水下采油树阀门测试的制作方法

本发明涉及一种对水下采油树的阀门进行测试的方法以及一种包括水下采油树和阀门测试组件的系统。

背景技术：

1、水下井，诸如生产井和注入井，在从储层提取碳氢化合物流体的期间用于油气生产领域。水下井也可以用于碳捕集与封存(ccs)以促进将co2注入地下地层的情况。水下井通常设置有采油树(也称为christmas tree)，该采油树包括用于调节流体流入或流出井的阀门和管道的布置。采油树通常安装在水下井的井口处。

2、在传统系统中，服务管线将水下采油树流体连接到水上化学品储存系统。该服务管线的目的是向水下井供应所需的化学品(例如meg)并且也执行所有所需的井完整性测试。服务管线通常作为单独的管线提供，或者被集成为控制管缆的一部分。

3、定期测试采油树中阀门的运行，以检测阀门的任何泄漏或故障是很重要的。执行各种测试顺序以按顺序测试采油树中的每个阀门。为了测试阀门是否正确运行，在阀门的两侧产生通常在30至70巴的范围内的压差，并且检查阀门的流体泄漏。

4、当对高压管线上的阀门进行测试时，通过将阀门的下游管线中的流体排放回服务管线，从而使阀门的下游侧减压，可以生成这种压差。然而，由于服务管线内流体的重量，利用该技术可实现的下游区域的最小压力近似为环境压力(即，近似为在采油树的深度处的周围海洋的压力)。如果这不足以实现所需的压差，例如，如果阀门的上游侧的压力太接近环境压力，则有必要人为地增加上游区域的压力，例如，通过将化学品从水上化学品储存系统经由服务管线注入采油树中。

5、由于所需的高压，以这种方式给采油树加压可能是危险的，并且还可能需要注入大量流体。在某些情况下，例如，当阀门的上游侧流体连接到通常处于相对较低的压力下的井的环空时，阀门的测试可能需要人为地增大整个环空内的压力，这进一步增大了所涉及的风险。

技术实现思路

1、提供希望提供一种用于测试水下采油树的阀门的方法和系统，该方法和系统是安全的并且执行起来相对简单。

2、从第一方面看，本发明提供了一种用于测试水下采油树的阀门的方法，该水下采油树被布置成控制流体流入或流出水下井，该方法包括：关闭要测试的阀门；对水下采油树的与要测试的阀门直接相邻的可隔离区域进行流体隔离；在被隔离之后，使用被定位在水下的压力操纵装置将可隔离区域减压至低于环境水下压力的压力或者对可隔离区域进行加压；在被减压或加压之后对可隔离区域的压力进行监测；以及基于该监测来确定要测试的阀门是否正确地运行。

3、由于压力操纵装置被定位在水下，而不是位于水上，因此可能不再需要提供将水下采油树连接到水上系统的服务管线，因为压力操纵装置位于水下。

4、此外，在可隔离区域中可实现的最小压力不受服务管线中的流体的重量的限制。因此，在一些实施例中，可隔离区域可以被减压至低于环境压力。结果，该系统可以在要测试的阀门的两侧实现目标压差，而不需要首先对阀门的一侧加压，即使该侧的压力相对较低。从而将与在系统中产生的人为高压相关联的危险降至最低。因此，本方法可以提供比现有系统提高的安全性。

5、本发明还扩展到相关的系统。因此，从第二方面看，本发明提供了一种系统，该系统包括：水下采油树，该水下采油树用于控制流体流入或流出水下井，该水下采油树包括要测试的阀门，其中该系统被构造成使得水下采油树的与要测试的阀门直接相邻的可隔离区域能够在阀门测试操作期间被流体隔离；压力操纵装置，该压力操纵装置被定位在水下并且连接到水下采油树，使得压力操纵装置能够在阀门测试操作期间将可隔离区域内的流体减压至低于环境水下压力的压力或对可隔离区域内的流体进行加压；以及感测装置，该感测装置被布置成测量可隔离区域的压力以确定要测试的阀门的正确运行。

6、可以使用第二方面的系统来执行第一方面的方法。第二方面的系统可以包括控制器，该控制器被构造成使用第一方面的方法来操作系统。

7、该系统和方法还可以包括本文所述的任何特征。

8、水下采油树可以用于控制流体流入或流出任何合适的水下井，例如碳氢化合物流体生产井(例如，油生产井或气生产井)、液体注入井(例如，水注入井或液体co2注入井)、气体注入井(例如，co2注入井)等。注入井可以用于在油/气生产期间注入气体或液体，或者在ccs的情况下替代地用于气态或液态co2注入。水下采油树可以被安装到水下井的井口。

