроэнергию.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что когда уровень заряда находится выше второго заданного значения, поддерживают турбинку во втором состоянии, в котором она не вырабатывает электроэнергию.

42. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно включает размещение станции управления на удалении от подводной установки и осуществление акустической связи между подводной установкой и станцией управления.

43. Способ по п.27, отличающийся тем, что увеличение кинетической энергии указанного флюида на второй установке производят до уровня, достаточного для осуществления необходимого преобразования энергии и для выполнения дополнительной операции на подводной установке.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к системе для снабжения удаленной подводной установки электроэнергией. Более конкретно, в приводимом в качестве примера варианте изобретение относится к способу и системе для локальной выработки электроэнергии для питания автономной подводной установки, преимущественно устьевой арматуры (фонтанной елки). Подводная установка связана линией подачи флюида со второй установкой, которая выполнена с возможностью подавать текучую среду (флюид) под давлением по линии подачи флюида к первой, подводной установке.

Уровень техники

Дебит подводной скважины контролируется посредством клапанов (включающих задвижки, заслонки и т.д.), объединенных в комплекс устьевой арматуры (называемый фонтанной елкой или, для краткости, елкой). Для приведения клапанов в действие обычно используется гидравлическая жидкость, питающая гидравлические исполнительные (приводные) механизмы. Гидравлическая жидкость, как правило, подается по гибкому подводному трубопроводу от удаленной станции, находящейся на надводном судне или на надводной платформе. Иногда гибкий трубопровод для подачи гидравлической жидкости может быть проложен от наземной станции. Обычно приводные механизмы управляются сервоуправляемыми клапанами, установленными в управляющем модуле, находящемся на подводной установке или вблизи нее. Подобные клапаны направляют гидравлическую жидкость к каждому приводному механизму в соответствии с требованиями конкретной операции. Клапаны, управляющие приводными механизмами, могут быть электрическими, например электромагнитными. Системы описанного типа обычно именуются электрогидравлическими системами.

Для того чтобы управлять работой подводной скважины, необходимо установить связь между ней и станцией слежения и контроля (станцией управления). Такая станция может входить в состав платформы (плавучего основания), расположенной (расположенного) вблизи подводной установки или, альтернативно, в состав более удаленной наземной станции. Связь между станцией управления и подводной установкой обычно обеспечивается прокладкой между ними гибкого подводного трубопровода. Этот трубопровод должен включать в себя гидравлические линии для подачи гидравлической жидкости к различным гидравлическим приводным механизмам, расположенным в устье скважины или вблизи него. Гибкий подводный трубопровод может также включать электрические линии для подачи электропитания, а также для передачи сигналов управления к различным следящим и управляющим устройствам, расположенным в устье скважины или вблизи него, и от этих устройств. Типичный гибкий подводный трубопровод является очень сложным и дорогим изделием, один погонный метр которого может стоить тысячи долларов США. При этом его длина может составлять тысячи метров.

Добыча нефти и газа все дальше удаляется от берега в зоны все больших глубин. Помимо повышения затрат в связи с увеличением длины трубопроводов при этом возникает также проблема со временем отклика гидравлического оборудования, которое удлиняется с увеличением расстояния. Еще одна проблема заключается в том, что с увеличением длины гидравлических линий питания потери в этих линиях, обусловленные трением, становятся очень большими. Чтобы обеспечить требуемую скорость отклика, при достижении определенной длины становится необходимым устанавливать подводные вспомогательные компрессоры и/или аккумуляторы. Это дополнительно повышает сложность (и стоимость) подводной установки.

Было предложено использовать на приводных установках электрические приводные механизмы. В течение многих лет электрические приводные механизмы применялись в наземных отраслях промышленности, поскольку такие приводные механизмы компактнее гидравлических. Кроме того, большинство компонентов типичного электрического приводного механизма, такие как электродвигатель и/или зубчатые передачи, являются широкодоступными изделиями, которые могут быть легко и недорого приобретены у многих изготовителей. В некоторых применениях электрические приводные механизмы считаются хорошей альтернативой гидравлических приводных механизмов, поскольку давление окружающей среды не влияет на приводное усилие, которое должно обеспечиваться в клапане с электроприводом. Однако использованию электрических приводных механизмов препятствовали жесткие требования в отношении аварийного перекрытия, поскольку устройства данного типа должны снабжаться, в качестве средств обеспечения такого перекрытия, механическими пружинами. По этой причине приводные механизмы становятся такими же крупными и громоздкими, как и гидравлические механизмы, для замены которых они предназначены. Кроме того, в процессе работы они расходуют много энергии.

