用于从式井口高完整性保护系统的设备和方法 |
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| 申请号 | CN201180065719.8 | 申请日 | 2011-12-15 | 公开(公告)号 | CN103328288A | 公开(公告)日 | 2013-09-25 |
| 申请人 | 沙特阿拉伯石油公司; | 发明人 | P·S·弗兰德尔斯; | ||||
| 摘要 | 用来保护若干井口流动管路下游的收集管路的高完整性保护系统（HIPS）包括：入口；出口；与入口和出口 流体 连通的两组两个 串联 连接的隔离 阀 （ZV），这两组隔离阀具有相对彼此并行的流体流动，一组或两组ZV可操作作为流体进入所述入口并且通过所述出口到下游管道的路径；两个排放 控制阀 （VCV），每一个排放控制阀连接到一组串联连接的ZV中间的管道，所述VCV与排放管路流体连通，由此，在打开VCV时，两个ZV之间的过程压 力 被排放；根据预先编程好的安全和操作协议来产生 信号 的安全逻辑解算器；和连接到位于HIPS的出口上游的管道的压力感测发送器。该系统允许对ZV进行全行程紧密关闭测试而不中断井口生产。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于与管路系统连接的高完整性保护系统（HIPS）的操作安全测试的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 用于从式井口高完整性保护系统的设备和方法[0001] 相关申请 技术领域[0003] 本发明涉及用于与生产管路系统连接的高完整性保护系统（HIPS）的操作和测试的方法和设备。 背景技术[0004] 在油气工业中，井口下游的生产流体管路通常被设计成耐受最大井口关井压力。然而，当全额定（fully-rated）管道或常规减压系统不可用时，变得有必要保护管路免受过大压力，该过大压力可能使管道破裂，这对于更换来说将是非常昂贵的并且引起环境污染。 用于保护管路免受过度压力的常规系统是高完整性保护系统（HIPS）。该系统典型地为使用压力传感器来测量管道中的压力的电动液压系统,所述压力传感器被控制模块的电子设备用来控制生产管道HIPS阀的关闭。这种布置在生产树和HIPS阀之间的管路的短区段内保持高的压力，所述HIPS阀能够耐受该压力。这防止管路的主要的较低额定压力区段暴露至可能超过管路的压力额定值的压力水平。 [0005] 有规律地测试HIPS的安全性是必要需求，这是由于HIPS的操作故障会带来对管路造成重大损坏的危险。常规系统在其操作期间不能被测试。因此，生产系统必须停止操作并且被隔离以便测试。操作的中断具有严重的财务影响。此外，由于阀和其它部件的操作被手动地执行，在测试期间至少一个操作者必须靠近HIPS。 [0006] 各种方法已经被提出用来测试和保护阀和管路系统免受过度压力。例如，Appleford等人的公开申请US2005/0199286公开一种高完整性压力保护系统，其中连接到两个下游管路和两个上游管路的两个模块具有入口和出口端口。导管回路连接两个端口，并且对接歧管安装在上游部分和下游部分之间的管路中。对接歧管选择性地将第一和第二管路的每一条管路中的流引导经过第一或第二模块。该系统允许引导来自两条管路的上游区域的流经过一个模块并且然后到达两条管路其中之一的下游区域以允许另一模块被移除以便维护、修理和/或更换。还没有公开或教导在该系统处于操作中时用来测试该系统的操作的设备或方法。 [0007] Hyde的美国专利No.6591201公开一种流体能量脉冲测试系统，其中能量脉冲用于测试流体控制装置和系统（如气举阀）的动态操作特性。这种测试系统可用于测试液压回路中的表面安全阀，但不提供总体系统的执行安全功能的能力的安全信息。 [0008] Klaver等人的美国专利No.6880567公开一种系统，该系统包括用来保护下游过程设备免受过度压力的关闭阀、安全控制系统和传感器。这个系统使用部分行程测试方法，在该部分行程测试方法中，截断阀被关闭直到预定点，然后再打开。