CN107407140A - 用于控制盒、辅助海底系统和海面控件之间的接口的电力和通信集中器 - Google Patents

用于控制盒、辅助海底系统和海面控件之间的接口的电力和通信集中器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于石油天然气作业的电力和通信集中器(PCH)(204，206)。所述PCH包括：能够操作以将电力提供至用于石油天然气作业中的装置的端口；能够操作以提供用于石油天然气作业中的电通信的端口；用于连接至MUX电缆的多路复用器(MUX)接口(214，216)；用于连接至至少一个附加PCH(210，212)的PCH连接接口；以及PCH主体。所述PCH主体能够操作以邻近防喷器(BOP)组设置，并且，所述PCH主体物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信。

Description

用于控制盒、辅助海底系统和海面控件之间的接口的电力和 通信集中器
相关申请交叉引用
本申请是正式申请，要求于2014年12月17日提交的美国临时申请号62/093,029的优先权，其通过引用被全部并入本文中。
技术领域
本公开一般涉及石油天然气设备，并涉及用在石油天然气设备中的电力和通信集中器(PCH)。具体地，本公开提供在防喷器(BOP)海底应用中利用一个或多个PCH分配电力和通信的系统和方法。
背景技术
BOP系统是用来防止海底油井和气井喷发的液压控制系统。海底BOP设备通常包括两个或更多个冗余控制系统的组合，用分开的液压路径操作BOP组(BOP stack)上的指定的BOP功能。冗余控制系统通常被称作蓝黄控制盒。在已知系统中，通信和电力电缆向特定地址的致动器发送信息和电力。致动器又使液压阀移动，从而开放流体路径通向控制BOP的一部分的一系列其它阀门/管道。
以往，电力和通信连接一直集中在海底的BOP控制盒。然而，海底安全标准变得更加严格，包括对海底条件监测有更高的要求。这些安全和工业标准的提高增加了涉及与子系统、海面系统和海底控制盒接口的复杂性，因此提高了复杂程度。
发明内容
通过将BOP组上的BOP电力接口需求与海底控制盒分开，本公开提供了两个或更多个分开的PCH的模块化设计。在某些实施例中，PCH的这种模块化设计可以降低对控制盒的需求，使得控制盒只控制液压功能。因此，根据本公开的实施例从控制盒分出接口系统提高了当前和未来设计的设计可扩展性和灵活性。在一些实施例中，模块化设计可以避免重新设计复杂的控制盒消耗的时间，其中，新设计需求可以由PCH处理，诸如由于增加新条件监测子系统的需求带来的设计需求。
在一些实施例中，PCH包括四个对象：多路复用器(MUX)接口；电力分配；通信分配；以及组合的电力/通信分配。PCH吸收了来自控制盒需求的这些接口，因此，降低了控制盒的复杂性。此外，通过将接口与控制盒分开，PCH能够实现设计的灵活性，提高系统可靠性。
在某些实施例中，PCH与MUX电缆分开装置相接，并用作海底控件的中央电力和通信系统。通信链路可以从MUX输出终止，并链接至其适当的接口。PCH包括电力系统和通信系统。在某些实施例中，PCH电力系统将60Hz的三角形三相480伏交流电(VAC)转换成24伏直流(VDC)，以用作BOP海底控件的主要电压。在某些实施例中，PCH通信系统用作海底通信的网关。PCH通信系统可以提供与重合的PCH往返的通信交叉。通信交叉可以用作冗余通信链路的手段。在某些实施例中，PCH可以提供光纤(FO)监测，其中，光信号的恶化可能触发自动切换到冗余光纤通信路径。
在一些实施例中，PCH可以允许从下部BOP组到海面系统的多路复用器(MUX)通信，使之前设计产生显著的简化。在一些实施例中，具有冗余PCH可以实现交叉电力的分配，从两个MUX电缆给控制盒提供冗余电力，此冗余电力可以提高可靠性。本公开的技术能够降低控制盒对非关键子系统故障的脆弱性，以及对由于只有控制盒的系统需要的下游改变对大的重新设计的需要。
