CN102959429A - 监测海底流设备的系统、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于监测诸如海底流线的海底流设备的系统、装置和方法。该装置一般包含适用于从海底流设备和周围海水之间的热势产生电力的热电器件。由该热电器件供电的传感器适用于监测流设备的诸如温度或应变的一个或多个特性并提供指示所述特性的辐射输出。

Description

监测海底流设备的系统、装置和方法

技术领域

本发明涉及海底流设备的监测，诸如在从油气储层中生产流体的过程中使用的海底流线的温度的监测以及这种监测操作的供电。

背景技术

在从海底油气储层生产流体的过程中，通常使用各种海底流设备，譬如布置在海底上并提供传送流体的通道的管线或流线。例如，海底井能够从海底储层提供产出流体到传送流体离开井的海底流线。流线能够将流体传送到岸上设施、其它海底装备、将流体传送到顶侧设施的立管等。其它海底流设备可以包括流储存、致动或控制装备，譬如油气罐、油气泵、电机、阀门等。

这种海底流设备的监测对于实现从井中的成功和最佳生产是重要的。例如，传送高温流体的海底流线可暴露于剧烈的温度梯度和变化，尤其是在深水中工作的流线。即使对于绝缘流线，流线内部的产出流体和流线外部的海水之间的温度差也能够在流线的内外之间导致高的热梯度。随时间的温度变化可以源自诸如在产出流体的存在可以加热管道时的生产时间和在管道没有产出流体或包含未流动时冷却的产出流体时的未生产时间之间，产出流体的流变化。管线上的热效应可包括海底上的管线的应力、应变和运动。在一些情况下，这种效应可以威胁到流线的完整性。

能够监测海底流线，以便努力评估流线的持续完整性，从而便于有计划的预防措施和避免诸如非计划生产中断的意外事件的非计划介入。一种传统的监测方法包括使用能够沿着流线行进并利用相机收集信息的遥控潜水器（ROV）对流线进行周期性可视检查。可替代地，可以将原地监测系统安装在流线上。该系统可以包括从沿着流线的多个位置检测热或其它数据的多个换能器，并且所述换能器能够经由沿着流线延伸到接收器的光缆传送数据。在一些情况下，能够通过存在于流线和周围海水之间的热差对换能器供电。虽然该监测系统潜在地能够提供比可视检查更多的信息，但这样的系统可能是复杂的、昂贵的、和不可靠的，例如，因为光缆可能断裂。并且，该系统的安装可能与某些类型的流线和某些流线部署技术不兼容，并且可能增加提供、部署和维护流线的成本。

存在对于监测海底流设备，诸如沿着被布置在海底上并在冷海水环境下传送热的产出流体的流线监测温度或其它特性的改进系统、装置和方法的不断需要。所述系统、装置和方法应当与不同类型的部署兼容，并且提供可靠的流设备监测。

发明内容

本发明的实施例一般性地提供了用于监测海底流设备，诸如传送来自海底井的产出流体的海底流线的系统、装置和方法。所述装置一般包括热电器件和传感器。所述热电器件适用于从海底流设备和周围海水之间的热势产生电力。例如，所述海底流设备可以是由在接头处接合的多个相继管段形成的海底流线，以及可以在接头之一处将热电器件安装到流线。所述装置可以在流线的组装和部署期间附到流线上。当流线工作时，由于流线中的相对较热产出流体和围绕流线的相应较冷海水之间的温度差，在热电器件的两端可以存在温差。

所述传感器由所述热电器件供电，并且适用于监测流设备的特性和提供指示监测的特性的辐射输出。例如，可以将传感器配置成监测流线的温度和/或流线内的应变，并通过改变指示传感器所监测的特性的辐射输出，诸如通过提供变化的光输出来传送指示温度和/或应变的信号。可以在流线上，即，在流线的位置提供光输出，使得它能够与流线一起在海底被观察。所述装置还可以包括太阳能电池和/或蓄电池。可将太阳能电池配置成在部署所述装置之前接收阳光以便对蓄电池充电，在部署所述装置之后接收来自水下光源的光，并对传感器供电以监测流设备的特性。

