专利名称：对不希望的流体入侵海底控制模块的监测的制作方法
技术领域：
本发明涉及对不希望的流体入侵进海底控制模块的监测。
背景技术：
海底井，如油气开采井，的液压和电子元件典型地安装在被称为海底控制模块 (SCM)的密封容器中，该密封容器位于被安装在井孔之上的海床上的采油树上。典型地，SCM 中充满电气绝缘油，以缓解将它设计成承受高压的需要，并为控制系统对抗海水环境提供 第一道防线。典型地，SCM容纳液压分路阀箱、方向控制阀以及其本身为密封单元的海底电 子模块(SEM)。这样，由SCM壳体的渗漏导致的海水入侵，或由液压系统中小的渗漏导致的 液压流体入侵，其本身不会引起控制系统的故障。然而，从历史来看，井操作员有必要知道 是否存在海水渗漏，因为这会导致SCM中元件的腐蚀和早于预期的系统失灵。现有装置由安装在绝缘板上的成套的金属电极对，或由带有插入SCM的绝缘插入 物的金属框架组成，该绝缘插入物典型地为底部和顶部之间相同间隔的四个插入物，每一 个通过低压源和串联电阻器连接到运算放大器，这样使得能够检测到导电海水的入侵，以 及，以简陋的方式，检测到原油填充物的取代程度。该技术的典型应用在
图1中以图解的方 式示出，其中SCM的罩壳1以透明轮廓显示，以显示安装在SCM的基底3上的电气绝缘板2， 成对的电极4安装在其上。图2显示了运算放大器6周围的电路5，放大器6典型地安装在 SCM内的SEM中并连接到电极对。由于与海水接触时，电极对之间的电阻非常小，即，事实上 为短路，它们在方块7中显示为开关接触点8、9、10和11。每对电极中的一个连接到典型 地为2V的电压源V。电路5的增益为放大器6两端的反馈电阻12与输入电阻器13、14、15 和16所提供的有效电阻的比率，每个输入电阻器与各自的电极对4中的一个电极及放大器 6的输入串联。每个输入电阻器被选择成电阻为反馈电阻器12的电阻的四分之一。这样， 如果水入侵罩壳1至与最低电极对成水平，那么方块7的接触点8被有效关闭，且运算放大 器6的输出17将上升至V的1/4。相似地，海水进一步入侵至剩下的电极对，随着接触点 9、10和11变得有效关闭，将导致输出17分别上升至1/2V、3/4V和V。这样，海水入侵水平 的简单指示通过SEM的电子电路获得，该电子电路读取电路5的输出17，并以模拟信号的数 字化形式将信息向上传递给井操作员，典型地通过作为井管理/诊断性遥感勘测的一部分 的井缆(well umbilical)进行传递。现有技术的问题是它不能检测由SCM中液压系统的渗漏所导致的液压流体入侵 SCM。目前，井操作员依靠流体源处的液压流体渗漏检测器，但是这些不能确认渗漏是否在 SCM内真的存在。进一步的问题是流经电极对的电流导致他们的腐蚀。本发明使得既能检测海水的入侵，又能检测SCM中液压流体的入侵，提供入侵程 度的更好的指示，并减少传感电极的腐蚀。最近在实验室中对SCM中被液压流体污染的绝缘油的传导性变化进行了测量，该 液压流体用于井控制系统，为基于乙二醇的反溶液(trans-aqua)流体。结果显示，油中污 染物的传导性远远小于海水所引起的传导性，从而，之前描述的现有污染检测技术不够灵 敏，从而不能检测到反溶液流体的入侵。测量还显示绝缘油中的海水和反溶液液压流体
3(乙二醇)导致不能溶合的流体，其中两种污染物的密度都大于油。从而，这些污染物的入 侵迫使油从SCM的基底向上转移。本发明提供用于监测不希望的流体入侵SCM的改进的方 法，使得能够检测反溶液液压流体及海水的入侵，同时仍提供入侵程度的区域性测量，并使 用实质上减少传感电极对的腐蚀的多种测量方法。发明概述根据本发明的一方面，提供了具有罩壳的海底控制模块，罩壳内部具有至少一对 电极，与每对电极相连的电子设备用于监测由于所述电极暴露于的流体而导致的电极之间 的至少一个电气特性，其中该对或每对电极包括阵列，在阵列中，电极对中的每一个电极具 有指状物部分与另一电极的指状物部分交错。罩壳的基底上可具有至少一个这种阵列。优选地，在罩壳的基底上有多个这种阵 列，其中每一个，例如，位于或接近罩壳的相应角落。优选地，有一个这种阵列布置在罩壳的侧壁上并覆盖侧壁的一区域。在这种情形 中，布置在侧壁上的所述阵列可覆盖侧壁的较低区域，该阵列，例如，也覆盖罩壳基底的一 部分。