因此，本文公开了一种用于石油天然气作业的电力和通信集中器(PCH)。所述PCH包括：能够操作以将电力提供至用于石油天然气作业中的装置的端口；能够操作以提供用于石油天然气作业中的电通信的端口；用于连接至MUX电缆的多路复用器(MUX)接口；用于连接至至少一个附加PCH的PCH连接接口；以及PCH主体。所述PCH主体能够操作以邻近防喷器(BOP)组设置，并且，所述PCH主体物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信。
还公开了一种用于海底石油天然气作业的PCH系统。所述PCH包括第一LMRP PCH。所述第一LMRP PCH包括：能够操作以将电力提供至用于石油天然气作业中的装置的端口；能够操作以提供用于石油天然气作业中的电通信的端口；用于连接至MUX电缆的MUX接口；用于连接至至少一个附加PCH的PCH连接接口；以及PCH主体，其中，所述PCH主体能够操作以邻近BOP组设置，并且其中，所述PCH主体物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信；第二LMRP PCH；第一下部组(LS)PCH；以及第二LS PCH。
还公开了一种用于分散海底BOP组控制盒中的电力和通信的方法。所述方法包括步骤：将至少一个PCH引入到BOP组，其中，所述PCH能够操作以对现有的BOP组部件以及未来的BOP部件提供电力和通信；以及操作所述PCH以从海面控件将所需的电力和通信提供至所述BOP组上的部件，其中，所述PCH物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信。
附图说明
参照以下描述、权利要求和附图会更好地理解本公开的这些和其它特征、方面和优点。然而，要注意附图只图示本公开的几个实施例，因此不认为是限制本公开的范围，本公开可以允许有其它同等有效的实施例。
图1是BOP组的示意系统总图。
图2是示出在BOP组应用中使用四个PCH的示意图。
图3A是示出用在BOP组应用中的四个PCH中的两个的示意图。
图3B是继续图3A示出用在BOP组应用中的四个PCH中的两个的示意图。
图4A是示出下隔水管总成(LMRP)PCH网络交换机接口的示意图。
图4B是继续图4A示出下隔水管总成(LMRP)PCH网络交换机接口的示意图。
图5A是示出LMRP PCH和LMRP控件、仪表和监测元件之间的特定接口细节的示意图。
图5B是示出LMRP PCH和LMRP控件、仪表和监测元件之间的特定接口细节的示意图。
图6是下部组(LS)PCH和LS控件、仪表和监测元件之间的特定接口细节的示意图。
具体实施方式
所以，可以更详细地理解将变得显然的PCH系统和方法的实施例的特征和优点以及其它，通过参照其实施例，可以获得之前简要地总结的在附图中图示的本公开的实施例的更具体的描述，附图形成本说明书的一部分。不过，要注意附图只图示本公开的各个实施例，因此不认为是限制本公开的范围，本公开的范围也可以包括其它有效的实施例。
首先参照图1，示出BOP组的示意性系统总图。在图1中，描绘了BOP组100，其包括下隔水管总成(Lower Marine Riser Package，LMRP)102和下部组104。LMRP 102包括环管106、蓝控制盒108和黄控制盒110。热线112、蓝管114和黄管120从立管122向下进入到LMRP102中并通过管路歧管124到达控制盒108、110。蓝电力和通信线116和黄电力和通信线118分别进入控制盒108、110。LMRP连接器126把LMRP 102连接至下部组104。液压致动楔128和130设置成悬挂可连接软管或管子132，软管或管子132可以连接至梭板(shuttle panel)，诸如梭板134。
下部组104可以包括梭板134以及盲剪切闸板BOP 136、外壳剪切闸板BOP 138、第一管子闸板140和第二管子闸板142。BOP组100设置在井口连接144上。下部组104还可以包括可选的安装到组的蓄能器146，其包含必需量的液压流体以操作BOP组100内的某些功能。
如之前提到的，电力和通信以往连接一直集中在海底的BOP控制盒，诸如控制盒108、110。然而，海底安全标准已经变得更加严格，包括对海底条件监测有更高的要求。这些安全和工业标准的提高增加了涉及与子系统、海面系统和海底控制盒接口的复杂性，因此提高了复杂程度。本公开提供了将电力和通信连接与控制盒分开的能力。例如，将电力和通信连接诸如PCH定位于邻近下部组104，附加的监测是可行的。附加的监测装置可以连接至下部组104上的一个或多个PCH，而不是通过楔128和130将连接延伸至控制盒108、110。可以使用一个或多个PCH在LMRP 102和下部组104之一或两者上提供电力和通信。
