專利名稱：水下發(fā)電的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在水下裝置(underwater installation)提供電力的方法、用于向水 下井(well)裝置提供輔助電力的方法、水下井裝置和包括這種裝置的設施，該裝置經(jīng)由臍 帶電纜(umbilical cable)鏈接到水面(surface)位置以便補充在裝置處從臍帶電纜接收 的任何電力。
背景技術：
水下裝置、例如海底碳氫化合物(hydrocarbon)抽取井和具有多個這類井的井區(qū) 通常經(jīng)由臍帶電纜中的絕緣銅芯提供有來自水面或基于陸地的源的電力。通常，這類臍帶 電纜(umbilical)還攜帶在井實現(xiàn)某些控制功能性的液壓動力線路(line)以及用于維護 井的化學流(flow)線路。隨著臍帶電纜老化，銅芯周圍的絕緣可例如通過海水(water)進入或化學降解而 降級。銅芯本身也可能降級。這種降級可導致銅芯傳送電力能力的減小，使得井無法充分 運轉(zhuǎn)。當前，對這個問題的唯一解決方案是更換臍帶電纜，這是非常昂貴的。另外，情況常常是，過去鋪設的井區(qū)達到基礎設施設計使用壽命的期限，但仍然可 以能夠生產(chǎn)碳氫化合物。因此，操作人員可能需要升級基礎設施以便延長井區(qū)使用壽命。與 原始鋪設相比，升級的基礎設施通常例如由于對監(jiān)測老化設備的更多傳感器、一般增加的 電子器件以及因變化引起對所生產(chǎn)流體的更多測量等的需要而具有更高功耗。原始臍帶電纜已經(jīng)設計成滿足原始功率要求，并且因此對于升級的設備可能是不 夠的。操作人員則面臨如上所述費用很高的更換臍帶電纜或者商業(yè)上不合要求的限制海底 所設置設備的量的選擇。從US 2006/0006656、US 2005/0179263、WO 2009/122174、GB1595529、US 4112687、WO 97/23708、US 2006/016606、XP 002532127 (0TC 15366，2003 年 5 月 5 日，第 1-8頁)、US 47810 和US 3568140中已知具有水下發(fā)電形式的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述問題。具體來說，本發(fā)明提供對更換臍帶電纜的極端解 決方案的更低成本備選方案，并且允許無限制地進行升級。這個目的通過在裝置提供輔助 發(fā)電部件以補充在裝置從臍帶電纜接收的電力來實現(xiàn)。在具體實施例中，輔助發(fā)電部件包 括化學流電池。使用本發(fā)明，可增加由臍帶電纜所運送的電壓和電流中任一個或兩者，以便滿足 井樹(well tree)設備的需求。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供用于向水下井裝置提供輔助電力的方法，該裝置經(jīng) 由臍帶電纜鏈接到水面位置以補充在裝置從臍帶電纜接收的任何電力，該方法包括下列步 驟在裝置提供發(fā)電部件；以及
提供電力輸出線路用于將發(fā)電部件生成的電力傳送給裝置。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供在水下裝置提供電力的方法，包括下列步驟在裝置提供化學流電池；提供化學供應通道用于向流電池供應操作(operating)化學品以供發(fā)電；以及提供電力輸出線路用于將流電池生成的電力傳送給裝置。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供用于向水下井裝置提供輔助電力的方法，該裝置經(jīng) 由臍帶電纜鏈接到水面位置以補充在裝置從臍帶電纜接收的任何電力，該方法包括下列步 驟在裝置提供化學流電池；提供化學供應通道用于向流電池供應操作化學品以供發(fā)電，化學供應通道包括臍 帶電纜中容納(house)的流線(flowline)；以及提供電力輸出線路用于將流電池生成的電力傳送給裝置。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供包括化學流電池的水下井裝置。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供包括根據(jù)第四方面的水下井裝置、水面位置以及鏈 接水面位置和裝置的臍帶電纜的設施，臍帶電纜設置用于向裝置供應電力并且從水面位置 向流電池提供操作化學品。