在一些情况下，所述装置包括与热电器件和传感器并置的存储器。所述存储器可以适用于存储来自传感器的指示一段时间内的测量特性的信息，并输出该段时间的信息。

本发明的一种用于监测海底流设备的系统包括多个装置。可将每个装置分别布置在沿着流线长度的相继接头处。在一些情况下，也可以将位于各自接头处的每个装置配置成把指示多个接头处的特性的信号传送给位于各自接头之后的相继接头处的相继一个装置。

按照另一个实施例，本发明提供了一种用于监测海底流设备的方法。该方法包括：从海底流设备和周围海水之间的热势产生电力；将所述电力用于操作传感器，从而监测流设备的特性；以及提供指示传感器所监测的特性的辐射输出。

所述方法可以包括：使用太阳能电池接收来自水下光源的光，从而提供光衍生电力；以及利用所述光衍生电力对传感器供电。在一些情况下，太阳能电池被用于在流设备被部署到海底位置之前接收太阳光，从而提供太阳光衍生电力。例如，太阳能电池可以在进入水中之前和刚进入水中之后接收光，并且太阳能电池可以将光转变成电以对传感器供电，从而允许传感器在安装流线期间监测流线。利用太阳光衍生电力对蓄电池充电，并且当热势不足以对传感器供电时，利用蓄电池对传感器供电。在利用蓄电池对传感器供电之后，太阳能电池还可被用于接收来自水下光源的光线，从而提供可被用于对传感器供电的光衍生电力。例如，水下光源可由潜水器提供，所述潜水器也可检测来自传感器的辐射输出，从而确定传感器所监测的特性。

所述方法还可以包括将装置安装到海底流设备，该装置被配置成进行产生电力、使用电力、以及提供辐射输出的操作。更具体地说，所述海底流设备可以是具有在接头处被接合的多个相继管段的海底流线，以及热电器件可以在接头之一处安装到管道。可以通过改变流线上的光输出来提供辐射输出，从而指示流线的特性，例如，流线的温度和/或应变。产生电力、使用电力、以及提供辐射输出的操作可以在沿着流线的长度的相继位置上的多个地点进行。并且，可以让潜水器沿着流线通过，以便相继检测来自传感器的辐射输出，从而确定每个传感器所监测的特性。

可以将来自每个装置的传感器的信息存储在安装在海底流设备上的存储器中。该信息可以是一段时间内的特性的指示，并且可以从存储器输出该段时间的信息。在一些情况下，可以将指示流设备的温度和/或应变的信号从传感器传送到远端接收器。产生电力、使用电力、以及提供辐射输出的操作可以包括：在沿着海底流设备的多个地点产生电力，使用所述电力来操作每个地点的传感器，以及在每个地点提供指示该地点的传感器所监测的特性的辐射输出。可以将指示多个传感器所监测的特性的信号从每个传感器传送到相继一个地点的相继一个传感器，使得沿着海底流设备逐步地传送信号。例如，每个传感器可被配置成沿着海底流设备与至少两个相继传感器无线和直接地通信。

本发明的系统、装置和方法一般可以提供流设备的监测，提供可被用于理解和保持流设备的完整性并有助于使流设备维持工作的信息。在一些情况下，每个监测装置与传统的更复杂系统相比，可以相对较简单、较小、和较便宜。

附图说明

在如此一般性地描述了本发明之后，现在参照未必按比例画出的附图来介绍，在附图中：

图1是例示按照本发明一个实施例的用于监测海底流设备的系统的示意图；

图2是例示图1的系统在组装和部署期间的示意图；

图2A是例示图2的系统的两个相邻管段之间的接头的放大图；

图3是示意性地例示图1的系统的一个监测装置和流线的接头的剖视图；以及

图4是例示图1的系统的一部分的示意图，其中示出从该系统收集信息的潜水器。

具体实施方式

现在在下文中将参考示出一些但非所有本发明实施例的附图更全面描述本发明。的确，本发明可以以许多不同形式具体化，而不应该理解为局限于本文阐述的实施例；而是，提供这些实施例是为了使本公开满足可申请法律要求。相同标号自始至终都指相同元件。

现在参照附图，尤其图1，所示的是按照本发明一个实施例的用于监测海底流设备的系统10。一般说来，该系统10可被用于监测海底流线12，即，被配置成接收来自海底井14的产出流体并沿着海床16输送流体，向上输送到浮动表面设施18，输送到陆地设施，或输送到其它设施的管线。应该懂得，系统10可以包括并可以监测其它类型的流设备，诸如，阀门、线轴、泵、电机、和其它海底装备。