罩壳基底的所述部分可位于或接近罩壳的角落。优选地，至少一个另外的这种阵列在所述阵列之后布置在罩壳侧壁上，所述或每 个另外的这种阵列沿着罩壳侧壁覆盖各自的区域。所述至少一个电气特征可包括电阻和电容中的至少一个。优选地，所述或每个阵列布置在电气绝缘材料的垫子上。优选地，所述电子设备由控制模块的海底电子模块提供。根据本发明的另一个方面，提供了具有罩壳的海底控制模块，罩壳内部有多个电 极对，与每对电极相连的电子设备用于监测由于所述电极暴露于的流体而导致的电极对的 电极之间的至少一个电气特征，其中所述电极对布置在罩壳的基底上。优选地，还有多个另外的电极对，其中的每一对沿着罩壳侧壁覆盖各自的区域，所 述电子控制设备与每对所述另外的电极对中的每个电极对的电极相连。优选地，对本发明的两个方面，电子设备在选定的时间段内以选定的间隔向所述 或每对电极的电极之间施加信号。根据本发明的模块可包括感测罩壳中流体压力的压力传感设备，以用来提供由罩 壳内部的流体泄漏引起的压力增大的指示。根据本发明的模块可包括释放设备，以响应罩壳内部的流体压力增大超过阈值而 从罩壳释放流体。可有流量表与所述释放设备耦合以提供流体释放的指示。根据本发明的另一方面，提供了具有罩壳的海底控制模块，罩壳内部具有至少一 个电极对，与所述或每对电极相连的电子设备用于监测由于所述电极暴露于的流体而导致 的电极对之间的至少一个电气特征，其中所述电子设备在选定的时间段内以选定的间隔向 所述或每对电极的电极之间施加信号。根据本发明的另一个方面，提供了包括压力传感设备的海底控制模块，所述压力 传感设备用于感测模块的罩壳中流体的压力，以用来提供由罩壳内部的流体泄漏引起的压 力增大的指示。根据本发明的另一个方面，提供了包括释放设备的海底控制模块，所述释放设备
4用于响应罩壳内部的流体压力增大至大于阈值而从模块的罩壳释放流体。附图简述图1示出了先前技术的系统；图2示出了与图1的系统一起使用的电路；图3示出了根据本发明的实施方式的系统；图4、5和6示出了与图3的系统一起使用的电路形式；以及图7显示了如何提供压力释放设备。本发明的详细描述参考图3，图1系统中单独的电极对被以下电极对所代替，其中每对电极中的每个 电极具有指状物部分与另一电极的指状物部分交错或交织，以形成电极阵列。该阵列位于 电气绝缘的垫子18上，垫子18典型地安装在SCM的罩壳1的内部基底3上，并沿着SCM的 侧壁向上延伸。典型地，每个阵列被用铜印刷在柔性印刷线路板上然后镀金以进行防腐蚀 保护，该板安装在框架上。垫子被划分成四部分，较低的部分带有第一电极阵列19，包括水 平部分19a和垂直部分，其中水平部分19a在位于或接近罩壳1角落的基底3上的电气绝 缘垫上，垂直部分上升至SCM高度的四分之一。其他三个部分具有各自的电极阵列20、21 和22，并覆盖SCM高度的一半、四分之三和全部，从而产生四个垂直的检测区域。其他三个 小的水平镀金电极阵列带有形式为阵列23、24和25的交错的电极对，并且也安装在电气绝 缘垫上的SCM基底3上，分别位于或接近其他三个角落中的每一个。每个检测区域和三个 角落垫的电极对被连接到安装在SCM内的SEM中的调节和检测电路。垂直阵列19至22对 入侵SCM的不希望的流体的量提供测量，即，海水或液压流体或其二者对原始绝缘油的高 达四分之一、一半、四分之三和全部的替换。借助于部分19a的电极阵列19，以及电极阵列 19、23、24和25，即使在SCM的安装并不真的为垂直时，也提供对量很小的海水和/或液压 流体入侵的早期检测，典型地与调节和检测电路并联，并被当作一个阵列。图4示出了使用阵列电极之间电阻的变化来检测流体入侵的调节和检测电路的 方块图。当SCM中充满干净的、未污染的油，电极阵列19至25中的任何阵列的终端之间的 电阻非常高，典型地为数十兆欧姆。当少量反溶液流体入侵，例如，足够覆盖安装在SCM封 装基底上的垫子上的阵列时，电阻将下降至几十万欧姆。海水的入侵也将被系统检测到，因 为仅仅少量的入侵将覆盖位于SCM基底上的垫子上的至少一个阵列，并将该阵列的电极之 间的电阻降低至仅仅几十欧姆。