9、除了要测试的阀门之外，水下采油树优选地包括一个或多个其他阀门。要测试的阀门和/或任何一个或多个其他阀门可以包括闸阀、环空主阀(amv)、环空隔离阀(aiv)、环空抽汲阀(asv)、环空翼阀(awv)、环空排气阀(avv)、气体注入阀(giv)、生产主阀(pmv)、生产抽汲阀(psv)、生产翼阀(pwv)、地面控制的水下表面安全阀(scssv；也称为井下安全阀)、服务注入阀(siv)等。在井的正常操作期间进入井(例如，用于注入的水或气体)或离开井(例如，所生产的碳氢化合物)的流体的流动优选地通过打开和关闭水下采油树内的流体流动路径的一个或多个阀门的操作来控制。

10、与要测试的阀门直接相邻的可隔离区域优选地意味着在可隔离区域与要测试的阀门之间没有其他部件，即，使得要测试的阀门本身形成可隔离区域的边界。除了要测试的阀门之外，可隔离区域还可以包括水下采油树的一个或多个其他阀门以及在所述阀门之间互连的管线的一个部分或多个部分。该管线的一个部分或多个部分可以包括生产线、环空线、化学品注入线、水或气体注入线等的部分。水下采油树的可隔离区域可以通过关闭界定可隔离区域的阀门(除了关闭要测试的阀门之外)而被流体隔离，从而密封互连管线。因此，在执行隔离之后，可隔离区域内的任何流体在执行减压或加压之前都被容纳在可隔离区域中。

11、在可隔离区域被减压的实施例中，采油树的可隔离区域优选地为要测试的阀门的直接下游的区域(a region directly downstream of the valve to be tested)，因为阀门通常被测试使得较高的压力在阀门的上游侧，而较低的压力在阀门的下游侧，因为这最接近对应于它们的正常操作条件。然而，可隔离区域可以可替代地为阀门的直接上游的区域。

12、在可隔离区域被加压的实施例中，采油树的可隔离区域优选地是要测试的阀门的直接上游的区域。然而，可隔离区域也可以是阀门的直接下游的区域。

13、术语“下游”和“上游”是指在水下采油树的正常操作中，例如当井正在生产时或注入正在发生时，流体流过水下采油树的方向。

14、感测装置，例如压力传感器，被布置成测量可隔离区域的压力。系统可以包括另外的压力传感器，该另外的压力传感器被布置成监测系统的其他区域的压力，例如环形交叉、生产交叉、环空等。来自一个或多个压力传感器的信号可以用于确定要测试的阀门两侧的压差。压差是阀门的上游侧与阀门的下游侧之间的压力差，并且可以被称为“德尔塔(delta)压力”。

15、优选地使用压力操纵装置对可隔离区域进行减压或加压，使得在要测试的阀门两侧实现期望的压差或目标压差。目标压差可以基于例如阀门的规格或要求阀门满足的规定来确定。目标压差可以是至少10巴，并且优选地是至少20巴。在优选的实施例中，目标压差在30至70巴的范围内。来自(多个)压力传感器的信号可以用于控制压力操纵装置，例如，一旦达到目标压差就停止压力操纵装置。

16、压力操纵装置可以是能够在水下部署的任何合适的装置，并且可以被构造成在阀门测试操作期间将采油树的可隔离区域减压至低于环境水下压力的压力和/或对采油树的可隔离区域进行加压。环境压力是水下采油树的深度处周围海域的压力(例如，在海平面以下1000m处，环境压力可能约为100巴(g))。

17、压力操纵装置可以能够执行如本文所描述的加压和减压。

18、在一些实施例中，压力操纵装置可以包括可控体积，例如其体积可以以可控方式增大和减小的腔室。可控体积优选地经由导管(例如服务管线)与可隔离区域流体连通。由导管限定的流体流动路径可以通过一个或多个阀门(例如服务管线阀门)的操作来打开和关闭。因此，当服务管线阀门被打开时，可隔离区域中的流体可以通过导管流入可控体积中。然后，可以例如使用合适的控制器和/或致动器来调节可控体积的体积，直到达到期望的压力或压差。因此，对可隔离区域进行减压可以包括打开服务管线阀门并且扩大可控体积的体积。相反地，对可隔离区域进行加压可以包括打开服务管线阀门并且收缩可控体积的体积。因此，相同的可控体积可以用于根据需要而对可隔离区域进行加压和减压，以实现阀门测试压差。