现在参照图2，提供了示出在BOP组应用中使用四个PCH的示意图。尽管在所示的实施例中，在BOP组应用中用了四个PCH，但设想了任意数目的PCH可以任何适当的配置用在石油天然气作业中，以实现提高的监测能力。PCH系统200包括两个子系统。LMRP子系统202包括蓝色LMRP PCH 204和黄色LMRP PCH 206。LS子系统208包括蓝色LS PCH 210和黄色LSPCH 212。蓝色LMRP PCH 204和黄色LMRP PCH 206是位于LMRP上的电力和通信集中器，蓝色LS PCH 210和黄色LS PCH 212是LMRP PCH 204、206的扩展，位于下部组上(还参见图1中的102、104)。
蓝色LMRP PCH 204在蓝色MUX直接/蓝色MUX-XO连接接口214与MUX电缆相接，黄色LMRP PCH 206在黄色MUX直接/黄色MUX-XO连接接口216与MUX电缆相接。在所示的实施例中，蓝色LMRP PCH 204和黄色LMRP PCH 206用作海底控件的中央电力和通信系统。LS PCH210、212经由海底电缆和连接器与下部组对扣(lower stack stab)相接，并用作下部组子系统和仪表的LMRP PCH的扩展。另外，在所示的实施例中，LMRP PCH 204、206将电力和通信供给至位于LMRP上的安全仪表化系统(SIS)盒218。
在LMRP子系统202和LS子系统208之间，蓝色LMRP PCH204通过蓝色楔形连接器220与蓝色LS PCH 210操作耦连。在LMRP子系统202和LS子系统208之间，黄色LMRP PCH 206通过黄色楔形连接器222与黄色LS PCH 212操作耦连。LMRP子系统202还包括第一蓝色海底电子模块(SEM)224、第二蓝色SEM226、第一黄色SEM 228、第二黄色SEM 230、辅助LMRP连接232、声学监测系统234和用于LMRP 236的新服务连接。蓝色LMRP PCH 204提供与第一蓝色SEM 224的主要连接以及与第二黄色SEM 230的次要连接。黄色LMRP PCH 206提供与第一黄色SEM228的主要连接，与第二蓝色SEM 226的次要连接以及与声学监测系统234的连接。
蓝色LS PCH 210还包括蓄能器压力转换器238、高压/高温(HPHT)探头240以及辅助下部组连接242。黄色LS PCH 212提供蓄能器压力连接244、HPHT探头连接246以及声学监测LS连接248。LS子系统208还提供针对远程操作的车辆(ROV)显示器250和LS新服务连接252的接口。
在PCH系统200中，电力系统以如下方式提供电力：用于盒处的每个SEM 224、226、228、230的六个24伏直流(VDC)总线；用于RAM监测的两个24VDC母线；用于未来扩展(新服务)的四个24VDC母线；用于连接至黄色LMRP PCH 206的声学监测的一个24VDC母线；用于连接至黄色LS PCH 212的声学监测的一个24VDC母线；用于连接至蓝色LMRP PCH 204的非安全关键未来扩展的一个24VDC母线；用于连接至蓝色LS PCH 210的非安全关键未来扩展的一个24VDC母线；以及用于在LS处安装在组上的仪表的两个24VDC母线。
在PCH系统200中，通信系统会以如下方式提供通信：针对每个SEM的一个单独的通信链路；用于RAM监测的两个单独的通信链路；用于未来扩展(新服务)的两个单独的通信链路；针对连接至LMRP PCH 206的声学监测系统的一个单独的通信链路；针对连接至黄色LSPCH 212的声学监测的一个单独的通信链路；针对连接至蓝色LMRP PCH 204的非安全关键未来服务的一个单独的通信链路；针对连接至蓝色LS PCH 210的非安全关键未来服务的一个单独的通信链路；针对附加监测的两个单独的通信链路；用于在LS处安装在组上的仪表的两个单独的通信链路；以及声学监测和其它非关键BOP子系统也具有隔离的通信链路。