然而，这个系统必须中断生产以便诊断测试。 [0009] Webster的美国专利No.7044156公开一种管路保护系统，其中当管路区段中的流体压力超过被供应到差压阀的液压流体的参考压力时，差压阀打开，并且因此引起液压致动阀中的液压通过排放口泄放。然而，该保护系统不提供任何阀诊断机构，并且被迫中断生产以便让关闭阀完全关闭。 [0010] Sullivan的美国专利No.5524484公开一种电磁操作阀诊断系统，该电磁操作阀诊断系统允许阀使用者能够在一段时间上监视使用中的阀的情况，以便检测阀及其部件中的任何退化或问题并在阀发生故障之前加以纠正。这个系统不允许在不中断生产的情况下测试关闭阀。 [0011] Hodge的美国专利No.4903529公开一种用来测试液压流体系统的方法，其中便携式分析设备具有液压流体的供应源、出口导管、用于将液压流体在压力下从供应源供应给出口导管的单元、与供应源连通的返回导管、连接到出口导管的流体压力监视器、以及返回导管中的流体流动监视器。分析设备将装置的流体入口与供应源断开并将流体入口连接到出口导管，并且将该装置的流体出口与贮器断开并将流体出口连接到返回导管。监视在出口导管中的流体压力，并且在所述单元处于系统的适当位置中的情况下让流体流过返回导管。然而，这种方法要求中断生产以便测试液压系统。 [0012] Roark等人的美国专利No.4174829公开一种压力感测安全装置，其中变换器产生与感测到的压力成比例的电信号，并且当被感测的压力超过预定范围时，先导装置指示感测超范围压力，这允许在必要的情况下采取适当的补救行动。该装置需要操作者干预。 [0013] Hallden等人的美国专利No.4215746公开一种用于流体管路的压力响应安全系统，在井的生产管路中出现不寻常压力状况的情况下，该压力响应安全系统关闭井。一旦安全阀已经关闭，当压力在预定范围内时用来检测的控制器被锁住而停止运行，并且必须在安全阀可以打开之前被手动重置。该系统导致生产中断和操作者干预。 [0014] 同族申请（通过引用并入这里的美国专利申请No.11/648312）提供一种井口高完整性保护系统，该井口高完整性保护系统涉及来自单个井口的流动管路。然而，在供给到收集管路中的一群井口流动管路中出现了独特的问题。流动管路可以在公共集管处连接收集管路，或者可以在沿收集管路的许多点处连接收集管路。在这种系统中，会不希望测试和保护供给到集管中的每一个流动管路。 [0015] 因此，本发明的目标是提供一种设备和方法，该设备和方法利用从一群流动管路接收流体流的收集管路来测试操作中的HIPS，其中HIPS操作以提供流体流动路径，而不关掉与其连接的收集管路。 [0016] 另一目标是提供一种设备和方法，该设备和方法用来自动测试HIPS而没有操作者的干预。 [0017] 该单元优选地设置有标准化的凸缘并且成一体地构造。 发明内容[0018] 上面的目标以及下面描述的其它优点通过本发明的方法和设备被实现，该设备和方法提供高完整性保护系统（HIPS），该高完整性保护系统对连接到一群井口的管道系统的控制加以保护且测试。 [0019] 在一个实施例中，一群流动管路供给到收集管路中，这一群流动管路在通过集管的单个点处连结收集管路，或在沿收集管路的多个点处连结收集管路。本发明的HIPS具有入口，该入口用来从HIPS上游的一部分收集管路接收流体流，并且该HIPS具有出口，该出口用来连接到HIPS下游的一部分收集管路。 [0020] 在优选实施例中，HIPS被构造为撬装（skid-mounted）整体系统以便运输到其要被安装的地点。 [0021] 该HIPS包括两组隔离阀（ZV），两个排放控制阀（VCV）和安全逻辑解算器。当HIPS用于单个井口流动管路时，隔离阀称为地面安全阀（SSV）。然而，在更宽的范围中，并且在HIPS应用于收集管路的应用场合中，更通用的术语隔离阀（ZV）是适当的。 [0022] 两组ZV与入口流体连通，并且该两组阀彼此并行。每一组ZV具有串联的两个ZV，并且两组ZV的一个或两个ZV可以操作作为管道系统的用于进入入口并通过HIPS出口的流体的路径。