19、在其他实施例中，压力操纵装置可以包括用于对可隔离区域进行减压或加压的其他装置，诸如泵或类似物。

20、压力操纵装置可以可选地包括加热器。在压力操纵装置中应用加热可以防止水合物的形成，该水合物的形成在生产井和注入井(包括co2注入井)中都可能是个问题。

21、压力操纵装置优选地位于水下采油树附近，例如在水下采油树的约20m内、约10m内、约5m内或2m内。在一些实施例中，压力操纵装置可以被安装在水下采油树上或与水下采油树集成。这允许压力操纵装置与水下采油树之间的互连导管相对短，由于被操纵的流体体积相对低(即，与长导管相比)，提高了可隔离区域的压力可被操纵的容易性。压力操纵装置优选地位于与水下采油树相同的水下深度处或附近，使得互连导管内的流体的重量不会过度限制可由压力操纵装置在可隔离区域中实现的最小压力。例如，压力操纵装置可以位于要测试的阀门的深度上方和/或下方小于20m的深度处，优选地，上方和/或下方小于10m的深度处，更优选地，上方和/或下方小于5m的深度处。

22、压力操纵装置可以由合适的驱动单元(诸如液压动力单元或电动致动器)驱动(例如，控制或致动)。驱动单元优选地也位于水下。驱动单元可以被构造成调节压力操纵装置的可控体积的体积，从而在阀门测试操作期间控制可隔离区域的压力。驱动单元可以例如控制可控体积的壁的位置，其中壁的位置影响可控体积的大小。驱动单元可以通过液压操作、机动运动或任何其他合适的技术来改变壁的位置。

23、在优选的实施例中，压力操纵装置包括使用水下液压动力单元驱动的液压活塞。液压活塞优选地包括通过活塞杆连接的工作腔室和至少一个驱动腔室。工作腔室的壁可以由活塞杆的端部形成。工作腔室可以经由服务管线流体连接到水下采油树的可隔离区域。工作腔室和驱动腔室可以被构造成使得当活塞杆沿第一方向移动时，工作腔室的体积增大，而驱动腔室的体积减小，反之亦然。

24、在这样的实施例中，可以使用水下动力单元的液压回路来控制活塞杆的位置(并由此控制工作腔室的体积)。液压回路可以流体地连接到驱动腔室，并且可以被构造成使得液压流体可以被注入到驱动腔室中或从驱动腔室中抽出，以使活塞杆相应地移动。水下液压动力单元优选地包括为此目的配置的泵。泵可以经由方向控制阀门(dcv)连接到驱动腔室，该方向控制阀门被构造成允许流体流过两个或更多个不同的路径。dcv可以在多个位置之间切换，以根据需要使流体泵入或泵出驱动腔室，从而沿第一方向或第二方向驱动活塞杆(即，使工作腔室扩大或收缩)。液压回路可以包括一个或多个液压蓄积器(诸如高压蓄积器和/或低压蓄积器)，以临时储存液压流体并在需要时将流体返回到回路中。

25、在替代的实施例中，压力操纵装置可以包括使用电动致动器驱动的活塞。活塞可以包括工作腔室，该工作腔室的体积可通过活塞杆的致动来调节，其中活塞杆由电动致动器控制。工作腔室可以经由服务管线流体连接到水下采油树的可隔离区域。电动致动器可以包括旋转元件，其旋转运动可以通过例如使用滚珠丝杠转换为活塞杆的线性运动。电动致动器是有优势的，因为它们可以具有可变的速度并停止在精确的位置处，从而实现对可隔离区域的压力的精确控制，并且它们通常比液压致动器便宜。

26、当水下井是生产井时，包括液压活塞和水下液压动力单元的实施例可能是优选的，因为需要来自驱动单元的更多力。然而，电动致动器可能能够为生产井提供足够的力，因此电动致动器可以在这种情况下用于提供更精确的位置控制和降低的成本。当水下井是注入井时，包括活塞和电动单元的实施例可能是优选的，因为需要来自驱动单元的较小的力，并且因此更简单的电动致动器足以用于压力操纵。

27、压力操纵装置可以包括流体蓄积装置(诸如蓄积器)，该流体蓄积装置可以被构造成接收并临时储存来自压力操纵装置的腔室的流体。蓄积器可以帮助在要测试的阀门两侧产生快速的德尔塔压力，以实现良好的密封，这在阀门的压力测试期间是非常重要的。当蓄积器中所包含的流体是碳氢化合物流体时，蓄积器可以充分良好地绝缘以防止水合物或蜡的形成。蓄积器和/或可控体积也可以为此目的被加热，如前所述。