Чтобы надежно обеспечить подачу электроэнергии в достаточных количествах, питание существующих подводных электрических приводных механизмов, как правило, осуществляется дистанционно, по подводному кабелю. При этом обычно требуется, чтобы подаваемой мощности было достаточно для срабатывания всех клапанов одновременно. Если расстояние между наземной станцией и подводной установкой очень велико, даже требуемый электрический кабель становится очень дорогим. Кроме того, углеводороды были обнаружены в Арктике, где присутствие льда препятствует использованию плавучих эксплуатационных установок и даже доступу к скважине в течение большей части года. Далее, иногда может оказаться желательным расположить одиночную скважину на расстоянии от главной установки без необходимости значительных инвестиций в дорогостоящие линии питания и в коммуникации. Типичным примером подобной скважины может быть скважина для нагнетания воды (нагнетательная скважина).

В связи с этим было бы весьма желательно иметь возможность расположить подводную установку в удаленной зоне и эксплуатировать ее по возможности автономно, при наличии у установки собственного источника питания и интеллектуальной системы управления. Один из подходов к данной задаче описан в международной заявке WO 97/23708, в которой предлагается подводная установка, имеющая турбину, которая приводится во вращение морскими течениями для того, чтобы вырабатывать электроэнергию, необходимую для работы подводной установки. Должно быть очевидно, что такая система будет способна выработать только ограниченное количество энергии, причем она будет зависеть от преобладающих морских течений, т.е. будет не поддающейся точному контролю. Еще одна проблема заключается в том, что электричества, которое может быть выработано таким способом, будет недостаточно для обеспечения работы всех клапанов в крупной установке.

Недавно были разработаны аккумуляторы, в которых может быть запасено достаточно энергии, чтобы управлять работой всех клапанов в подводной установке, в том числе одновременно, если это необходимо. Посредством таких аккумуляторов можно запасти достаточно энергии, чтобы обеспечить работу электрических приводных механизмов. Дополнительное достоинство данного варианта заключается в том, что работа таких механизмов не будет зависеть от глубины, на которой находится система. Потребность в сервоуправляемых клапанах также отпадет, поскольку появится возможность прямого управления приводными механизмами. Это обеспечит потенциальную возможность значительной экономии на затратах, связанных с подводным трубопроводом, так как отпадет необходимость в гидравлических линиях.

Полностью электрические подводные системы требуют использования более сложных систем управления чем электрогидравлические. Такие системы должны управлять процессом зарядки аккумуляторов и отслеживать их состояние. Кроме того, система управления должна отслеживать состояние и положение каждого клапана с тем, чтобы оператор в любой момент мог получить эту информацию и взять в случае необходимости управление на себя. Далее, система управления должна обеспечивать функцию аварийного перекрытия и осуществлять при необходимости закрывание всех клапанов.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание способа и аппаратуры для преодоления или, по меньшей мере, ослабления всех или некоторых из перечисленных проблем путем создания надежной системы энергообеспечения и управления, которая способна обеспечить надежное и непрерывное функционирование приводных механизмов.

Другими словами, настоящее изобретение направлено на создание системы и способа снабжения электроэнергией подводной установки согласно независимым пунктам формулы изобретения и, более конкретно, на создание системы выработки электроэнергии для подводной установки и различных вариантов способа управления такой системой. Предпочтительные варианты изобретения раскрыты в зависимых пунктах.

