專利名稱：用于張緊器系統的獨立液體水平檢測設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及一種在近海鉆井采油階段期間使用的立管張緊器系統，并且特別地，涉及一種獨立液體水平檢測裝置，其用于監(jiān)測張緊器系統的復合氣體積蓄器中的液體水平。提出的檢測裝置和方法論可擴展到用于液體水平檢測的任何其他的壓力容器。
背景技術：
立管在近海油氣鉆井采油中用于將鉆井泥漿以及采油流體通過海底井口運送到也被稱為張力腿平臺(TLP)或SPAR的浮式采油平臺。張緊器在平臺處用于將張力施加于立管。在鉆井或采油階段期間，立管系統典型地保持張力，以避免鉆井或采油層疊的結構不穩(wěn)定性。典型的張緊器包括伸縮式活塞和氣缸配置，其供應有來自儲蓄器的氣體壓力。波浪和水流使活塞和氣缸伸展和收縮。在一種類型的張緊器設計中，活塞構件包括管筒，其滑動地接合氣缸或其他管筒。每個管筒具有封閉端部和敞開端部，敞開端部彼此流體連通。管筒的內部用作用于接收氣體壓力的腔。可利用多個活塞。腔內的流體為動態(tài)密封件提供潤滑。因此，儲蓄器內的液體水平對確保動態(tài)密封件的有效潤滑而言是關鍵的。通過利用儲蓄器內的液體水平信息，可測量氣體體積。氣體體積可用于為立管張緊器系統提供阻尼剛性。用于監(jiān)測儲蓄器內的液體水平的新穎技術是期望的。

發(fā)明內容
用于立管張緊器的獨立液體水平傳感器的系統、方法和裝置的一個實施例具有柱形管筒和活塞桿，其伸縮地彼此接合。外儲蓄器或容器安裝在管筒外部，用于使氣體量連通于管筒的一側，并且使液壓液體連通于管筒的相對側。取決于活塞桿的沖程，儲蓄器中的液體水平將波動?；钊麠U響應于波浪和水流而移入和移出柱形管筒。外儲蓄器可用作鉆井立管張緊器(DRT)或采油立管張緊器(PRT)。復合棒同軸地安裝在外儲蓄器內。復合棒的每個端部處的套管用于將棒固定在適當的位置。每個套管具有孔，其允許氣體或液體流入或流出儲蓄器，從而保持現狀。復合棒嵌入有聚偏氟乙烯(PVDF)傳感器陣列。PVDF傳感器以期望的間隔布置在復合棒上，該PVDF傳感器在液體與傳感器接觸時提供輸出信號以指示儲蓄器中的液體水平，從而允許液體水平的可靠監(jiān)測。取決于氣體或液體是否與傳感器接觸，PVDF傳感器陣列產生不同的輸出電壓。獨立液體水平檢測設備可有利地與現有立管張緊器系統一起使用，以精確地監(jiān)測現有或第三方氣體儲蓄器中的液體水平，可提供張緊器反饋以使立管系統保持在恒定張力下，利用低成本壓電傳感器，并且可重新計算氣體壓力和體積。不要求儲蓄器的附加設計變化。動態(tài)氣體體積測量還便于檢測儲蓄器內的氣體泄漏(如果存在)。鑒于結合所附權利要求和附圖進行的本發(fā)明的下列詳細描述，本發(fā)明的前述和其他的目的和優(yōu)點對本領域技術人員而言將是顯而易見的。


為了如下方式，以該方式獲得并且可更詳細地理解將變得顯而易見的本發(fā)明的特征和優(yōu)點，可參考在附圖中示出的本發(fā)明的實施例來對以上簡要地概括的本發(fā)明進行更詳細的描述，該附圖形成該說明書的部分。然而，將注意，附圖僅示出本發(fā)明的一些實施例，并且因此不被認為限制本發(fā)明的范圍，因為本發(fā)明可允許其他等效實施例。圖1是根據本發(fā)明構造的一種類型的張緊系統的透視 圖2是根據本發(fā)明構造的一種類型的張緊系統的透視 圖3是圖1的活塞組件的透視 圖4是根據本發(fā)明構造的圖2的活塞組件的截面 圖5是根據本發(fā)明構造的圖4的活塞的儲蓄罐中的復合棒的截面 圖6是根據本發(fā)明構造的圖5的復合棒上的傳感器的平面 圖7是根據本發(fā)明構造的用于安裝在復合棒的頂端處的套管的截面 圖8是根據本發(fā)明構造的用于安裝在復合棒的底端處的套管的截面 圖9是圖7和圖8的套管的透視 圖10是根據本發(fā)明的方法的一個實施例的高層流程圖。圖11是根據本發(fā)明構造的用于活塞組件的附加實施例。