將參照附圖來描述本發(fā)明，附圖中圖1示意示出具有增加供應給井的電流和/或電壓的布置的本發(fā)明第一實施例；圖加示意示出配置成增加供應給井的電流的圖1中設備的一部分的放大圖；圖2b示意示出配置成增加供應給井的電壓的圖1中設備的一部分的放大圖；以及圖3示意示出具有用于直接向井設備提供電力的布置的本發(fā)明另一實施例。
具體實施例方式圖1示意示出本發(fā)明的第一實施例，其配置在其中經(jīng)由臍帶電纜1從水面位置向 海底井裝置供應的電流和/或電壓例如由于臍帶電纜1的銅芯降級或者已更新井設備提高 的要求而被限制到低于井區(qū)要求的情況下使用。示出攜帶三條不同線路的臍帶電纜1 一般向裝置運送AC電流的電力線2以及兩 個化學流線路3和4。通常將存在各種其它線路，例如液壓控制線路、其它電氣和化學線路， 為了清晰起見而未示出。在有利實施例中，化學流線路3和4中的任一個或兩者可包括備 用線路、如臍帶電纜中未用的液壓流體線路，即，最初預計在水面與裝置之間運送液壓流體 的線路。這種布置幫助將本發(fā)明改型到現(xiàn)有系統(tǒng)。還可使用其它備用線路，例如備用化學 供應線路。臍帶電纜1在海底端接(terminate)于臍帶電纜端接部件(UTA) 5，該部件可位于 裝置的各個位置，例如在單獨維護井時位于井頭部或者在維護井區(qū)時位于中心位置。電力線2經(jīng)由UTA 5和電氣線路12以及下面將描述的變壓器14向井樹20提供 電力。化學流線路3充當為化學流電池7供應操作化學品的化學供應通道，而在本實施例 中，流線路4充當用于將用過的(spent)化學品從流電池7返回到水面的化學去除或返回通道。提供流線路6和8用于分別向流電池7運送操作化學品并從流電池7運送用過的化 學品。這兩種線路6和8連接在UTA 5與電池7之間。在這個實施例中，由流電池所使用的用過的化學品經(jīng)由線路8返回給UTA 5并且 通過臍帶電纜1中的備用管4返回到水面位置。用過的化學品可在水面位置被再充電，并 且隨后返回給流電池。由流電池7所使用的操作化學品通常包括電解液中溶解的電活化粒種，其中電池 7包括將化學能轉(zhuǎn)換成電能的電化電池(未示出)。在將操作化學品供應給流電池7時，流電池7生成DC輸出，DC輸出經(jīng)由連接9傳 遞給電子換流器(inverter) 10。換流器10將DC輸入轉(zhuǎn)換成AC。AC輸出使用經(jīng)由信號線 13得到的相位信息自動與臍帶電纜AC供應調(diào)整相位。更詳細來說，換流器內(nèi)部控制電子器 件經(jīng)由線路13監(jiān)測臍帶電纜的AC供應，并且將換流器頻率和輸出相位調(diào)整到與臍帶電纜 AC供應的完全匹配。使輸出電壓最大，該電壓可能與從流電池7可用的供應電壓和電流相 關。僅當實現(xiàn)這個方面時，換流器輸出才切換到輸出連接。來自換流器10的輸出經(jīng)由連接 11連接到變壓器14。圖加以放大圖(S卩，示出圖1的圓圈區(qū)域的放大視圖)示出變壓器14連接。在 所示實施例中，建立連接以便向井樹20提供附加電流。在這里可看到，來自換流器10和臍 帶電纜1的輸出實際上并行連接。變壓器14的一組繞組與換流器10的輸出串聯(lián)，而另一 組繞組跨接在臍帶電纜1的輸出。兩組繞組實質(zhì)平衡。這樣，來自換流器10的輸出電流補 充來自臍帶電纜1的電流，使得饋送到井樹20的電流比這些單獨輸入電流中的任一個大。圖2b示出圖加的備選配置，其中建立連接以便向井樹20提供附加電壓。在這里 可看到，來自換流器10和臍帶電纜1的輸出實際上串聯(lián)連接，并且與臍帶電纜供應同相。變 壓器14的一組繞組與換流器10的輸出串聯(lián)，而另一組繞組與臍帶電纜1的輸出串聯(lián)。變 壓器14不平衡，使得與臍帶電纜輸出相比存在更多數(shù)量的繞組與換流器輸出串聯(lián)。使用這 種配置，輸出到井樹6的電壓16被提升到大于接收自臍帶電纜的輸出電壓15。如果井樹20所需的電壓和電流均比臍帶電纜1輸出的大，則可采用包括圖加和 圖2b的配置、即可采用兩個換流器和變壓器的配置。圖3示意示出具有直接向在井樹20的設備提供DC電力的布置的本發(fā)明另一實施 例。所示布置大體上具有與圖1組件相似的組件，而無需進一步描述。主要差別在于， 來自流電池7的DC輸出直接發(fā)送到井樹20的組件(未示出)，即不需要換流器或變壓器。 當然，例如電阻網(wǎng)絡的標準電氣組件(未示出)可用于確保流電池所供應的電流和電壓適 合于有關井樹組件。