在例示性实施例中，海底流线12由接合在一起以形成所希望长度的多个相继管段20组成。顶侧设施18可以是刚性地固定到海床16的结构、浮动结构或系泊结构。例如，在一些情况下，顶侧设施18可以是具有用于组装和部署流线12的特殊装备的船只。流线12可以延伸到顶侧设施18，或者流线12可以通过立管22或其它管状构件与顶侧设施18连接。

图1例示了从一个或多个海底井14延伸到管线终端（“PLET”）24的以典型部署配置的流线12。在第一端26，流线12被配置成接收来自海床16下面的井14和储层28的产出流体，并且可以配备诸如泵的附加装备以便于流体的输运和管理。在相反的第二端30，流线12可以通过PLET24与立管22连接，立管22将产出流体输送到顶侧设施18，顶侧设施18可以具有与先前被用于部署流线12的设施18相同或不同的结构。PLET24可被配置成适应流线12的末端30的运动，例如，以允许流线12随着变热或变冷而扩张或收缩。

图2例示了流线12的组装和部署，在例示性实施例中，流线12由多个管段20组成，并限定相邻管段20之间的接头32。在部署流线12之前，可以以足够短以方便运输和管理的一致长度，譬如，可以用卡车输送和要不然使用传统装备管理的大约40英尺或更短的长度将管段20提供给顶侧设施18。通常作为部署操作的一部分使用可配备在顶侧地点的组装装备把管段20接合在一起。顶侧设施18可以是或可以包括具有用于管理和组装管段20的装备的船只或其它设施。管段20可以按照各种传统方法被组装和下放，通常通过接合相继管段20来形成被相继下放到水面34以下并部署在海床16上的长的流线12。

相继管段20的连接或“现场接头”32通常包括在部署期间将管段20焊接在一起而形成的焊接连接36。如果管段20是包括热绝缘体的多层管状构件，则绝缘体通常不延伸到管段20的末端。例如，如图2A和3所示，管段20可以包括钢管40，钢管40在其外表面44上有绝缘体42。每段20上的绝缘体42可以在组装管段20之前使钢管40的端部46暴露出来。因此，每段20在钢管40暴露出来的每端上可以具有较小的端部46，以便于相继管段20的焊接。在焊接了两个相继管段20之后，可用流体现场接头填充材料50来填充两个管段20的绝缘体42之间的间隙或“现场接头区”48，流体现场接头填充材料50诸如在接头32下放到水中和海床16之前或之后固化或干燥的注射成型聚丙烯。

如图1和2所例示的监测系统10包括沿着流线12的长度布置在相继接头32处的多个监测装置（在图1中分别用标号60′，60″，60′″，60″″指示并在图2中用标号60统称）。更具体地说，在每个接头32处可以布置至少一个监测装置60，并且可以在部署流线12期间将每个装置60布置在流线12上。例如，如果流线12是从多个绝缘管段20组装的，则可以在接头32处将装置60附到流线12上，例如，在施加现场接头材料50之前。因此，如图3所例示，可以将装置60布置在现场接头材料50内，使得现场接头材料50至少部分围绕装置60，以及在一些情况下，装置60被布置在现场接头材料50层和底下的钢管40之间。

可以将装置60配备在沿着流线12的各种地点，例如，在一些或所有现场接头32处。每个装置60可被配置成监测装置60的位置处，例如，装置60所在的各自接头32处的流线，从而提供指示流线12的输出。因此，可以通过接收来自沿着流线12的长度的各种监测装置60的信号来确定在流线12的整个长度上流线12的条件或特性。在一些情况下，可以将装置60放置在沿着流线12的选择地点处，在所述选择地点处，流线12被认为更有可能经历弯曲、扭曲、应力、应变、温度变化、或其它条件。每个监测装置60还可以包括被配置用于产生电力的一个或多个发电设备，所述电力可被用于监测流线12和提供代表流线12的输出，例如，使得装置60不依赖于必须在部署之前完全预存在装置60中的能源。