每一个VCV连接到两组ZV中间的管道，并且每一个VCV与排放管路流体连通，该排放管路在打开VCV时泄放两个ZV之间的过程压力。安全逻辑解算器与ZV和VCV通信，并且产生信号以控制ZV和VCV的操作。优选地，VCV以电力操作。 [0023] 压力感测发送器监视在HIPS出口上游的管道区段上的流体压力。在优选实施例中，三个压力发送器布置在出口上。逻辑解算器被编程用来在三个压力传感器的至少两个发送压力增加到阈值之上时发送信号以关闭ZV。如对本领域技术人员将显然的，可以在该系统的这个部分中用多于或少于三个的压力传感器。 [0024] 两个VCV中的每一个连接到与公共排放管路流体连通的管道。排放管路可以连接到贮存箱或其它储存或再循环机构。每一组ZV可以独立于并行的一组ZV的操作而操作。压力感测发送器被布置用来监视两组ZV的每一组中的ZV之间的压力。 [0025] 在优选实施例中，安全逻辑解算器被编程用来在全行程测试期间，让两组ZV中的一组ZV在并行的一组ZV从打开位置移动到关闭位置时维持在打开位置中。此外，安全逻辑解算器被编程用来在紧密关闭测试期间测量和记录一对关闭的ZV之间的压力，并且在该测试期间打开在关闭的ZV之间的VCV一段短的时间，以便减轻或减小管路压力。 [0026] 在另一优选实施例中，安全逻辑解算器被编程用来在紧密关闭测试时期期间，当关闭VCV之后在关闭的ZV和经排放的ZV之间的压力升高到预定阈值之上时产生故障信号。在又一优选实施例中，安全逻辑解算器被编程用来在所述测试时期期间，当关闭的ZV之间的压力不升高到预定阈值之上时指定所述关闭的ZV用作操作的一组ZV。 [0027] 在正常操作期间和在全行程测试期间关闭VCV。 [0028] 本发明的HIPS还包括布置在并行的ZV组中的每一组上游和下游的手动关闭阀，该手动关闭阀可以用于将ZV组的每一组与管道系统隔离，例如以便维护、修理和/或更换系统部件。 [0029] 在具有用来连接到井口的入口和用来连接到下游出口管道的出口的HIPS的优选实施例中，ZV设有电气防故障阀致动器，由此，在电力故障的情况下，所有阀移动到关闭位置。这将导致HIPS下游的出口管道中的所有流体流动终止。如对本领域技术人员将显然的，这种类型的防故障关闭将与HIPS上游的井口处或其它地方处的类似关闭要求相协调。 [0030] 在本发明的另一方面，提供一种方法来测试HIPS的操作安全性，该HIPS具有用来连接到井口流动管路的入口和用来连接到下游出口管道的出口，该出口管道连接到公共收集管路。该HIPS具有与管道系统流体连通的第一和第二组隔离阀（ZV），并且该两组彼此并行。如上面详细描述地，每一组ZV具有串联的两个ZV，并且该ZV可响应于来自安全逻辑解算器的信号而操作。 [0031] 第一组ZV从打开位置移动到关闭位置以便进行紧密关闭安全测试，同时第二组ZV打开作为管路系统的流体路径。 [0032] 布置在关闭的ZV之间的发送器发送信号到安全逻辑解算器，所述信号对应于两个关闭的阀之间的管道中的流体压力。在开始安全测试时，位于关闭的一组ZV之间的VCV排放关闭的ZV之间的加压流体。被排放的流体优选地被通至贮器。如果在预定关闭时间期间第一组ZV没有将ZV之间的管道中的压力维持在预定阈值水平或之下，则启动警报信号。 [0033] 在阀的安全关闭测试之前和期间，记录每一组ZV之间的管道区段中的流体压力（例如以PSI为单位）。优选地，提供被记录的压力的图形显示以帮助操作人员在测试期间实时评估系统的性能。 [0034] 第二组ZV保持打开，同时第一组ZV返回到完全打开位置。如果第一组ZV不完全打开则启动警报信号。两组隔离阀的每一组设有排放控制阀（VCV）。在第一组ZV完全关闭后，连接到第一组ZV的VCV打开一段预定的时间以实现压力排放。 [0035] 第一组ZV移动到打开位置并且第二组ZV移动到关闭位置。测量第二组ZV的ZV之间的压力，并且如果第二组ZV不将中间管道中的压力维持在预定水平或之下，则启动警报信号。 [0037] 下面将结合附图进一步描述本发明，其中： [0038] 图1是根据本发明的连接到井口和下游管路的高完整性保护系统（HIPS）的示意图； [0039] 图2是在图1的HIPS上进行的紧密关闭测试的过程步骤的流程图； [0040] 图3是示出在紧密关闭测试期间一对隔离阀（ZV）的满意的压力测试和失败的压力测试的对比性示意图表； [0041] 图4是连接到公共收集管路的多个井口流动管路的示意图，其中某些流动管路包括图1的HIPS；并且 [0042] 图5是连接到集管（而该集管连接到公共收集管路）的多个井口流动管路的示意图，其中收集管路包括图1的HIPS。 [0043] 为了促进本发明的理解，在适当的情况下，已经使用相同的附图标记来指定附图所共有的相同或相似元件。除非另外说明，附图中示出且描述的特征不按比例绘制，而是仅为了说明目的被示出。 具体实施方式[0044] 参考图1，高完整性保护系统（HIPS）10安装在管道系统中的井口附近，以便从井口102传送加压的流体产品（诸如，油或气）通过管路104到远处主地点。HIPS具有连接到井口管道102的入口1和连接到管道系统104的出口2，液体产品通过该入口和出口进入和离开HIPS10。优选地，HIPS被撬装以便运送至井口地点，并且如果必要的话，HIPS设有适当的凸缘和适配器，以便附接至油田管道的入口和出口。 [0045] 两组隔离阀（ZV）11，12和13，14与入口1和出口2流体连通，因此可以操作作为流体产品的路径。被标识且称为ZV-1和ZV-2的ZV组中的每一组分别具有串联连接的两个ZV11-12和13-14。ZV在没有供应电力时自动关闭，并且被传统的液压驱动致动器或电力驱动致动器维持在打开位置中，以保护下游管道系统104免受异常操作状况。 [0046] 两个排放控制阀（VCV）41,42分别与两组ZV11,12和13,14中间的管道连接，并且与排放管路106流体连通。排放管路106与流体贮器70流体连通，该流体贮器用作封闭的收集系统箱。备选地，排放管路可以通到井场附近的燃烧坑（未示出）。VCV41,42在它们打开时可以将两个ZV之间的加压流体排出到排放管路106中。阀71,72和81通过它们的打开和关闭操作控制由压力贮器进行的液压供应。当阀81打开时，来自箱80的加压氮气迫使流体离开贮器70，并进入HIPS管路或经由阀72以备它用或处置。VCV41,42在它们打开时将来自两个ZV之间的加压流体排出到排放管路中。压力感测发送器54,55位于相应的ZV之间以确定两个ZV之间的流体压力。可选地，可以在地点54和55处安装多个压力感测发送器，以保证可靠性并且作为测试系统的备用。 [0047] 压力感测发送器51,52,53安装在出口2上游以监视从出口2离开HIPS的流体压力。三个发送器由安全逻辑解算器31监视。如果三个发送器51-53的任何两个感测到压力升高到预定阈值之上，则逻辑解算器31通过ZV11-14使井自动关闭，因此保护下游管路免受过度压力。 [0048] 优选地为在计算机等中的预先编程好的软件模块的安全逻辑解算器31通过硬接线连接或通过无线发送器与ZV11-14、VCV41,42、以及压力感测发送器51-55通信。安全逻辑解算器31产生并且发送信号以控制ZV11-14和VCV41,42的操作。基于来自压力感测发送器51-55的压力数据执行控制。 [0049] 手动阀61-64安装在入口1和出口2与ZV11-14之间以在紧急的情况下将两组ZV11-14与管道系统隔离，还使得该系统可以被手动地关闭以便维修和/或更换其任何部件。 [0050] 所有阀由诸如该技术领域中熟知的那些传统阀致动器（未示出）操作。阀致动器和压力发送器51-55具有自诊断能力并且将检测到的任何故障通信给安全逻辑解算器31。 [0051] 将参考图2描述根据本发明的用来进行关闭测试和全行程测试的方法。在开始该测试之前，进行HIPS管道系统的安全检查。如果流体压力超过预定阈值水平（S10），则关闭所有ZV（S20）。否则，关闭第一组ZV11,12，并且第二组ZV13,14保持打开（S30）。 [0052] 然后，打开第一组ZV11,12以准备测试第二组ZV13,14（S40）。确定在第二组ZV13,14的关闭测试期间用作流体路径的第一组ZV11,12是否完全打开（S50）。如果第一组ZV11,12没有完全打开，启动警报信号并且终止该测试（S60）。