具體實施例方式參考圖1，描繪一種類型的立管張緊系統(“RTS”)10。RTSlO可用于保持鉆井立管或采油立管上的張力。示出活塞組件12，其在上端處連接于RTSlO的框架11，并且在下端處連接于張緊器環(huán)13。在該實施例中，活塞組件12相對于立管以角度定向。參考圖2，描繪另一種類型的RTS14。示出活塞組件16，其在上端處連接于DRT的框架17，并且在下端處連接于張緊器環(huán)(未示出)。在該實施例中，活塞組件16平行于立管定向。用于RTSlO和RTS14方位二者的活塞組件12，16在它們的構件方面是相似的，并且在下面被進一步說明。參考圖3，示出圖3的活塞組件12的實施例。理解，活塞組件16與圖1中示出的活塞組件相似，唯一的區(qū)別在于活塞管筒相對于豎直方向的傾斜角度。因此，圖3中的該區(qū)段還用于描述這種構造?；钊M件12具有柱形管筒18，其滑動地接收活塞桿20。管筒18可具有用于連接于框架17的上連接點22 (圖3)?；钊麠U20具有用于連接于諸如張緊器環(huán)(未示出)的構件的連接點24(圖2)，其可由于波浪和水流而起伏。因此，活塞桿20還可響應于這種波浪和水流而移入和移出管筒18。繼續(xù)參考圖3，儲蓄器或復合氣體積蓄器26示出為連接于柱形管筒18。儲蓄器26經由下管28與柱形管筒18的下端流體連通，并且經由上管30與柱形管筒的上端流體連通(N2 [氮]氣體或其他合適的氣體)。上管30和下管28與管筒18和儲蓄器26形成閉環(huán)系統。將在下面進一步說明上管30和下管28至管筒18和儲蓄器26的連接。上管30不在管筒18內敞開。儲蓄器26可在形狀上為柱形的，并且可包含可壓縮氣體和不可壓縮流體。下面將進一步說明儲蓄器26和相關的構件。儲蓄器26可由碳環(huán)氧樹脂復合基質制成，該碳環(huán)氧樹脂復合基質可利用纖維卷繞技術制造。此外，熱壓力釋放裝置31可位于上管30上，并且低壓力釋放裝置32可位于柱形管筒18的上端處。颶風隔離閥(未示出)還可在管筒18的大約中間長度處位于管筒18上。參考圖4，示出活塞組件16的截面圖。在操作期間，活塞桿20將響應于波浪和水流而移入或移出管筒18，因此在立管(未示出)上保持恒定的張力。該實施例中的儲蓄器26內的腔25包含氣體27和液體29 二者。氣體27可為氮氣N2,并且液體29可為也被稱為埃利砜流體的乙二醇?？衫闷渌线m的氣體和液體。在該實施例中，N2氣體傾向于朝向儲蓄器26的上端，并且乙二醇傾向于朝向儲蓄器的下端。在該實施例中，當活塞桿20從柱形管筒18軸向向外移動時，捕集在活塞40下面的乙二醇的部分被迫移出管筒18，并且經由下管28進入儲蓄器26。N2氣體被限制流入管筒18中，從而導致N2氣體占據儲蓄器26中的較小體積，這進而導致N2氣體在復合氣體儲蓄器26內處于較高壓力。可選地,N2氣體可被允許從儲蓄器流出，并且經由上管30流入管筒18。當活塞桿20從柱形管筒18軸向向內移動時，儲蓄器內的N2氣體膨脹，從而降低儲蓄器中的氣體壓力。因此，儲蓄器26中的N2氣體使乙二醇從儲蓄器移出，并且經由下管28進入管筒18。保持在儲蓄器26中的N2氣體占據更大體積，并且因此處于較低壓力。參考圖4，復合棒42從上端44和下端46安裝在儲蓄器26內。復合棒42用于指示儲蓄器26中的諸如乙二醇的液體水平。