图3A是示出用在BOP组应用中的四个PCH中的两个的示意图。在图3B中继续图3A。图3A示出主要与冗余海底控制系统的蓝色侧关联的针对其它海底元件和海面控制系统的接口。BOP系统300包括蓝色LMRP PCH 302、蓝盒304、黄盒306、蓝色LS PCH 308和RAM监测单元310。图3B是继续图3A示出用在BOP组应用中的四个PCH中的两个的示意图。图3B示出主要与冗余海底控制系统的黄色侧关联的针对其它海底元件和海面控制系统的接口。BOP系统300还包括黄色LMRP PCH 312、黄色LS PCH 314、LMRP声学监测盒316和LS声学监测盒318。单元302、304、306、308、310、312和314操作耦连并如所示的通过光纤通信。黄色LMRP PCH312由5E类(CAT5E)电缆操作耦连至LMRP声学监测盒316，黄色LS PCH 314由CAT5E电缆操作耦连至LS声学监测盒318。
BOP系统300包括光纤320，其是用于LMRP SIS盒的通道。具有3根光纤的光纤簇322不提供针对海面控件的连接，并且终止于海面上。光纤簇322包括从海面数据架构电子器件到用于数据架构的网络交换机的光纤。具有3根光纤的光纤簇324提供针对海面控件的连接。光纤簇324包括来自蓝色中央命令单元(CCU)的连接至网络交换机的光纤以用于直接控制。具有3根光纤的光纤簇326提供针对海面控件的连接。光纤簇326包括来自蓝色CCU的连接至网络交换机的光纤以用于交叉控制。用于直接和交叉控制的通信基于针对主要(蓝色)和冗余(黄色)控制的工业网络协议(例如Modbus/传输控制协议(TCP))。
BOP系统300包括光纤328，其是用于LMRP SIS盒的通道。具有3根光纤的光纤簇330提供连接至声学监测服务器的光纤。具有3根光纤的光纤簇332提供针对海面控件的连接。光纤簇332包括来自黄色CCU的连接至网络交换机的光纤，以用于直接控制。具有3根光纤的光纤簇334提供针对海面控件的连接。光纤簇334包括来自黄色CCU的连接至网络交换机的光纤，以用于交叉控制。用于直接和交叉控制的通信基于针对主要(黄色)和冗余(蓝色)控制的工业网络协议(例如Modbus/TCP)。
现在参照图4A-B，示出示例性LMRP PCH网络交换机接口400。LMRP PCH通信子系统用作海底通信的网关。通信链路从MUX输出终止，并链接至其适当的接口。LMRP PCH通信子系统提供与重合LMRP PCH的往返通信交叉。交叉用作冗余通信的手段。
图4A是示出蓝色下隔水管总成(Lower Marine Riser Package，LMRP)的PCH网络交换机接口的示意图。图4B是继续图4A示出蓝色下隔水管总成(LMRP)的PCH网络交换机接口的示意图。LMRP PCH网络交换机接口400包括用于数据架构的网络交换机402、用于直接控制的独立网络交换机404、蓝色PCH中央处理单元(CPU)406和用于黄色海底系统的交叉控制的网络交换机408。Cat5E电缆连接414(端口1/2)直接连接至蓝色CPU。Cat 5E电缆连接412(端口1/1)提供针对交叉控制网络交换机的网络连接，其将冗余控制系统链接在一起。电缆连接416(端口3/3)提供通过主要SEM至蓝色盒的网络链接。图4A中在电缆连接412、414和416处的光纤对应于图4B中的光纤。在图4A和4B中，410和418不是光纤连接，而是盒子轮廓的线条，指示蓝色LMRP PCH的外壳。诸如1/3、1/2等的数字是网络交换机上的端口标识符。
在图4A中，光纤簇420操作耦连至蓝色CCU，光纤簇422终止于海面，不连接至海面控制。光纤424、426前进到蓝色下部组PCH，比方说例如图2中的蓝色LS PCH 210。光纤428操作耦连至黄色LMRP PCH，比方说例如图2中的黄色LMRP PCH 206。光纤430连接至黄盒上的次要SEM，比方说例如图2中的第二黄色SEM230。光纤432连接至蓝盒上的第一SEM，比方说例如图2中的第一蓝色SEM 224。
