专利名称：用于海底井组件的阴极保护的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及海底石油开采(oil production)和气体开采(gas production)， 且特别涉及用于保护海底井组件不受到使用电荷的盐水腐蚀作用的设备和方法。
背景技术：
海底井开采系统的部件、包括相关的开采井口、采油树(tree)和歧管通常由钢建成，这需要保护以防止海水腐蚀。牺牲阴极保护经常被用来保护钢部件。为了进行阴极保护，铝或锌牺牲阳极附连到井部件，并且阳极腐蚀以便产生保护钢不被腐蚀的电流。海水中的腐蚀是电化学过程。在金属与环境的化学反应形成腐蚀产物(例如钢上的锈)期间，金属原子释放一个或多个电子来成为带正电荷的离子，并且氧气和水结合来形成带负电荷的离子。该反应以导致没有电荷积聚的速率发生。通过其它反应消耗由金属原子释放的所有的电子。阴极保护是通过形成电场以便电流流入金属来防止腐蚀反应的过程。这通过在表面建立电势梯度来防止金属离子的形成，该电势梯度抵制由离开金属表面 (作为腐蚀产物)的带电离子的流动所产生的电流。电场必须具有对抗由腐蚀反应产生的场的强度来确保不形成金属离子。抵制腐蚀反应的电场的来源可以是由环境中具有不同的电化学性能的金属阳极的优先腐蚀所供应的电流，并且该金属阳极相比离岸结构与该环境具有更强的阳极反应。因此，电流从阳极流向该结构，这本身比结构优先地逐步侵蚀。该技术被称为牺牲阳极的阴极保护。虽然牺牲阳极的阴极保护对于防止井开采系统腐蚀是运转良好的，被动系统存在一些问题。系统中使用的阳极必须适当地安置并且遍及井开采系统分布(即，在采油树 (Christmas tree)的各种部件上)来确保通过电化学反应引发适当的电场。这些阳极的添加大大增加了采油树结构的重量。而且，阳极通常不能在井的寿命期间操作，该寿命在开采上可以是50年或以上。最后，电流会影响牺牲系统的功效。因此，必须监测阳极的状态且失效的阳极必须定期更换，这由于阳极的位置从而是困难的。
发明内容
本文公开了海底井组件；其中在示例实施例中该海底井组件包括附连到电源的脐带缆。电源可以在平台上。还包括连接器，其用于将该脐带缆连接到对于海底井组件所包含的收容部，以及向海底井组件输送电力和控制信号的海底控制模块。外加电流保护模块集成在海底控制模块中，该海底控制模块接收来自脐带缆的电力。在另一个实施例中，海底控制模块进一步包括具有设置在其中的电感器的电力组；该电力组从脐带缆接收交流电流信号并向海底控制模块中的部件输送电力。在备选实施例中，关于海底控制模块，还包括海底电子模块，其由电力组提供电力。海底电子模块监测井口组件中的各种测量，其包括各种液压线路的温度和压力，并且致动定向控制阀以控制通过井组件的线路和阀的液压流体的流量并且向外加电流保护模块输送电力。然而进一步可选择地，海底控制模块进一步包括连接到定向控制阀和泵的流体容器。在示例实施例中该流体容器向井口组件供应液压流体且包括出口线路和返回线路。阳极可以由锌制成。备选地，进一步包括沿海床分布的多个阳极。在一个可选实施例中，外加电流保护模块还包括连接到阳极的正极端子和连接到井口组件的负极端子。可选地，该负极端子可以连接到海底控制模块的外壳。在再另一个备选实施例中，外加电流保护模块包括用于调节输送到阳极的电力的变压器，以及用于将来自该变压器的AC电压转换成DC电压用于输送给阳极的AC-DC转换器。
因此，可更详细地理解将清楚表现本发明的特征和优势以及其它方面所采用的方式，可通过参考其实施例(其在形成本说明书的一部分的附图中说明)来提供上文简要概括的本发明的更具体的说明。然而，要注意，图只图示本发明的各种实施例并且因此不视为限制本发明的范围，因为本发明也可包括其他有效的实施例。图1是根据本发明的实施例采用外加电流保护系统的海底井开采系统的示意框图。图2是海底控制模块的框图，该海底控制模块根据本发明的实施例包括外加电流保护系统。图3是根据本发明的实施例的外加电流保护系统的框图。
具体实施例方式本发明现在将参考附图(其中示出本发明的实施例)在下文更充分地描述。然而， 本发明可以许多不同形式体现并且不应解释为受到本文阐述的图示实施例的限制；相反， 提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。相似的数字始终代表相似的部件。参考图1描述海底井组件。如可以看出的，海底井组件10被安置于海床12上，其中该海底井组件10通过脐带缆16连接到平台14和命令站(未示出)。根据本发明的实施例，井口组件10可包括开采树18、井口组件20、开采管线22、海底控制模块M和外加电流保护模块26以及外加电流阳极观。如本领域的技术人员将理解的，井口组件10可包括开采树18、井口组件20、开采管线22、以常规方式配置的海底控制模块M。例如，井口组件 20可包括井口外壳、管悬挂器绕线轴等，其支承其中的开采管。平台14可以具有多种类型且将具有用于钻井和完井作业的起重机和绞车，并且还可具有位于其上的用于监测海底井组件的状况和控制海底控制模块M的本地控制站。 脐带缆线16并排地延伸，但不在海底井组件10内，且供应电力和液压功率。在护套内，脐带缆线16包括多个用于连接到外壳以控制海底井组件10的各种功能的导线，并且使用ROV 连接到外壳。例如，交互连接器(未示出)可插入到海底井组件10的接合构件内。因此， 海底井组件10具有位于其侧壁上的收容部(未示出)，其通向位于开采树18上的海底控制模块M的各种电部件。