В одном из своих вариантов изобретение охватывает систему управления для автономной подводной установки. Подводная установка может содержать один или более электроприводных компонентов, таких как электрические приводные механизмы для приведения в действие одного или более клапанов, и, по меньшей мере, одну линию подачи флюида для его закачки в подводную установку. Согласно одному из вариантов предлагается система для локальной выработки электроэнергии на подводной установке путем переноса энергии от наземной станции по линии подачи флюида при повышении с этой целью давления подаваемого флюида до уровня, превышающего уровень, необходимый для нагнетания. Избыточную энергию, генерируемую при этом на наземной станции, используют для приведения во вращение турбинки, установленной в указанной линии подачи флюида для его закачки, причем при вращении турбинки происходит выработка электроэнергии. В одном из вариантов обеспечивается также возможность использовать линию подачи флюида специально для переноса энергии к подводной установке, без его транспортирования с какой-то иной целью. Данный вариант применим, если прокладка линии подачи флюида будет экономически выгодней, чем электрический кабель. Флюид, транспортируемый для выработки электроэнергии на подводной установке, может являться чистой водой или иным флюидом, который может быть выведен в окружающую среду без ущерба для нее.

В некоторых вариантах турбинка может быть расположена в байпасном контуре, так что флюид может подаваться через турбинку в требуемом объеме. Для обеспечения локального хранения электроэнергии предусматриваются устройства типа аккумуляторов для ее накопления. Электроэнергии, запасенной в аккумуляторах, должно быть достаточно для снабжения электроэнергией электрических приводных механизмов или для зарядки одного или более аккумуляторов, откуда электроэнергия может поступать для питания приводных механизмов. Могут быть предусмотрены также модуль управления для управления работой приводных механизмов, турбинки и аккумуляторов, а также акустический коммуникационный блок для осуществления связи между модулем управления и удаленным объектом, таким как надводное судно или платформа. Благодаря использованию только электрических приводных механизмов, локальной выработке и локальному накоплению электроэнергии, а также применению акустической связи можно полностью отказаться от гибкого подводного трубопровода с целью значительного сокращения затрат.

Каждый электрический приводной механизм содержит электродвигатель. Локальные аккумуляторы осуществляют непосредственное снабжение электроэнергией электрических приводных механизмов, служащих для открывания и закрывания клапанов. Зарядка аккумуляторов производится от турбинки по мере необходимости. Модуль управления отслеживает состояние аккумуляторов и посылает сигнал для подключения к ним турбинки каждый раз, когда уровень заряда любого аккумулятора падает ниже заданного уровня. Система управления содержит акустический передатчик и акустический приемник для осуществления связи с удаленной станцией управления. Станция управления может быть расположена в любой точке мира. Для обеспечения такой возможности акустический передатчик и акустический приемник могут находиться в коммуникации с расположенным на поверхности буем, подключенным к системе спутниковой связи.

Таким образом, в одном из вариантов изобретения предлагается полностью автономная подводная установка, которая может функционировать, без каких-либо временных ограничений, не требуя вмешательства человека. При этом предусматривается система управления, которая может осуществлять слежение за скважиной и управлять ею без какого-либо внешнего участия, но с обеспечением доступа к собранным данным и с возможностью экстренного вмешательства в случае необходимости. Среди других задач система управления адаптирована для слежения за расходом флюида, текущего в линии подачи флюида, и для обеспечения правильного функционирования системы в целом. Реализация в данном варианте полностью электрической системы управления позволяет создать подводную установку, которая имеет более простую конструкцию и меньшую стоимость, чем существующие установки.

Изобретение представляет особый интерес применительно к нагнетательным скважинам, поскольку такие скважины часто находятся на удалении от других подводных установок, относящихся к тому же месторождению, и поэтому требуют использования отдельных гибких подводных трубопроводов. Среди других установок, в которых может найти использование настоящее изобретение, можно указать газовые скважины, к которым для обеспечения безопасного транспортирования газа на наземную станцию необходимо подавать флюид, ингибирующий гидратообразование.

Вторая установка, от которой прокладывается линия подачи флюида и которая содержит средства для увеличения энергии транспортируемого флюида, может представлять собой наземную или оффшорную (стационарную или плавучую) установку. Разумеется, от второй установки может быть проложено несколько линий подачи флюида к нескольким подводным установкам.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более понятным из нижеследующего описания, которое должно рассматриваться совместно с прилагаемыми чертежами, где сходные обозначения относятся к сходным частям и элементам.

Фиг.1 иллюстрирует один из вариантов изобретения.

На фиг.2 представлена схема подводной установки, соответствующей одному из вариантов изобретения.

На фиг.3 показан вариант выполнения байпасного контура.