图5A和5B是示出LMRP PCH和LMRP控件、仪表和监测元件之间的特定接口细节的示意图。LMRP PCH电力子系统500将50Hz的三角形3相480伏交流电(VAC)转换成110VDC和24VDC，以用作BOP海底控件的电压。PS1A提供用于歧管的四个独立的24VDC电力钢轨，用于仪表盒的独立的24VDC钢轨以及用于SEM控件的独立的24VDC轨。PS1B提供24VDC电力轨的完全冗余集合，正如PS1A为同一盒子内的冗余元件提供的。PS2提供针对新服务的独立24VDC，针对辅助服务的独立24VDC以及针对LS PCH的110VDC，作为电源。PCH控件提供针对LMRPPCH电力子系统500内部的元件的控制功能。如下列出如本文中使用的某些首字母缩写词：印刷电路板组件(PCBA)；电源1A(PS1A)；电源1B(PS1B)；压力平衡充油(PBOF)。
图6是示出下部组(LS)PCH和LS控制元件之间的特定接口细节的示意图。在LS系统600中，LS PCH楔602操作耦连至LS PCH控制元件604、606、608和610。LS系统600中的控制元件604、606、608和610各自将24VDC电力轨提供至LS上的元件。电源控制元件604将24VDC电源提供至内部PCH控制元件。电源控制元件606将24VDC电源提供至蓄能器压力转换器。电源控制元件608将24VDC电源提供至附加监测。电源控制元件610将电源提供至LS声学监测系统。
在描述的本公开的各个实施例中，本领域技术人员会认识到可以构思部件、单元、管道和光纤的替代性布置，并将其应用于本发明。
单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
计算机可读介质的示例可以包括但不限于：一个或多个非易失性硬编码类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、CD-ROM和DVD-ROM或可擦除电可编程只读存储器(EEPROM)；可记录类型的介质，诸如软盘、硬盘驱动器、CD-R/RW、DVD-RAM、DVD-R/RW、DVD+R/RW、闪存、存储棒和其它更新类型的存储器；以及传输类型的介质，诸如数字和模拟通信链路。例如，这些介质可以包括操作指令以及与之前描述的系统和方法步骤有关的指令，并且这些介质能够在计算机上操作。本领域技术人员会理解代替或除了描述的存储计算机程序产品(例如其上包括软件)的位置之外，这些介质可以在其它位置。本领域技术人员会理解之前描述的各个软件模块或电子部件可以由电子硬件、软件或两者的组合实现和维护，并且这些实施例是由本公开的实施例所考虑到的。

Claims (20)

1.一种用于石油天然气作业的电力和通信集中器(PCH)，所述PCH的特征在于：
能够操作以将电力提供至用于石油天然气作业中的装置的端口；
能够操作以提供用于石油天然气作业中的电通信的端口；
多路复用器(MUX)接口，用于连接至MUX电缆；
用于连接至至少一个附加PCH的PCH连接接口；以及
PCH主体，其中，所述PCH主体能够操作以邻近防喷器(BOP)组设置，并且其中，所述PCH主体物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信。
2.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH能够操作以将电力和电通信供给到位于所述BOP组上的安全仪表化系统(SIS)盒。
3.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH能够操作以连接至第一海底电子模块(SEM)和第二SEM。
4.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH提供辅助下隔水管总成(LMRP)连接。
5.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH提供针对远程操作的车辆(ROV)显示器的连接。
6.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH提供用于所述BOP组上的新服务的连接。
7.根据权利要求1所述的PCH，其中所述PCH的特征在于PCH网络交换机接口，所述网络交换机接口的特征在于用于数据架构的网络交换机、用于直接控制的网络交换机、PCH中央处理单元(CPU)和用于交叉控制的网络交换机。