雖然復合棒42示出為居中地位于儲蓄器26內，但是它還可偏心地定位。復合棒42位于儲蓄器26的縱向軸線上。棒42還可由除了復合材料之外的材料制造。參考圖5和圖6，進一步示出復合棒42。復合棒42可在形狀上為柱形的，并且具有從下端46延伸到上端44的軸向通路43。中空的復合棒42在上端44(圖4)處敞開并且在下端46(圖4)處封閉，以防止流體進入復合棒的內部。在該實施例中，復合棒42包括傳感器陣列50。傳感器陣列50可為多個傳感器52，其可呈薄膜或帶的形式，并且由PVDF制成，PVDF嵌入或者結合于復合棒42的外層壓部54。傳感器52進一步聯接于電極56 (圖6)，其可位于復合棒42的中空區(qū)域或通路43內。電極56可徑向向內延伸到棒42的中空區(qū)域43中。如在隨后的段落中說明的，PVDF傳感器52的數量η可變化，并且均可作為單獨的通道被監(jiān)測。此外，傳感器52可制造成各種類型的形狀，其包括但不受限于圓形、正方形、矩形和三角形。PVDF是壓電材料，其響應于機械應變而產生電。PVDF的電-機械耦合在數學上可利用應變-電荷和應力-電荷壓電耦合方程描述。PVDF是由具有作為重復單元的CH2CF2的長分子鏈組成的半晶體狀聚合物。雖然可利用各種類型的壓電材料，但是PVDF具有相對于其他壓電材料的許多優(yōu)點，并且能夠以薄膜的形式獲得，PVDF可嵌入或者結合于復合材料。這些優(yōu)點中的一些包括:
1.所有可處理的碳氟化合物的最高抗拉強度；
2.良好的耐輻射性；
3.為可熔融加工的，允許PVDF金屬化，并且嵌入有復合材料；
4.高耐磨損性和耐化學性；
5.可在高達150°C(300 0F )的溫度處使用；
6.高柔性、耐用性和輕質，和 7.低聲阻抗。在該實施例中，PVDF傳感器52可具有高達250微米的厚度。參考圖6，每個電極56可包括傳感器52的內表面上的內涂層58和傳感器的外表面上的外涂層60。內涂層58和外涂層60由導電銀墨水制成以便于導電。每個電極56可連接于導線，并且作為導體向上定線成形成輸出導線組件或線束62，其在內部從復合棒42的下端46(圖4)到上端44(圖4)收集每個導體信號。當薄膜傳感器52中的一個張緊時，薄膜傳感器的電壓響應可作為模擬電壓輸出通過導線組件62傳輸，可進一步分析該模擬電壓輸出。將在下面進一步討論電壓輸出的使用。參考圖7、圖8和圖9，示出上安裝套管70和下安裝套管72，它們分別固定復合棒42的上端44和下端46。套管70，72可為金屬的，并且可經由過盈配合安置到儲蓄器26的每個端部上。可選地，套管70，72可螺紋連接到儲蓄器26上。安裝套管70，72可用于將復合棒42安裝在現有張緊器系統(諸如，RTS14(圖2)或RTSlO (圖1))的現有儲蓄器中。如圖9所示，每個安裝套管70，72可具有孔或通路74，76。在上安裝套管70中，出于允許壓力計顯示壓力讀數的目的，孔74允許N2氣體離開儲蓄器26。在下安裝套管72中，孔76允許乙二醇流體進入儲蓄器26。如早先說明的，復合棒42的下端46是封閉的，以防止流體進入復合棒。因此,在復合棒42的外表面54處的嵌入PVDF傳感器陣列50可用作便于模擬電壓輸出響應的液體水平檢測裝置，該模擬電壓輸出響應對于乙二醇(液體)和隊(氣體)而言是不同的。由于傳感器陣列52的每個單獨的傳感器的壓電效應而產生的電壓信號可經由導線管80傳送到平臺，用于通過數據采集系統(DAQ)82、數字信號分析器(DSA)84和處理器86監(jiān)測和分析，以確定儲蓄器26內的乙二醇的水平L。由于RTSlO非常接近平臺(未示出)，故電壓信號以最小的噪聲有效地傳送到平臺。