На фиг.4 изображен вариант выполнения турбинки.

На фиг.5 приведена блок-схема варианта алгоритма слежения за направлением потока в трубопроводе и учета этого направления.

Хотя возможны многочисленные модификации изобретения, на чертежах и в описании подробно рассмотрены только конкретные варианты его осуществления. Однако должно быть понятно, что изобретение не должно быть ограничено только представленными вариантами. Напротив, оно должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, соответствующие изобретению, как оно определено в прилагаемых пунктах формулы.

Осуществление изобретения

Далее в иллюстративных целях будут описаны конкретные примеры выполнения изобретения. Для облегчения восприятия в описании будут опущены некоторые детали реальных вариантов осуществления. Разумеется, должно быть понятно, что в ходе реализации любого такого варианта должны приниматься многочисленные конкретные решения, направленные на достижение конкретных поставленных задач, например на обеспечение соответствия технических и экономических ограничений, которые будут различными от варианта к варианту.

Кроме того, должно быть также понятно, что разработка такого варианта может быть сложным и длительным процессом, однако для специалистов в данной области, знакомых с данным описанием, этот процесс будет соответствовать рутинному инженерному проектированию.

В дальнейшем описании изобретения, приводимом со ссылками на прилагаемые чертежи, используемые слова и выражения должны интерпретироваться в соответствии с их пониманием специалистами в данной области. Отсутствие специального определения термина или выражения, т.е. отсутствие определения, отличного от общеупотребительного среди специалистов, должно означать использование данного термина или выражения именно в этом общеупотребительном смысле. В том случае, когда какому-то термину или выражению придается специальный смысл, отличный от общеупотребительного, данному термину или выражению будет дано соответствующее четкое определение.

В соответствии с вариантом, представленным на фиг.1, подводная установка 1 находится на морском дне 2. Установка 1 включает в себя устьевую арматуру (фонтанную елку) 11, установленную на головке 12 скважины, завершающей верхнюю часть скважины, проходящей от морского дна до подземного углеводородного пласта. Фонтанная елка 11 содержит, по меньшей мере, одно электроуправляемое устройство, например электрический приводной механизм 13 для приведения в действие, по меньшей мере, одного клапана управления потоком (не изображен). К фонтанной елке 11 прикреплен электроуправляемый модуль 14 управления. В данном модуле 14 управления находится электронное оборудование для приема и передачи управляющих и телеметрических сигналов 19. Модуль 14 управления содержит также один или несколько электрических аккумуляторных устройств 22, 23 (см. фиг.2), например аккумуляторы, которые снабжают энергией электрические приводные механизмы и/или другие электрические устройства в составе елки 11 или головки 12 скважины. Кабель 15 проложен от модуля 14 управления до приводного механизма 13.

С модулем 14 управления может быть связано и другое оборудование, такое как различные электроуправляемые датчики. Фонтанная елка 11 может также включать неизображенную панель управления, позволяющую осуществлять, как это известно специалистам, ручное управление клапанами посредством дистанционно-управляемого аппарата (ДУА). Судно 3, например плавучая установка для нефтепереработки, находится на поверхности 4 воды. Линия 5 подачи флюида (текучей среды), например гибкий трубопровод, связывает судно 3 с елкой 11. Локальная система 30 выработки электроэнергии функционально связана с линией 5 подачи флюида. Кабель 31 соединяет систему 30 выработки электроэнергии с модулем 14 управления.

На елке 11 установлен акустический (точнее гидроакустический) коммуникационный блок 16, который связан с модулем 14 управления посредством кабеля 17. В состав коммуникационного блока 16 входят первая антенна 18, акустический передатчик (не изображен) и акустический приемник (не изображен). Судно 3 содержит вторую антенну 20 для приема и передачи акустических сигналов 19 управления и телеметрии, излучаемых и принимаемых антенной 18, находящейся на фонтанной елке 11. В других вариантах изобретения могут быть использованы другие методы коммуникации, например с применением радиоволн. В альтернативных вариантах антенна 18 может находиться на буе (не изображен), плавающем на поверхности 4 воды. Такой буй может быть связан с удаленной станцией посредством спутниковой связи, кабеля, радио или других подходящих средств связи.