8.一种用于海底石油天然气作业的PCH系统，所述PCH系统的特征在于：
第一LMRP PCH，其中，所述第一LMRP PCH的特征在于：
能够操作以将电力提供至用于石油天然气作业中的装置的端口；
能够操作以提供用于石油天然气作业中的电通信的端口；
用于连接至MUX电缆的MUX接口；
用于连接至至少一个附加PCH的PCH连接接口；以及
PCH主体，其中，所述PCH主体能够操作以邻近BOP组设置，并且其中，所述PCH主体物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信；
第二LMRP PCH；
第一下部组(LS)PCH；以及
第二LS PCH。
9.根据权利要求8所述的PCH系统，其中所述第一LMRP PCH和所述第一LS PCH通过第一楔形连接器操作耦连。
10.根据权利要求8所述的PCH系统，其中所述第二LMRP PCH和所述第二LS PCH通过第二楔形连接器操作耦连。
11.根据权利要求8所述的PCH系统，其中所述第一LMRP PCH和第二LMRP PCH能够操作以将电力和电通信供给到邻近所述BOP组设置的SIS盒。
12.根据权利要求8所述的PCH系统，其中所述第一LMRP PCH和第二LMRP PCH各自能够操作以连接至第一SEM和第二SEM。
13.根据权利要求8所述的PCH系统，其中所述第一LS PCH和第二LS PCH提供至ROV显示器的连接。
14.根据权利要求8所述的PCH系统，其中电力系统的特征在于：用于每个SEM连接的六个24伏直流(VDC)总线；用于RAM监测的两个24VDC总线；用于新服务的四个24VDC总线；用于连接至黄色LMRP PCH 206的声学监测的一个24VDC总线；用于连接至黄色LS PCH 212的声学监测的一个24VDC总线；用于连接至蓝色LMRP PCH 204的非安全关键未来扩展的一个24VDC总线；用于连接至蓝色LS PCH 210的非安全关键未来扩展的一个24VDC总线；以及用于在所述LS处安装在组上的仪表的两个24VDC总线。
15.根据权利要求8所述的PCH系统，其中通信系统的特征在于：针对每个SEM的一个单独的通信链路；用于RAM监测的两个单独的通信链路；用于新服务的两个单独的通信链路；针对连接至LMRP PCH的声学监测系统的一个单独的通信链路；针对连接至LS PCH的声学监测的一个单独的通信链路；针对连接至LMRP PCH的非安全关键未来服务的一个单独的通信链路；针对连接至LS PCH的非安全关键未来服务的一个单独的通信链路；针对附加监测的两个单独的通信链路；用于在所述LS处安装在组上的仪表的两个单独的通信链路；以及具有隔离的通信链路的声学监测和其它非关键BOP子系统。
16.一种用于分散海底BOP组控制盒中的电力和通信的方法，所述方法的特征在于步骤：
将至少一个PCH引入到BOP组，其中，所述PCH能够操作以对现有的BOP组部件以及未来的BOP部件提供电力和通信；以及
操作所述PCH以从海面控件将所需的电力和通信提供至所述BOP组上的部件，其中，所述PCH物理设置成远离所述BOP组上的至少一个控制盒但与其电通信。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征还在于步骤：将所述至少一个PCH操作连接至至少一个附加PCH，使得所述至少一个PCH和至少一个附加PCH相互电通信。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征还在于步骤：使用所述PCH以将电力和电通信供给到位于所述BOP组上的安全仪表化系统(SIS)盒。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征还在于步骤：将所述PCH与第一SEM和第二SEM操作连接。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征还在于步骤：提供至ROV显示器的连接。
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