28、可控体积的体积，例如活塞杆的位置，可以使用合适的控制器来控制。控制器可以被构造成控制可控体积的体积，直到已经达到目标压差。控制器可以接收来自系统中的一个或更多个压力传感器(特别是监测可隔离区域和/或可控体积中的压力的压力传感器)的信号，使得控制器可以确定何时已经达到目标压差。

29、在一些实施例中，要测试的阀门的上游侧可以在阀门测试操作期间流体连接到井的环空。因此，在测试操作期间阀门的直接上游的压力可以是环空的压力。在这样的实施例中，测试操作可以在井正在生产的同时进行。在这些实施例中可以特别认识到所描述的方法的优点，因为环空压力在井的使用寿命内具有降低的趋势。因此，随着环空压力在井的使用寿命接近尾声时降低，在环空压力与环境压力之间的压差可能不足以用于井阀门测试目的(例如，压差可能小于最小目标压差)。在这种情况下，传统系统将需要首先对环空进行加压，这具有先前提到的安全风险。根据所描述的方法，代提人为地提高环空压力，可以使用压力操纵装置将下游压力降低到低于环境压力。因此，在不需要提高环空压力的情况下，仍然可以实现用于阀门测试的目标压差。

30、在已经实现目标压差之后，可隔离区域可以再次流体隔离，例如通过关闭可隔离区域与在减压或加压步骤期间已打开的压力操纵装置之间的流体连接。

31、在减压或加压之后对可隔离区域的压力的监测可以执行预定的时间段(例如，10分钟)。如果要测试的阀门正确地运行，并且没有泄漏，则在此期间，可隔离区域的压力应该没有变化或变化很小。如果要测试的阀门是有故障的，则来自阀门的相对加压侧的一些流体可能泄漏到相对低压侧，从而改变可隔离区域的压力。这也会导致压差随着阀门两侧的压力相等而减小。因此，如果可隔离区域被减压，则在预定的时间段期间，可隔离区域中的压力增大和/或要测试的阀门两侧的压差减小可以指示阀门的泄漏，即，阀门没有正确地运行。类似地，如果可隔离区域被加压，则在预定时间段期间，可隔离区域中的压力减小和/或要测试的阀门两侧的压差减小可以指示阀门的泄漏。

32、尽管在测试操作期间优选为在要测试的阀门两侧没有流体泄露，但是阀门两侧可能存在一些可接受的流体的泄漏率。因此，如果在监测期间可隔离区域的压力以高于预定阈值的速率增大或减小，则可以确定要测试的阀门不正确地运行。类似地，如果在监测期间可隔离区域的压力以低于预定阈值的速率增大或减小，则可以确定要测试的阀门正确地运行。预定阈值可以对应于可接受的泄漏率，并且可以根据水下采油树和水下井的特定参数来确定。

33、连接压力操纵装置和水下采油树的导管可以在阀门测试顺序之后被冲洗，以使系统为正常使用或为水下采油树的其他阀门的进一步阀门测试顺序做好准备。冲洗导管可以包括通过导管从化学品储存系统或从连接到水上的服务管线泵送化学品。根据与系统相关联的水下井的类型，用于冲洗的化学品可以包括meg、甲醇、水等。化学品储存系统优选地也位于水下，以避免对将水下采油树连接到水上化学品储存系统的化学品供应管线的需要。因此，该系统可以包括流体连接到导管的水下化学品储存系统，并且可以进一步包括用于通过导管将化学品从水下化学品储存系统泵送的泵。

34、可以按顺序执行多个阀门测试顺序，以测试水下采油树的各种阀门。一些测试顺序可能同时测试多个阀门，例如通过测试环形交叉或生产交叉。在这种情况下，如果检测到泄漏，则可能需要进一步的操作来识别正在测试的多个阀门中的哪个阀门发生泄漏。

35、如上所述，水下井还可以通过促进co2注入地下地层来用于碳捕获和储存。这种水下井通常也使用阀门树来调节流体(即，co2)。因此，本发明的水下采油树阀门测试方法和系统也可以应用于这种情况。

36、co2可以以液体或气体形式被注入。对于液体co2注入，在阀门树中，如果co2的压力变得太低，则co2可能不期望地从液相变为混合液和气相。因此，在这些实施例中，压力操纵装置可以优选地被构造成将可隔离区域减压至高于45巴绝对压力的最小压力，使得液体co2不改变相态。