每个垫子上的电极对，例如阵列19的电极对，由典型地为 从2伏特的低压DC源26通过电流测量电阻器27以及隔离开关28和29进行馈送。流经 电极对的电流产生馈送给差分放大器30的电压，差分放大器30产生模拟输出，该模拟输出 被转换成数字信息添加到通过井缆馈送至顶部的井监测遥测中。尽管图4中只显示了一个 电极阵列(19)，，其他阵列20-25由隔离开关，类似于图4中的29，依次选择。低压源26与 阵列的连接由隔离开关28控制，隔离开关28由典型地也位于SEM中的数字控制系统来操 作。隔离开关26仅关闭很短的时间段，长度仅足够使调节和检测电路进行测量，且不频繁 地重复。由于体入侵典型地为慢过程，超过10000比1的测量周期时间与测量执行时间比 率是足够的。这将由电解作用引起的垫子上的电极对的腐蚀减少至可以忽略的水平。重复 以上描述的过程以通过同样的低压源26检测海水的入侵，低压源26通过电流测量电阻器 31和隔离开关32连接到阵列，产生从差分放大器33到井遥测系统的输出。因为垫子上的
5电极对之间由液压流体入侵导致的电阻(千欧姆)远远大于由于海水入侵导致的电阻(数 十欧姆)，测量电阻器27的值远远大于电阻器31，以产生更大的检测电路增益。尽管海水 入侵将淹没液压流体入侵检测电路，这没有很大的关系，因为海水入侵检测本身足够严重 以使井操作员采取纠正措施。图5显示了用于流体入侵检测的可替换的调节和检测电路的方块图，该电路利用 任何垫子上电极对之间的电容变化来进行流体入侵检测。该方法也可用作电阻测量方法的 附加，以使井操作员更加确信(尤其是)液压流体入侵检测准确的。低压AC源被连接到桥 电路的两个臂的两端，桥电路包括三个电容器35、36和37，以及带有两个隔离开关38和39 的阵列19的电极对。桥的另外两个臂被连接到AC放大和检测电路40，以产生被馈送给井 的遥测系统的DC输出。电容器35、36和37的值被选择为使得其与阵列19浸在SCM内的 油中时的其电极对之间的电容相匹配，使得桥电路是平衡且没有到电路40的输出。液压流 体入侵到SCM中导致阵列19的电极对之间电容的变化，从而导致来自桥并进入放大和检测 电路40的AC输出，放大和检测电路40又产生到井遥测系统的输出。这个方法的变化形式 为电子调整电容器36的值，以保持桥的平衡，即来自放大和检测电路的零输出，并使用桥 平衡电容的测量作为井遥测系统的源。再次地，阵列19、23、24和25典型地与调节和检测 电路并联并被当作一个阵列，且对其他区域的监测通过由附加隔离开关来选择阵列20、21 和22而实现。图6显示了检测由不希望的流体入侵引起电容变化的可替换方法的方块图。这个 方法利用阵列19的电极之间的电容变化，该变化由海水和/或液压流体入侵时，电容被浸 没于其中的流体的电介常数的变化引起。电容的变化导致振荡器41的频率变化，该频率变 化可使用频率测量电路42，如鉴频器和检测器，进行测量并转化成DC输出作为到井遥感系 统的输出。阵列19由隔离开关38和39选择，且通过另外的隔离开关对阵列进行选择，可 监测不同的区域。再次地，阵列19、23、24和25典型地与调节和检测电路并联并被当作一 个阵列，且其他区域的监测通过由额外的隔离开关来选择阵列20、21和22而实现。SCM中液压流体的泄漏导致外罩壳1内压力的增大。典型地，这可由隔膜式压力 传感器43来监测，隔膜式压力传感器43安装在SCM外罩壳1的壁上，并与SCM中的SEM相 连，它的输出也被馈送进入井监测遥测系统。通过以上所描述方法进行的液压流体入侵检 测从而可得到压力变化的支持，给予井操作员对于检测过程的更大的置信度。为了给电气检测方法提高更加有力的支持，监测液压流体泄漏进入SCM的可替换 或额外的方法是在SCM罩壳上安装压差释放阀门和流量计，如图7中所示。压力释放阀门 44典型地被设置成，在SCM中的压力由于液压流体的渗漏而超过外部环境压力5psi时开 启。当阀门44开启时，从SCM流向环境的流体被流量计45检测到，流量计45的电气输出 与井监测遥测系统相连，从而将流体渗漏通知井操作员。使用本发明的优势本发明的关键优势在于，本发明在没有海水入侵的情况下能够检测SCM内部液压 流体的泄漏，并提供泄漏程度的指示，而这两种优势在现有SCM入侵流体入侵检测系统中 都是不可能的。并且本系统还检测海水的入侵。检测电极的腐蚀也基本上被消除了。