В рассматриваемом варианте фонтанная елка 11 представляет собой арматуру устья водонагнетательной скважины. Вода прокачивается от судна 3 по линии 5 подачи флюида к подводной установке 1, через которую она нагнетается в пласт. Альтернативно, линия 5 подачи флюида может быть проложена от перерабатывающей/сепарационной установки (не изображена), расположенной на удалении от скважины. Данная установка осуществляет переработку флюидов, поступающих от других скважин, пробуренных в пласте, и разделяет содержащиеся в этих флюидах воду и углеводороды. Перерабатывающая/сепарационная установка может находиться в подводном положении, на судне, на платформе или на земле.

На фиг.2 представлена схема фонтанной елки 11, установленной на головке 12 скважины. Подводная скважина формируется обычным способом: сначала пробуривается ствол, в который вводится кондукторная труба, затем оборудуют устье скважины и спускают колонну концентричных обсадных труб, которые подвешивают на колонной головке. В завершение в скважину устанавливают колонну подъемных труб с трубной подвеской и присоединяют устьевую арматуру (елку) 11 к головке 12 скважины. На фиг.2 через 41 обозначен эксплуатационный канал, который сообщается с внутренним объемом внутренней (лифтовой) колонны. Через 42 обозначен кольцевой канал, который сообщается с кольцевым пространством между лифтовой колонной и внутренней колонной обсадных труб. Через 43 обозначена отводящая линия, через которую в обычной эксплуатационной скважине выводятся добываемые флюиды. В скважине для нагнетания воды (соответствующей данному варианту изобретения) отводящая линия используется для закачивания воды в скважину. Отводящая линия 43 соединена с линией 5 подачи флюида. Через 44 обозначена перемычка, соединяющая кольцевой канал 42 с эксплуатационным каналом 41.

Главный клапан (эксплуатационная задвижка) 45 установлен в эксплуатационном канале 41, а главный кольцевой клапан 46 - в кольцевом канале 42. Перепускной клапан 47 управляет потоком флюида через перемычку 44. Боковая задвижка (клапан 50) установлена в отводящей линии 43. Дроссельный клапан 48 управляет давлением в отводящей линии 43. Система 30 выработки электроэнергии содержит турбинку 60 (на фиг.2 не изображена), которая установлена в отводящей линии 43, как это будет подробно описано далее.

Каждый из клапанов 45, 46, 47, 48 и 50 приводится в действие электрическим приводным механизмом. Согласно одному из вариантов изобретения каждый электрический приводной механизм (не изображен) содержит электродвигатель, зубчатую передачу и приводной вал, который соединен со шпинделем клапана через стандартный интерфейс прикладного программирования API (Application Programming Interface). Согласно одному из вариантов в качестве электродвигателя может быть использован бесщеточный двигатель постоянного тока, а в качестве зубчатой передачи - планетарная передача. В качестве комплекта двигатель-коробка передач может быть использована сборка мод. ТРМ050, предлагаемая к продаже немецкой фирмой Wittenstein. С каждым электрическим приводным механизмом ассоциирован контроллер двигателя (не изображен) для приема сигналов от модуля 14 управления и посылки сигналов на этот модуль, а также для модулирования при получении соответствующих команд от модуля 14 управления мощности двигателя. Каждый электрический приводной механизм помещен в отдельный съемный модуль (не изображен). Наличие стандартного API-интерфейса позволяет в аварийной ситуации удалить приводной механизм и активировать шпиндель клапана с помощью ДУА или дайвера.

В состав устьевой арматуры входят также ремонтные клапаны 51 и 52. Эти дополнительные клапаны, которые могут приводиться в действие гидравлическими приводными механизмами (не изображены), используются для доступа к скважине в ситуациях ремонта. В этот период для снабжения гидравлической жидкостью любых остающихся гидравлических приводных механизмов и соединителя устьевой арматуры будет использоваться гибкий ремонтный трубопровод (не изображен). Как показано на фиг.2, данный трубопровод будет подсоединен к ремонтному блоку 54.