另外，圖3還示出一種布置，由此由流電池7使用的用過的化學品沒有直接被返回 到水面，而是饋送到并且存儲在水下的儲存箱(storage tank) 17中。這個儲存箱17可定 期清空或者根據(jù)需要返回到水面。上述實施例只是示范性的，并且在權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)各種備選方案是可能 的。來自換流器10的AC輸出與臍帶電纜AC供應的自動相位調(diào)整可按照與以上所述 不同的方式來實現(xiàn)。例如，代替使用專用監(jiān)測線路13，由DC源供電的換流器10中內(nèi)部控制電子器件可“查看”輸出AC連接，并且相應地將換流器頻率調(diào)整成與臍帶電纜供應的匹配。 當實現(xiàn)這個方面時，換流器輸出則可切換到輸出連接，使得AC換流器輸出這時連接到臍帶 電纜的AC供應。內(nèi)部控制電子器件這時調(diào)整換流器輸出電壓和相位，以使來自換流器的同 相輸出電流最大，同相輸出電流取決于從DC源可用的供應電壓和電流。臍帶電纜中用于操作或用過的化學品的線路可以是專用線路，或者備選地可以是 備用線路(例如未使用化學品或液壓流體線路)。具體描述的實施例示出由流電池使用的用過的化學品借以返回到水面或者存儲 在水下的布置，但是，如果是環(huán)境可接受的則能夠?qū)⑺鼈兣欧诺街車w(water)。另一備 選方案是沿本地注水井來處置用過的化學品。水下系統(tǒng)可使用例如圖2a、圖2b和圖3所示的電池結(jié)構(gòu)的組合。這些可使用在路 線之間進行電切換的一個單電池或者具有專用路線的單獨電池或者它們的組合來設置。所 述或每個電池可與其它發(fā)電源、如洋流驅(qū)動渦輪機結(jié)合使用。電池和/或UTA可位于水下裝置內(nèi)的各種位置，例如位于井樹、集合管 (manifold)、專用模塊等。雖然上述實施例集中于老化臍帶電纜不足以達到目標的實例，但是流電池的使用 并不局限于這些情形，而是自然可用于水下裝置以便例如在故障情況下提供備用或緊急電 力。同樣，電池可用于為無論是否位于井頭部的各種不同水下組件供電。在備選實施例中，現(xiàn)有化學注入線路可用作流電池的化學供應通道。在這種情況 下，流電池的操作化學品例如可在水面位置與操作裝置所需的其它化學品進行組合，使得 這些化學品在同一條線路中一起供應給裝置。這類其它化學品的示例是廣泛用于維護井的 單乙二醇(MEG)和甲醇。在這種情況下，組合的化學流體可流經(jīng)流電池，并且然后注入由井 所生產(chǎn)的生產(chǎn)流體(即油或氣體)。這將沿標準生產(chǎn)流體返回線路被發(fā)送到水面，其中成分 在水面適當分離。上述實施例全部涉及流電池的使用。但是，可在水下裝置采用備選發(fā)電部件，以便 補充接收自臍帶電纜的電力。這類發(fā)電部件包括-熱電發(fā)電由于地熱加熱，來自碳氫化合物井的生產(chǎn)流體通常處于比裝置附近的水體更高的 溫度。這種升高的溫度可用于得到電力。例如，這種發(fā)電(generation)可涉及Rankine循 環(huán)過程。在這里，超臨界二氧化碳(CO2)可用作工作流體，以海水作為散熱器。二氧化碳 可通過與生產(chǎn)流體(例如油或氣體)管道壁接觸來加熱，并且經(jīng)過本領域已知的膨脹-收 縮循環(huán)。例如，適當?shù)呐蛎浧靼莨苄团蛎浧骰驈较蛄魅霚u輪機。備選地，可通過使用 有機工作流體代替二氧化碳來采用有機Rankine循環(huán)過程。適當?shù)牧黧w包括例如R_13^、 R-M5fa、丙烷、丁烷和戊烷。在另一備選實施例中，可安裝多個Rankine循環(huán)。這允許在主 要系統(tǒng)出故障的情況下接通代替者，即因而提供備用系統(tǒng)。備選地，固態(tài)熱電發(fā)電機可用作發(fā)電部件，從而使用依靠固態(tài)溫度差的已知 kebeck效應來發(fā)電。在這里，生產(chǎn)流體再次可用于提供部分固態(tài)材料的升高發(fā)熱，同時海 水可用作散熱器。-動力發(fā)電作為替代或補充的電源可包括從位于裝置的水輪機得到的能量。這些水輪機可用于以已知方式把來自水流流動的動能轉(zhuǎn)換成電能，再次補充從臍帶電纜所供應的電力。例 如，電力還可從潮汐運動或表面波來獲得。這些方法都遭遇潛在缺點，因為所產(chǎn)生的能量可 受到波動。會產(chǎn)生更恒定能量供應的另一備選方案是將渦輪機定位在所生產(chǎn)的流體流中。在另一實施例中，在裝置所產(chǎn)生的電力例如可在本地通過使用燃料電池、蓄電池 (battery)、電容器等來存儲在裝置。這樣，可緩解與多變能量生成相關聯(lián)的問題。另外，能 量可存儲到其被需要時，這在裝置的能量需求可變的情況下特別有利。還設想其它發(fā)電部件的使用。