图3是例示附到流线12上的监测装置60之一的截面图，其中热的混合相产出流体82在流线12中流过。如图所例示的，装置60包括用于监测流线12的特性的传感器62。例如，传感器62可以包括用于检测流线12中的应变的应变计；用于检测流线12的温度或温度变化的热电偶、电阻性温度检测器或其它器件；用于检测流线12的运动或位置的地点或运动检测器件；和/或用于监测流线12的其它特性的其它器件。装置60一般可以通过机械连接、粘合剂等附到流线12上。例如，可以使用热环氧树脂来连接装置60，尤其是实现传感器62和钢管40之间的足够接合。

传感器62可被配置成提供指示温度的光输出。例如，传感器62可以包括诸如发光二极管或其它发光器的电磁辐射发射器64。辐射发射器64可以适用于提供根据流线12的被监测条件而变化的辐射输出。例如，如果辐射发射器64是发光二极管，则该二极管可被配置成以指示流线12的条件的频率发出脉冲，通过指示流线12的条件的强度发亮，改变颜色以指示流线12的条件，发出指示流线12的条件的编码图案，或要不然改变其输出以指示流线12的条件。在一些情况下，辐射发射器64可以有许多（或无限）种不同变化，例如，以任何频率、强度或给定范围内的颜色变化。可替代地，辐射发射器64可被配置成提供有限种输出变化来指示流线12的某些离散条件。例如，辐射发射器64可被配置成如果流线12正工作在第一条件（诸如正常条件）下则发出第一种颜色，以及如果流线12正工作在第二条件（诸如异常条件）下则发出第二种颜色，或没有颜色。

如图3所例示，传感器62可由诸如热电器件66和/或太阳能电池68的一个或多个发电器件供电。热电器件66可以按照珀尔帖-塞贝克效应工作，以便从热势，诸如，可能存在于流线12中的流体和围绕流线12的海水70之间的热势产生电力。热电器件66的第一侧72可以径向地向内指向钢管40的外表面44，而热电器件66的第二侧74可以径向地向外从钢管40指向当被布置在海底时围绕流线12的海水70。当在钢管40的外表面44和海水72之间存在温差时，热电器件66可以产生可被用于对传感器62供电的电力。

太阳能电池68可被配置成接收光并从太阳能中产生电力。太阳能电池68可以从钢管40指向外部，并被配置成接收太阳光或要不然投射在流线12上的其它光。太阳能电池68可以取代热电器件66被使用或者与热电器件66组合使用。在任一种情况下，还可以配备蓄电池80或其它储能器件以便储存来自发电器件66、68的能量，使得在不可能发出足够电力时使用所述能量。例如，在将装置60部署在海底之前，可以使太阳能电池暴露于阳光，例如，在储存或组装管段20的同时，并且，在部署装置60之前，太阳能电池68可以转换太阳光以便对蓄电池80充电。除了对蓄电池充电之外，或取代对蓄电池充电，在流线12的部署和工作之前，太阳能电池68可被用于对传感器62供电，即使热流未通过流线12，以及热电器件66通常还不能对传感器62供电。例如，太阳能电池68可被用于在安装流线12的过程中对传感器62供电，以便在其最终部署之前确定流线21的应力、应变或其它特性。在将流线12部署到它的海底地点之后，太阳能电池68可能接收不到足够的光来对传感器62供电。此时，热电器件66可以产生足够的能量来对传感器62供电，例如，如果流线12正被用于传送热流82。也可以将来自热电器件66的能量储存在蓄电池80中。如果热电器件66不能产生足够的能量，例如，因为热流82还未进入流线12中，或流线12中的流体在流线21未用期间已被清空或冷却，则蓄电池80可被用于对装置60供电。

发电器件66、68的输出可以由控制器84控制。控制器84可以与装置60的部件通信，并控制装置60和/或装置60的每个部件的操作。例如，控制器84可被配置成使装置60在一些时段内工作而在其它时段内不工作，诸如，按照预定时间表或按照装置60的环境参数。在一些情况下，控制器84也可以处理传感器62收集的数据。