На подводной установке размещено также большое количество датчиков для слежения за различными параметрами системы. Один датчик 56 давления/температуры (ДТ-датчик) установлен в кольцевом канале 42. Другой ДТ-датчик 58 расположен в отводящей линии 43 перед (по направлению потока воды) участком, на котором расположен дроссельный клапан 48. Третий ДТ-датчик 57 находится в отводящей линии 43 за участком, на котором расположен дроссельный клапан 48. Датчики 57 и 58 служат для слежения за давлением флюида, закачиваемого в скважину. Поступающая от них информация используется для регулирования дроссельного клапана 48 таким образом, чтобы обеспечить требуемое давление закачиваемого флюида.

В модуле 14 управления имеется процессорный блок 21, который содержит электронные компоненты для передачи сигналов на различные устройства системы, включая гидроакустическую антенну 18, и для получения сигналов от этих устройств. Электронные компоненты блока 21, кроме того, управляют подачей электроэнергии к различным устройствам, включая электрические приводные механизмы клапанов. Один из вариантов модуля 14 управления содержит также (по соображениям надежности), по меньшей мере, два аккумулятора 22, 23. Процессорный блок 21 управляет работой электрических приводных механизмов (не изображены) и турбинки 60 (см. фиг.4), контролирует зарядку аккумуляторов 22, 23 через датчик зарядки (не изображен), а также принимает и подает сигналы связи как внутри системы, так и за ее пределы. Акустический коммуникационный блок 16 содержит антенну 18 и обеспечивает связь с приемной антенной 20 (см. фиг.1) на надводном судне, на платформе или на удаленной станции.

В других вариантах электрические приводные механизмы могут быть снабжены механическими пружинами аварийного срабатывания (не изображены) для обеспечения возможности аварийного перекрытия. В качестве примера такой пружиной снабжен клапан 50 (см. фиг.2) в отводящей линии 43 (именуемый также боковой задвижкой). В представленном примере другие электрические приводные механизмы показаны без пружин аварийного перекрытия. При наличии электропитания выполнение функции аварийного перекрытия может обеспечивать процессорный блок 21. При отсутствии электропитания электрические приводные механизмы в случае аварии будут находиться в своем текущем состоянии.

Как показано на фиг.3 и 4, в своем первом варианте выполнения система 30 выработки электроэнергии содержит турбинку 60, установленную в байпасном контуре 32, который связан с клапаном 38 управления потоком через фланцы 33 и 34. Турбинка 60 функционально связана с линией 5 подачи флюида, причем клапан 38 регулирует поток флюида из трубопровода 5 к турбинке 60. Указанный клапан 38 может приводиться в действие электрическим приводным механизмом (не изображен), управление которым может осуществляться модулем 14 управления (см. фиг 2). Благодаря такому выполнению через байпасный контур 32 может подаваться контролируемое количество флюида, необходимое для выработки, с использованием турбинки, электричества для зарядки аккумуляторов 22, 23 (см. фиг.2). Клапан 38 может устанавливаться в первое положение, при котором флюид, текущий по трубопроводу 5, проходит через байпасный контур 32. Кроме того, клапан 38 может устанавливаться во второе положение, при котором флюид, текущий по трубопроводу 5, полностью минует указанный контур 32.

Турбинка 60 показана на фиг.4. Она имеет множество лопастей 36, расположенных между центральным валом 39 и наружным ободом 35. Лопасти 36 равномерно распределены вокруг вала 39. Турбинка 60 приводится во вращение потоком флюида, текущего в контуре 32. На ободе 35 закреплены постоянные вращающиеся магниты, выполняющие функцию обмоток ротора. Дополнительные стационарные постоянные магниты 40, выполняющие функцию обмоток статора, жестко закреплены на кольце, окружающем постоянные магниты 37. Как это хорошо известно специалистам, вращение ротора внутри статора соответствует взаимному перемещению вращающихся и стационарных магнитов, что приводит к протеканию тока и, следовательно, к выработке электроэнергии. Обмотки статора выполнены таким образом, чтобы формировать известным образом трехфазное переменное напряжение или соответствующий ему сигнал.

В предпочтительном варианте турбинка устанавливается непосредственно в линии 5 подачи флюида, при этом клапан управления потоком не используется. В этом случае турбинка будет вращаться постоянно, независимо от наличия или отсутствия нагрузки. Это позволяет использовать ее для измерений, которые будут отслеживать состояние системы, как это будет более подробно пояснено далее.