权利要求
一种海底控制模块，具有罩壳，在所述罩壳内部有至少一对电极，有电子设备与所述或每对电极相连，以监测由于所述电极暴露于的流体而导致的所述电极之间的至少一个电气特性，其中所述或每对电极包括一阵列，在该阵列中，所述对中的每一个电极具有与另一电极的指状物部分交错的指状物部分。
2.根据权利要求1所述的控制模块，其中所述罩壳的基底上有至少一个这种阵列。
3.根据权利要求2所述的控制模块，其中所述罩壳的基底上有多个这种阵列。
4.根据权利要求3所述的控制模块，其中所述多个这种阵列中的每一个位于或接近所 述罩壳的相应角落。
5.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，其中有一这种阵列布置在所述罩壳的侧 壁上并覆盖所述侧壁的区域。
6.根据权利要求5所述的控制模块，其中布置在侧壁上的所述阵列覆盖所述侧壁的较 低区域。
7.根据权利要求6所述的控制模块，其中布置在侧壁上的所述阵列也覆盖所述罩壳的 所述基底的一部分。
8.根据权利要求7所述的控制模块，其中所述罩壳的所述基底的所述部分位于或接近 所述罩壳的角落。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的控制模块，其中有至少一个另外的这种阵列在 所述阵列之后布置在所述罩壳的侧壁上，所述或每个另外的这种模块沿着所述罩壳的所述 侧壁覆盖各自的区域。
10.一种海底控制模块，具有罩壳，所述罩壳的内部有多个电极对，有电子设备与每对 电极相连，用于监测由于所述电极暴露于的流体而导致的所述对的电极之间的至少一个电 气特征，其中所述电极对布置在所述罩壳的基底上。
11.根据权利要求10所述的控制模块，其中具有多个另外的电极对，所述多个另外的 电极对中的每一对沿着所述罩壳的侧壁覆盖各自的区域，所述电子控制设备与所述另外的 电极对中的每一对的电极相连。
12.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，其中所述至少一个电气特征包括电阻 和电容中的至少一个。
13.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，其中所述或每个阵列布置在电气绝缘 材料垫子上。
14.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，其中所述电子设备由所述控制模块的 海底电子模块提供。
15.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，其中所述电子设备在选定的时间段内 以选定的间隔向所述或每对电极的电极之间施加信号。
16.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，包括压力传感设备，所述压力传感设备 感测所述罩壳中流体压力，以用于提供由所述罩壳内的流体泄漏引起的压力增大的指示。
17.根据前述任一项权利要求所述的控制模块，包括释放设备，所述释放设备响应于所 述罩壳内的流体压力增大超过阈值而从所述罩壳释放流体。
18.根据权利要求17所述的控制模块，包括与所述释放设备耦合的流量计，以提供对 流体释放的指示。
全文摘要
本发明涉及对不希望的流体入侵海底控制模块的监测。一种海底控制模块，具有罩壳(1)，所述罩壳内部具有至少一对电极，电子设备(26-33)与所述或每对电极相连，以监测所述电极之间的至少一个电气特征，以作为所述电极被暴露于流体中的结果，所述或每个电极对包括阵列(19)，其中电极对中的每个电极具有指状物部分与另一电极的指状物部分交错。
文档编号G01M3/16GK101929912SQ201010203650
公开日2010年12月29日 申请日期2010年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者朱利安·R·戴维斯, 西蒙·大卫·吉尔, 阿德里安·约翰·德里克 申请人:维特科格雷控制有限公司