传感器62所检测的信息可被存储在装置60中、实时地从装置60发送、和/或以延迟方式从装置60发送。更具体地，传感器62可以包括被配置成接收来自传感器62的信号并存储来自传感器62的一些或所有信息的存储器86。例如，存储器86可以以规则时间间隔存储指示传感器62的输出的信息的日志。可替代地，存储器86可被配置成只存储某种信息或发生在某些时间的信息，例如，可能指示装置60正工作在某种工作模式之外的高于或低于预定阈值的数据值，诸如指示流线12中的过大应力、损害、运动或其它变化的高应变程度或应变程度的极端变化。辐射发射器64可以提供一般指示传感器62的当前检测的输出信号，或辐射发射器64可以提供代表先前存储在存储器86中的数据的输出信号。

装置60可以包括可以是分开的设备或组合设备的发送器88和/或接收器90。发送器88可被配置成将来自装置60的信息发送给另一个装置60和/或另一个接收器。在一些情况下，流线12上的第一装置60″的发送器88可被配置成将信息传送给沿着流线21的第二相继装置60″。然后，第二装置60″可以将来自第一和第二装置60′、60″的信息传送给沿着流线21的第三相继装置60′″，并且可以沿着流线12继续传送，使得沿着流线12相继传递来自所有装置60的信息。这样的装置到装置传送可以经由电线、在装置60之间延伸的其它媒体、或通过管道40本身来进行，或者装置60可被配置成无线地进行传送。每个装置60也可被配置成与不止一个相继装置60通信，使得沿着流线12的通信不会因一个装置60的故障而受到妨碍。例如，第一装置60′可以直接与第二和第三装置60″、60′″通信，并且第二装置60″可以直接与第三和第四装置60′″、60″″通信，依此类推。

系统10可以包括被配置成接收来自各种装置60，如上所述，直接来自每个装置60或经由一个或多个其它装置60的信号的接收器。该接收器可以位于海底或在海面34上。例如，如图1所示，接收器92a可以位于PLET24上，并且接收器92a可被配置成经由脐带电缆或其它电缆93与顶侧地点的远程接收设备92b通信，例如，经由与脐带电缆93的浮动导线连接和/或经由海底分配单元等。PLET24上的接收器92a也可以检测和记录流线12的位移和力负荷，并且这个信息可被存储在接收器92a中和/或与顶侧接收设备92b传送。在一些情况下，如下面结合图4所述的潜水器可以从PELT24上的接收器92a中检索信息，即，使得潜水器能够从一个地点获取来自装置60的各种数据和/或在PLET24处测量的信息。

太阳能电池68能够接收光以便对装置60供电和/或对蓄电池80再充电，即使在装置60处在海底时。例如，可以让光源沿着流线12通过，使得光源沿着流线12的长度相继地将光照射在装置60上，从而为装置60提供能量。具体地，如图4所示，光源94可由诸如ROV或自动潜水器（AUV）的潜水器96携带。潜水器96可以沿着流线12的长度行进，并且可以包括用于可视地检查流线12的相机或其它装备。潜水器96所携带的光源94可以提供足够的光来照射流线12以便可视检查。光源94也可以向太阳能电池68提供足够的光来临时对装置60供电，例如，使得装置60能够将无线通信输出信号提供给潜水器96。

潜水器96包括接收如标号100所指的来自装置60的输出信号的接收器98。例如，如果辐射发射器64被配置成提供光输出，则接收器98可以是测量光输出的强度、频率或其它特性的光检测器。潜水器96可以将来自装置60的信息重新发送给诸如接收器92的另一个远程接收器，和/或潜水器96可以存储来自每个装置60的信息，使得在潜水器96完成它对流线12的检查之后，能够从潜水器96下载所述信息。

应该懂得，装置60一般说来可以相对较简单、较小和较便宜。并且，装置60可被集成，以便形成可被定制成提供任何所希望类型和数量的监测和通信以及可以按照特定流线12或其它被监测设备的不断变化需要加以调整的系统10。

从在前面的描述和相关图形中给出的教导中受益的本发明所属的领域的普通技术人员可以想出本文阐述的发明的许多修改和其它实施例。因此，要明白的是，本发明不局限于所公开的实施例，那些修改和其它实施例都应该包括在所附权利要求书的范围之内，尽管本文采用了特定术语，但只在一般或描述的意义上使用它们，而不是为了限制的目的。

Claims (18)