權(quán)利要求
1.一種用于向水下井裝置提供輔助電力的方法，所述裝置經(jīng)由臍帶電纜鏈接到水面位 置以補充在所述裝置從所述臍帶電纜接收的任何電力，所述方法包括下列步驟在所述裝置提供發(fā)電部件；以及提供電力輸出線路用于將所述發(fā)電部件生成的電力傳送給所述裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)電部件從包括熱電發(fā)電機、渦輪機和化學流 電池的組中選取。
3.一種用于向水下井裝置提供輔助電力的方法，所述裝置經(jīng)由臍帶電纜鏈接到水面位 置以補充在所述裝置從所述臍帶電纜接收的任何電力，所述方法包括下列步驟在所述裝置提供化學流電池；提供化學供應通道用于向所述流電池供應操作化學品以供發(fā)電，所述化學供應通道包 括容納在所述臍帶電纜中的流線；經(jīng)由所述化學供應通道將所述操作化學品供應給所述流電池；以及 提供電力輸出線路用于將所述流電池生成的電力傳送給所述裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述化學供應管道包括備用化學或液壓流體流線。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述化學供應管道包括所述臍帶電纜中用于將其 它化學品傳輸給所述裝置的化學注入線路，并且所述方法包括在所述水面位置將所述流電 池操作化學品與所述其它化學品進行混合的步驟。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的方法，包括在遠離所述裝置的位置提供化學資源。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，在所述水面位置提供所述化學資源。
8.如權(quán)利要求3至7中任一項所述的方法，還包括以下步驟提供在發(fā)電之后從所述 流電池去除用過的化學品的化學去除通道。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述化學去除管道包括將所述用過的化學品運送 到水面位置的流線。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述流線位于所述臍帶電纜中。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述裝置用于生產(chǎn)生產(chǎn)流體，并且所述流線在使 用時將所述生產(chǎn)流體傳輸?shù)剿妗?br> 12.如權(quán)利要求3至11中任一項所述的方法，包括下列步驟將所述流電池的DC輸出 轉(zhuǎn)換成AC，并且將這個電流與在所述裝置從所述臍帶電纜接收的電力進行相位調(diào)整。
13.—種水下井裝置，所述裝置經(jīng)由臍帶電纜鏈接到水面位置，所述裝置提供有補充在 所述裝置從所述臍帶電纜接收的任何電力的部件，所述部件包括在所述裝置的化學流電池；用于向所述流電池供應操作化學品以供發(fā)電的化學供應通道，所述化學供應通道包括 容納在所述臍帶電纜中的流線；用于經(jīng)由所述化學供應通道將所述操作化學品供應給所述流電池的部件；以及 用于將所述流電池生成的電力傳送給所述裝置的電力輸出線路。
14.如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，所述化學供應管道包括備用化學或液壓流體流線。
15.如權(quán)利要求13和14中任一項所述的裝置，其中，所述臍帶電纜連接到臍帶電纜端接部件，所述臍帶電纜端接部件通過化學流線路鏈接到所述流電池用于向其供應操作化學品。
全文摘要
用于向水下井裝置提供輔助電力的方法，所述裝置經(jīng)由臍帶電纜鏈接到水面位置以補充在裝置從臍帶電纜接收的任何電力，該方法包括下列步驟在裝置提供發(fā)電部件；以及提供電力輸出線路用于將發(fā)電部件生成的電力傳送給所述裝置。
文檔編號E21B43/00GK102102534SQ201010615839
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者A·德瓦拉延, M·A·勒哈, N·埃爾森, P·J·戴維, P·維亞斯 申請人:韋特柯格雷控制系統(tǒng)有限公司