如果第一组ZV11,12完全打开，则关闭第二组ZV13,14（S70）。检查要被测试的ZV13,14的完全关闭以便准备紧密关闭测试（S80）。如果ZV13,14没有完全关闭，则启动警报信号（S90）并且终止测试。 [0053] 如果ZV13,14完全关闭，则开始ZV13,14的紧密关闭测试。位于第二组ZV13,14中间的VCV42被打开以将ZV13,14之间的压力减小到稳定值（S100）。 [0054] 然后关闭VCV42并且检查VCV42的压力密封（S110）。如果VCV42没有完全关闭，或者该阀泄漏使得在阀之间的管道排放区段中的压力连续降低，则启动警报信号（S120）并且采取适当的补救行动。如果VCV42完全关闭，则测量ZV13,14之间的压力（S130）。在紧密关闭测试期间，ZV13,14之间的压力连续被压力发送器55监视，并且结果被发送到安全逻辑解算器31，直到紧密关闭测试时期的结束（S140）。 [0055] 图3以图表示出两种不同情况下的紧密关闭测试期间获得的数据。当VCV42打开时，ZV13,14之间的压力从正常操作压力降低到较低压力，并且VCV42完全关闭。如果ZV13,14之间的压力升高，这被认为是在ZV13,14的一个或两个中存在泄漏的证据。由于一些微量泄漏可能是可接受的，因此必须确定在紧密关闭测试的时期期间或之后压力增加或者压力增加的速率是否超过预定阈值水平（S150）。如果在测试时期期间压力升高到阈值水平之上，这指示ZV13,14的入座能力发生故障，那么安全逻辑解算器31启动警报信号，告知ZV13,14的紧密关闭测试的故障（S160）。如果在测试时期期间，压力增加不超过阈值水平，则第二组ZV13,14通过紧密关闭测试。在ZV13,14的紧密关闭测试期间，第一组ZV11,12处于打开位置，为生产提供流动路径（S170）。为了完成系统功能测试，通过紧密关闭测试的第二组ZV13,14再次被打开，并且用作流体路径（S180）。 [0056] 如从上面的描述将显然的，使用基本上相同的方法学测试第一组ZV11,12。 [0057] 本发明使HIPS在执行紧密关闭和全行程测试时能够连续地用作流体路径，并且同时可以采取任何必要保护行为。由安全逻辑解算器执行的自动操作保证即使在测试期间紧急关闭条件也将被执行。测试的记录被存储，并且可以以后恢复或者电子地且/或以打印的图形形式显示或作为列表数据。 [0058] 现在参考图4，系统400包括多个井口流动管路402和402’，该多个井口流动管路典型地连接到公共收集管路以从井运输油/气到气油分离工厂（GOSP）404。流动管路402各包括与其关联的HIPS406，例如，如图1中所示，该HIPS包括SLS、压力发送器和ZV。高压额定管道被用在每一个井和相关联HIPS406的ZV之间，并且传统管道被用在HIPS406的ZV的下游，该传统管道具有较低额定压力并且适合于产品的运输和分配。在某些系统400内，设置另外的井口流动管路402’，该另外的井口流动管路不具有相关联的HIPS406，但是如本领域所公知地，其它的保护和/或安全系统可以用于这些井口。 [0059] 现在参考图5，系统500包括多个井口流动管路402,402’和502，该多个井口流动管路典型地连接到公共收集管路以运输油/气到气油分离工厂（GOSP）404。井口流动管路402和402’在收集管路上的各个点连结至收集管路。流动管路402各设置有HIPS406，例如，如图1中所示，该HIPS包括SLS、压力发送器和ZV。流动管路402’不受HIPS406保护，但是如本领域所公知地，其它的保护和/或安全系统可以用于这些井口流动管路。另外的流动管路502没有在收集管路上的各个点处连结至收集管路，而是连接到公共集管508，该集管的出口连接到收集管路上的单个点。单个HIPS506（如图1中所示包括SLS、压力发送器和ZV）布置在公共集管508下游。上游管道和HIPS506对于连接的高压井是全额定。HIPS506保护下游管道，因此该下游管道可以被特定为低压管道。 |
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