在一些配置中，交互连接器也可具有延伸出且密封接合海底组件中的收容部的柱塞。如本领域的技术人员将意识到的，虽然本文没有具体地公开，这样的连接机制在本领域内是已知的。海底控制模块M设置在开采树上。海底控制模块M在图2和3中示出且包括电和液压控制，其优选地包括当通过脐带缆16接收信号时供应加压液压流体的液压蓄能器108。海底控制模块的功能包括故障安全返回开采树致动器的常规操作和例如安全阀等井下阀(downhole valve)的控制；流量控制节流阀、截止阀、歧管分流阀、化学注射阀等的控制；在歧管上和开采树内监测井下压力、温度和流率，以及储存在流体容器108中的液压流体的控制。脐带缆16向上延伸到安装在平台14上的控制站[未示出]。如在图2中示出的，海底控制模块(SCM) M包括外加电流保护模块沈、海底电子模块(SEM) 106、流体容器108、泵110、定向控制阀模块(DVC) 111和阳极28。如在图3中示出的，外加电流保护模块26包括电源302，其可以是例如变压器、AC/DC转换器(例如，整流器)和正负极端子。变压器通过海底电子模块从例如脐带缆接收电力，且变压器被用于提升或降低电压。备选地，外加电流保护模块26可以从集成在海底控制模块M内的电力组 (未示出)接收电力以给各种部件供应电力。如本领域的技术人员将意识到的，变压器可以用来从一个电路到另一个传递AC电压，从而充当第二电路的电源。在该实例中，变压器传递适于在阳极内形成合适的电场的电压。变压器通过例如整流器等AC-DC转换器304传递AC电压以向端子306供应DC电压。端子306由正极端子(其连接到阳极)和在例如海底控制模块的套管、井口、开采树和歧管等上接地的负极端子组成。正极端子连接到阳极观，其可以由例如锌、镁等制成并且与处于负极的阳极一起完成外加电流电路。如此，本发明的外加电流保护系统可以与多个井结构和井一起使用。返回到图2，海底电子模块(SEM) 106从例如电力组(未示出)接收信号来向其功能提供电力且可进一步将信号转换为数字信号以由SEM 106的电子部件中的一些(例如微控制器和其他数字装置)使用。用这种方法，脐带缆从控制站传输电力和控制信号到海底井组件。SEM 106监测和控制海底设备，其包括如在本领域中常规已知的所有传感器、阀和外部泵和DCV模块。如可以看出的，DCV 111在SEM 106的方向操作以使用泵110输出储存在海底井组件内的流体容器108中的液压流体来致动流动。现在将描述图1的实施例的操作示例。R0V(未示出)将脐带缆连接到交互连接器(未示出)。这导致连接器进入至与海底井组件上的收容部密封接合。然后操作者提供电力给脐带缆且提供AC电力和控制信号给SCM 24，其进而给外加电流保护模块提供电力。 一旦对外加电流保护模块接通电源，从阳极观到接地“阴极”或井口组件的电流被用来保护井口组件不被腐蚀。在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，且虽然使用了专用名词，术语仅以描述性意义使用并不为限制目的。已经具体参考这些图示实施例相当详细地描述了本发明。然而，可以如在前面的说明书中描述的那样在本发明的精神和范围内作出各种修改和改变，这将是明显的。
权利要求
1.一种海底井组件，其包括 脐带缆，其连接到平台上的电源；连接器，用于将所述脐带缆连接到所述海底井组件中的收容部； 输送电力和控制信号到所述海底井组件的海底控制模块；以及集成在所述海底控制模块中的外加电流保护模块，所述外加电流保护模块从所述脐带缆接收电力。
2.如权利要求1所述的井口组件，其中所述海底控制模块进一步包括具有设置在其中的电感器的电力组，所述电力组适于从所述脐带缆接收交流电流信号以及适于输送电力给所述海底控制模块中的部件；由所述电力组供电的海底电子模块，所述海底电子模块监测所述井口组件中的其中包括各种液压线路的温度和压力的各种测量，以及致动定向控制阀以控制液压流体通过井组件的线路和阀的流量并且向所述外加电流保护模块输送电力。
3.如权利要求2所述的井口组件，其中所述海底控制模块进一步包括连接到定向控制阀和泵的流体容器，所述流体容器向所述井口组件供应液压流体，所述流体容器具有出口线路和返回线路。
4.如权利要求3所述的井口组件，其中所述阳极由锌制成。
5.如权利要求4所述的井口组件，其中所述阳极包括沿海床分布的多个阳极。
6.如权利要求1所述的井口组件，其中所述外加电流保护模块进一步包括正极和负极端子，所述正极端子连接到所述阳极，且所述负极端子连接到所述井口组件。
7.如权利要求6所述的井口组件，其中所述负极端子连接到所述海底控制模块的外tJXi O
8.如权利要求6所述的井口组件，其中所述外加电流保护模块进一步包括 变压器，用于调节输送到所述阳极的电力，以及AC-DC转换器，用于将来自所述变压器的AC电压转换DC电压用于输送给所述阳极。
全文摘要
本发明涉及用于海底井组件的阴极保护的系统和方法。本文公开了海底井组件；其中在示例实施例中，该海底井组件包括附连到电源的脐带缆。该电源可以在平台上。还包括用于将脐带缆连接到对于海底井组件所包含的收容部的连接器，以及向海底井组件输送电力和控制信号的海底控制模块。外加电流保护模块集成在从脐带缆接收电力的海底控制模块中。
文档编号E21B43/01GK102586785SQ20111046324
公开日2012年7月18日 申请日期2011年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者R·诺克斯 申请人:韦特柯格雷公司