除了在平臺處監(jiān)測信號響應之外，還將監(jiān)測來自每個單獨的傳感器52的頻率響應，因為如果液體水平下降，并且該特別傳感器暴露于氣體，則頻率變化。在操作期間，活塞桿20(圖4)可響應于起伏或水流而從柱形管筒18(圖4)軸向向外或向內移動。當活塞桿20軸向向外移動時，捕集在活塞40下面的乙二醇的部分被迫經由下管28 (圖4)移出管筒18并且進入儲蓄器26 (圖4)。乙二醇被允許通過形成在下安裝套管72中的孔76(圖8)流入儲蓄器26。因此，儲蓄器26中的乙二醇的水平升高，并且壓縮儲蓄器內的N2，其此時占據儲蓄器內的較小體積。如由圖10中的流程圖示出的，DAQ82收集來自傳感器陣列50的電壓輸出信號，其中，信號通過DSA84分離到輸入通道中。通道對應于傳感器陣列50中的傳感器52的數量η。因此,來自每個傳感器52的電壓輸出信號可通過諸如LabView 的軟件的使用而監(jiān)測。因為與諸如乙二醇的液體的接觸使傳感器52中的應變不同于由諸如N2的氣體放置在傳感器上的應變，所以產生以應變?yōu)樘卣鞯碾妷狠敵鲂盘枺湓试S傳感器響應區(qū)分乙二醇或N2氣體的應變。接著，DSA和處理器可提供適當的活動傳感器位置，其對應于從儲蓄器26的底部測量的最大乙二醇水平L。接著，可處理適當的傳感器位置，并且接著，可顯示乙二醇的水平或柱高。此外，因為N2氣體是可壓縮氣體，所以處理器可用于通過施加多方過程方程而計算儲蓄器26中的N2氣體壓力和體積:
權利要求
1.一種用于將張力施加于延伸到浮式近海結構的海底部件的張緊器，其包括: 柱形管筒； 活塞桿，其伸縮地接合所述柱形管筒； 用于流體和氣體的外儲蓄器，其安裝于所述柱形管筒的外部； 流體導管，其從所述外積蓄器延伸到所述柱形管筒的外壁表面，用于使其間的流體連通； 氣體導管，其從所述外積蓄器延伸到所述柱形管筒的外壁表面，用于使其間的氣體連通；和 安裝在外積蓄器內的流體水平指示器，其中，所述流體水平指示器包括至少一個聚偏氟乙烯(PVDF)傳感器。
2.根據權利要求 1所述的張緊器，其特征在于，所述流體水平指示器包括具有敞開端部和封閉端部的中空棒，并且所述傳感器包括沿著所述棒的長度間隔的多個PVDF傳感器。
3.根據權利要求2所述的張緊器，其特征在于，所述PVDF傳感器中的一個嵌入或者結合在復合棒中。
4.根據權利要求3所述的張緊器，其特征在于，所述PVDF傳感器中的一個包括帶，其纏繞在所述中空復合棒的外表面周圍。
5.根據權利要求2所述的張緊器，其特征在于，進一步包括從所述PVDF傳感器延伸的電極，其在所述PVDF傳感器由于與液體或氣體接觸而張緊時傳輸電壓輸出信號。
6.根據權利要求5所述的張緊器，其特征在于，與所述PVDF接觸的液體為乙二醇，并且由此在所述PVDF傳感器上產生應變。
7.根據權利要求5所述的張緊器，其特征在于，所述PVDF傳感器的電極與數據采集系統電氣連通。
8.根據權利要求7所述的張緊器，其特征在于，所述流體水平指示器經由如下構件安裝在所述外積蓄器內: 上套管，其具有至少一個通路，所述至少一個通路使所述上套管的內表面與外表面連通,和 下套管，其具有至少一個通路，所述至少一個通路使所述下套管的內表面與外表面連通。
9.一種用于張緊器的流體水平指示器，其包括: 棒，其適合于軸向地安裝在儲蓄器內，所述儲蓄器安裝在活塞組件的外部；和布置在所述棒的外表面上的多個傳感器，其中，所述傳感器中的每一個包括PVDF薄膜，以便提供指示所述傳感器是否與液體或氣體接觸的信號。
10.根據權利要求9所述的流體水平指示器，其特征在于， 所述棒是復合棒； 所述復合棒具有通路，其從敞開的上端延伸到封閉的下端；并且所述多個傳感器均包括電極，其在所述PVDF薄膜由于與液體接觸而張緊時傳輸電壓輸出信號。