Система по изобретению содержит датчики (не изображены) для определения скорости и направления вращения турбинки 60. Как правило, предусматриваются также измерители или датчики напряжения и тока, обеспечивающие возможность расчета мощности генератора. Выходная мощность может быть представлена в виде трех взаимно смещенных во времени синусоид (фаз) А, В и С. Временной интервал (лаг) между пиками смежных фаз (например, А и В) определяет частоту и, следовательно, угловую скорость турбинки 60. На этом принципе может быть построен датчик угловой скорости путем определения указанной частоты. Направление вращения турбинки 60 может быть определено по порядку следования трех фаз. Изменение этого порядка (например от АВС к ВАС) будет указывать на изменение направления вращения турбинки 60. С учетом этого обстоятельства имеется датчик направления вращения, определяющий порядок следования, по меньшей мере, двух из трех фаз трехфазного переменного сигнала. Датчики частоты и порядка следования фаз на выходе системы 30 могут предусматривать выполнение вычислительных процедур в процессорном блоке 21 модуля 14 управления (см. фиг.2).

При работе в нормальных условиях турбинка 60 работает в холостом режиме или с очень маленькой электрической нагрузкой. В этом режиме может производиться постоянное отслеживание угловой скорости и направления вращения. По измеренной скорости может быть определен расход Q флюида, что позволит обнаруживать прерывания потока. Когда турбинка 60 работает на электрическую нагрузку, может проводиться сравнение ее угловой скорости и тока, формируемого генератором. Такое решение позволяет отслеживать эффективность или показатель качества работы турбинки 60. Если результаты измерений названных параметров лежат в определенном интервале, это может указывать на ухудшение качества работы турбинки 60 и, следовательно, на целесообразность ее замены.

Еще один подход к измерению показателя качества работы турбинки 60 состоит в измерении падения ее угловой скорости при переходе к работе на нагрузку. Для конкретной турбинки 60 зависимость между выходным током и замедлением турбинки 60 при наличии нагрузки будет известно. Если замедление турбинки 60 и/или обеспечиваемый ею ток нагрузки отклоняется от данной известной зависимости, это может служить указанием на ухудшение показателей ее работы. Сравнение скорости турбинки 60 и вырабатываемого ею тока будет также характеризовать эффективность турбинки. Изменение получаемых отсчетов во времени может дать раннее предупреждение об ухудшении показателей работы турбинки 60, так что она может быть заменена при минимальной длительности остановки системы.

Измерение угловой скорости обеспечивает также возможность измерения потока, поскольку расход пропорционален количеству оборотов турбинки 60 в минуту. Результаты этих измерений могут быть сопоставлены с результатами аналогичных измерений на насосной станции, чтобы определить, имеются ли в системе какие-либо утечки.

Когда турбинка 60 начинает работать на электрическую нагрузку, датчик давления 58 (см. фиг.2) отметит падение давления. Такое падение будет пропорционально выходной мощности в соответствии с формулой Р= p×Q (где Р - выходная мощность, p - падение давления, a Q - расход). Результаты расчета по данной формуле могут быть сопоставлены с результатами измерения выходной мощности турбинки 60, чтобы оценить вероятность ухудшения параметров работы турбинки 60.

Применительно к нагнетательной скважине очень важно определять направление потока, поскольку изменение этого направления на противоположное будет указывать, что скважина, возможно, становится нестабильной и/или что вода течет из скважины. Если это явление имеет место, клапаны 45 и 46 управления потоком должны быть немедленно закрыты, чтобы предотвратить возникновение проблем. Алгоритм принятия такого решения представлен в форме блок-схемы на фиг.5. Направление потока может определяться двумя способами. Во-первых, как показано в левой части фиг.5, определяется направление вращения турбинки 60. Реверсирование вращения укажет, что поток течет в неправильном направлении, так что главный клапан 45 следует закрыть. Однако результат, полученный таким образом, может быть ложным, например вследствие дефектной работы турбинки 60. Чтобы получить подтверждение того, что направление потока, действительно, изменилось, измеряется также падение давления на дроссельном клапане, как это показано в правой части фиг.5. Если падение давления на указанном клапане является положительным, делается вывод о дефектности турбинки 60 с соответствующим уведомлением удаленной станции. Если же падение давления на дроссельном клапане является отрицательным, это подтверждает, что поток течет из скважины. В этом случае должно производиться автоматическое закрывание главного клапана 45.