1.一种用于监测海底流设备的装置，该装置包含：

热电器件，适用于从所述海底流设备和周围海水之间的热势产生电力；以及

传感器，由所述热电器件供电并适用于监测流设备的特性和提供指示所述特性的辐射输出。

2.按照权利要求1所述的装置，进一步包含太阳能电池和蓄电池，其中，所述太阳能电池被配置成在部署所述装置之前接收太阳光以便对蓄电池充电，在部署所述装置之后接收来自水下光源的光，以及对所述传感器供电以监测流设备的特性。

3.按照权利要求1所述的装置，其中，所述传感器适用于改变辐射输出以指示所述传感器所监测的特性。

4.按照权利要求1所述的装置，其中，所述海底流设备是由在接头处接合的多个相继管段形成的海底流线，以及其中，所述热电器件在接头之一处被安装到所述流线，以及所述传感器被配置成监测所述流线的温度和应变至少之一，并通过在流线上提供变化光输出来传送指示所述温度和应变至少之一的信号。

5.按照权利要求1所述的装置，进一步包含与所述热电器件和传感器并置的存储器，该存储器适用于存储来自所述传感器的指示一段时间内的特性的信息，并输出该段时间内的信息。

6.一种用于监测海底流设备的系统，该系统包括多个如权利要求4所述的装置，该装置分别被布置在沿着所述流线的长度的相继接头处，以及其中，位于各自接头处的每个装置被配置成将指示多个接头处的特性的信号传送给位于各自接头之后的相继接头处的相继一个装置。

7.一种用于监测海底流设备的方法，该方法包含：

从所述海底流设备和周围海水之间的热势产生电力；

使用所述电力来操作传感器，从而监测所述流设备的特性；以及

提供指示所述传感器所监测的特性的辐射输出。

8.按照权利要求7所述的方法，进一步包含：使用太阳能电池接收来自水下光源的光，从而提供光衍生电力；以及利用所述光衍生电力对所述传感器供电。

9.按照权利要求7所述的方法，进一步包含：

在将流设备部署到海底地点之前使用太阳能电池接收太阳光，从而提供太阳光衍生电力；

利用太阳光衍生电力对蓄电池充电；以及

当所述热势不足以对所述传感器供电时，利用所述蓄电池对所述传感器供电。

10.按照权利要求9所述的方法，进一步包含：

在利用所述蓄电池对所述传感器供电的所述步骤之后，使用太阳能电池接收来自水下光源的光，从而提供光衍生电力；以及

利用所述光衍生电力对所述传感器供电，其中，所述水下光源由潜水器提供，以及

利用所述潜水器检测来自所述传感器的辐射输出，从而确定所述传感器所监测的特性。

11.按照权利要求7所述的方法，进一步包含将一个装置安装到海底流设备，所述装置被配置成进行所述产生电力、使用电力、以及提供辐射输出的步骤，其中，所述海底流设备是具有在接头处接合的多个相继管段的海底流线，以及其中，在接头之一处将热电器件安装到管道。

12.按照权利要求11所述的方法，其中，提供辐射输出包含：改变流线上的光输出，从而指示流线的温度和应变至少之一。

13.按照权利要求11所述的方法，其中，所述产生电力、使用电力、以及提供辐射输出的步骤是在沿着流线的长度的相继位置处的多个地点进行的。

14.按照权利要求13所述的方法，进一步包含：让潜水器沿着流线通过，以及利用所述潜水器相继地检测来自传感器的辐射输出，从而确定每个传感器所监测的特性。

15.按照权利要求7所述的方法，进一步包含：将来自传感器的信息存储在安装在海底流设备上的存储器中，所述信息指示一段时间内的特性；以及从存储器输出该段时间内的信息。

16.按照权利要求7所述的方法，进一步包含：将指示流设备的温度和应变至少之一的信号从传感器传送到远端接收器，以及其中，所述产生、使用、以及提供步骤包含：在沿着海底流设备的多个地点产生电力，使用所述电力来操作每个地点的传感器，以及在每个地点提供指示该地点的传感器所监测的特性的辐射输出。

17.按照权利要求16所述的方法，进一步包含：将指示多个传感器所监测的特性的信号从每个传感器传送到相继一个地点的相继一个传感器，使得沿着海底流设备逐步地传送信号。

18.按照权利要求17所述的方法，其中，每个传感器被配置成与沿着海底流设备的至少两个相继传感器无线和直接地进行通信。

Images