11.根據權利要求10所述的流體水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜嵌入或者結合于所述復合棒的外層壓部。
12.根據權利要求10所述的流體水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜纏繞在所述中空復合棒的外層壓部周圍。
13.根據權利要求10所述的流體水平指示器，其特征在于，所述PVDF薄膜中的每一個的電極與數據采集系統、數字信號分析器和處理器電氣連通，用于經由來自所述PVDF薄膜的所述電壓輸出信號確定所述儲蓄器內的液體水平。
14.根據權利要求10所述的流體水平指示器，其特征在于，所述復合棒經由如下構件安裝在所述儲蓄器內: 上套管，其具有至少一個通路，所述至少一個通路使所述上套管的內表面與外表面連通,和 下套管，其具有至少一個通路，所述至少一個通路使所述下套管的內表面與外表面連通。
15.一種確定活塞組件的儲蓄器內的液體水平的方法，其包括: 設置棒，并且將所述棒軸向地安裝在儲蓄器內，所述儲蓄器適合于安裝在所述活塞組件的外部，其中，所述棒具有從敞開的上端延伸到封閉的下端的通路；并且多個傳感器布置在所述棒的外表面上，其中，所述傳感器中的每一個能夠檢測是否與液體或氣體接觸； 從所述傳感器中的至少一個產生電壓輸出信號；和 使來自所述至少一個傳感器的所述電壓輸出信號與所述棒上的所述傳感器的軸向位置相關，以確定液 體水平。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，進一步包括如下步驟:比較由于來自接觸氣體的傳感器的應變而產生的來自所述傳感器中的至少一個的電壓輸出信號和由于來自接觸液體的傳感器的應變而產生的來自所述傳感器中的至少一個的電壓輸出信號。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，進一步包括如下步驟:收集來自所述至少一個傳感器的所述電壓輸出信號，并且經由數據采集系統為所述傳感器中的每一個分配輸入通道。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，進一步包括如下步驟:分析并且處理來自所述至少一個傳感器的所述電壓輸出信號以確定所述液體水平。
19.根據權利要求19所述的方法，其特征在于，進一步包括通過如下方程的施加確定氣體體積和壓力:P I _ ( V 2 ) nP 2 — 1.V I J 其中: Pl為初始氣體壓力； Vi為初始氣體體積； P2為動態(tài)氣體壓力； V2為動態(tài)氣體體積；并且 η為氣體常數。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于張緊器系統的獨立液體水平檢測設備。立管張緊器具有伸縮地彼此接合的柱形管筒和活塞桿。包含液壓流體和氣體的外儲蓄器安裝在管筒外部，用于使液壓液體連通于管筒的端部。取決于活塞桿的沖程，儲蓄器中的液體水平將波動，并且氣體壓力變化。儲蓄器內的復合棒嵌入有PVDF傳感器陣列。PVDF傳感器在液體與傳感器接觸時提供輸出信號以指示儲蓄器中的液體水平，從而允許液體水平的可靠監(jiān)測。
文檔編號G01F23/22GK103183110SQ20121057736
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2011年12月27日
發(fā)明者A.C.法德克, V.H.納加拉賈 申請人:韋特柯格雷公司