Как показано на фиг.2, вода подается по линии 5 подачи флюида в каналы 43 и 41. Главный клапан 45 и клапан 50 на отводящей линии удерживаются в открытом положении, что позволяет закачивать воду в скважину и через нее в пласт. Модуль 14 управления осуществляет слежение за различными параметрами в скважине, включая уровень заряда на аккумуляторах 22, 23, и посылает эту информацию на удаленную станцию управления (не изображена), находящуюся на судне 3 (см фиг.1) или на земле. Когда модуль 14 управления обнаруживает, что уровень заряда аккумуляторов 22, 23 находится ниже первого заданного значения, выдается сигнал на перевод турбинки 60 в режим работы на нагрузку. В этом режиме турбинка 60 вырабатывает электроэнергию. Электричество, вырабатываемое турбинкой 60, подается по кабелю 31 на зарядку аккумуляторов 22, 23. Когда система управления обнаруживает, что уровень заряда аккумуляторов 22, 23 находится выше второго заданного значения, выдается сигнал на снятие электрической нагрузки с турбинки 60, так что она может вернуться в режим холостого хода. В этом режиме турбинка 60 генерирует малую мощность или вообще не генерирует электроэнергию.

В описанном варианте линия подачи флюида является линией подачи воды для ее закачки. Однако к устьевой арматуре в форме фонтанной елки могут подаваться и иные флюиды, которые могут быть использованы для той же цели, т.е. для получения энергии. Неограничивающий перечень таких флюидов может включать химические реагенты, например ингибиторы отложений или гидратообразования, метанол или моноэтиленгликоль. Согласно одному из вариантов подаваемый флюид не предназначен для использования в каких-то целях на подводной установке, а служит только для передачи ей энергии.

Скважинный клапан-отсекатель (не изображен) может представлять собой простой клапан одностороннего действия, например створчатый клапан. Клапан такого типа будет оставаться открытым до тех пор, пока флюид закачивается в скважину, но автоматически закроется при прекращении потока или при его реверсировании и перекроет скважину. В некоторых странах требуется наличие скважинного клапана-отсекателя, управляемого с поверхности. В этом случае может быть использован, например, клапан, описанный в патенте Норвегии № 313209. Поскольку данный клапан может управляться извне по отношению к устьевой арматуре, в нем может быть использован электрический приводной механизм. Клапан-отсекатель может также закрываться вручную, с использованием ДЭУ в случае необходимости.

Хотя изобретение было описано применительно к нагнетательной скважине, должно быть понятно, что, не выходя за пределы изобретения, схожую систему можно использовать и для эксплуатационной скважины или для группы скважин. Например, система 30 выработки электроэнергии может быть подключена к трубопроводу для подачи метанола или иного химического реагента. При этом соответствующий флюид будет подаваться под давлением, более высоким, чем это требуется для осуществления им своих функций, так что избыточная энергия потока может быть использована для вращения турбинки 60.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на создание системы выработки электроэнергии и на различные способы функционирования такой системы. В одном из иллюстративных примеров система содержит, по меньшей мере, одну линию подачи флюида, турбинку, которая функционально связана с данной линией и приводится во вращение флюидом, текущим по указанной линии с выработкой турбинкой электроэнергии при ее вращении.

В одном из иллюстративных примеров способ по изобретению включает функциональное связывание турбинки с линией подачи флюида и подачу потока флюида через турбинку с выработкой турбинкой электроэнергии.

Описанные выше конкретные варианты были приведены только в целях иллюстрации изобретения, которое может быть реализовано в различных модифицированных, но эквивалентных вариантах. Например, рассмотренные выше операции могут выполняться в другом порядке. Не предусматривается также никаких ограничений (помимо включенных в прилагаемую формулу изобретения) в отношении конструкции системы в целом или ее отдельных деталей. Очевидно, что конкретные варианты, описанные выше, могут быть изменены или модифицированы без выхода за пределы объема защиты изобретения, который соответственно определяется прилагаемой формулой.