NO331362B1

NO331362B1 - Fremgangsmate og system for elektromagnetisk undervannskommunikasjon

Info

Publication number: NO331362B1
Application number: NO20033022A
Authority: NO
Inventors: Steven Martin Hudson
Original assignee: Expro North Sea Ltd
Priority date: 2001-01-03
Filing date: 2003-07-01
Publication date: 2011-12-12
Also published as: US7102532B2; CA2431704C; NO20033022L; WO2002054635A1; EP1348267B1; DE60106297D1; CA2431704A1; GB0100103D0; EP1348267A1; ATE279054T1; NO20033022D0; US20040051649A1

Abstract

Det er beskrevet fremgangsmåter ved undersjøisk kommunikasjon hvor en katodisk beskyttelsesanode (13) brukes som sendende antenne. Signalene mottas på et annet sted ved hjelp av to elektroder (22, 23; 32, 33) som befinner seg i ulik avstand fra den sendende antenne.

Description

Denne oppfinnelse gjelder undersjøisk kommunikasjon.

Det finnes en lang rekke forskjellige situasjoner hvor det er ønskelig å være i stand til å kommunisere mellom enheter i et undersjøisk (subsea) miljø. I denne beskrivelse brukes uttrykket undersjøisk ettersom det er konvensjonell terminologi, men det skal forstås at uttrykkes undersjøisk innbefatter enhver situasjon under vann.

Et spesielt eksempel hvor undersjøisk kommunikasjon er viktig, er under driften av autonome undervannsfarkoster (AUV - Autonomous Underwater Vehicles) uten for-tøyning og fortøyde fjernstyrte farkoster (ROV - Remotely Operated Vehicles). Sådanne farkoster behøver å bli styrt og de data de samler inn behøver å bli trukket ut. Det kan foretrekkes at denne styring og uttrekket av data kan gjøres på et regel-messig grunnlag (kanskje i sann tid) og uten behov for en fysisk forbindelse mellom vedkommende farkost og f.eks. et overflatefartøy, og uten behov for å bringe farkosten tilbake til overflatefartøy et.

Et eksempel på et system for kommunikasjon mellom et sted i undergrunnen og overflaten, hvor signalene mottas på et fjerntliggende sted via to elektroder plassert i ulik avstand fra en antenne, kan finnes i US-patent nr. 4 181 014.

Forskjellige kommunikasjonsmidler for bruk mellom AUVer og andre steder er blitt undersøkt. En mulighet er akustisk overføring, men denne lider av vanskeligheter på grunn av støy generert av viftene som driver AUVen.

Det er et formål for denne oppfinnelse å fremskaffe et undersjøisk kommunikasjons-middel som blant annet kan være egnet for bruk sammen med AUVer.

I henhold til et første aspekt av foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en fremgangsmåte ved undersjøisk signaloverføring fra et fjernt brønnhode, og som omfatter trinn hvor: - signaler sendes fra det fjerne brønnhode ved at undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode anordnet på det fjerne brønnhode, bringes

til å sende ut elektromagnetiske signaler, og

- signalene mottas på et sted fjernt fra det fjerne brønnhode via to elektroder anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret.

I henhold til et andre aspekt av foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en fremgangsmåte ved kommunikasjon med en undersjøisk farkost, og som omfatter trinn hvor: - signaler sendes fra et rørledningssystem ved at undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode anordnet på rørledningen, bringes til å

sende ut elektromagnetiske signaler, og

- signalene mottas hos en undersjøisk farkost via to elektroder anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret.

I henhold til et tredje aspekt av foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet et system for undersjøisk signaloverføring fra et fjernt brønnhode, og som omfatter: - sendeutstyr anordnet ved det fjerne brønnhode og innrettet for å få undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode anordnet på det fjerne

brønnhode, til å sende ut elektromagnetiske signaler,

- to elektroder anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret, og

- mottagningsutstyr anordnet på et sted i avstand fra brønnhodet og innrettet for å motta signalene via elektrodene.

Kommunikasjonsmetoden og -systemet kan virke fordi det elektriske felt sett fra en av elektrodene er forskjellig fra det sett fra den annen elektrode på grunn av minsknin-gen i signalstyrke ettersom avstanden fra antennen øker. Således måles et signal ikke i forhold til en eller annen jord (eller jording), men ut fra feltstyrkens endring i rom-met. Det kraftigste signal vil bli målt i en retning rettvinklet på feltlinjene. Det foretrekkes derfor at de to elektroder er anordnet langs en vektor som peker mot signal-kilden eller signalkildens forventede retning.

Kommunikasjonsmetoden og -systemet kan særlig anvendes i sammenheng med rør-ledningssystemer, slik som dem som brukes innen olje- og gass-industrien. I sådanne tilfeller kan det første eller andre sted være en del av et rørledningssystem mens vedkommende annet sted kan være på et overflatefartøy, en overflatestruktur eller en undersjøisk farkost. Likeledes kan det første eller andre sted være på en undersjøisk farkost mens det annet sted kan være på et overflatefartøy eller en overflatestruktur. Kommunikasjon i samsvar med denne beskrivelse kan utføres uten behov for forbind-ende kabler. Dette letter blant annet drift av undersjøiske farkoster uten fortøyning.

I en særlig foretrukket realisering er det første sted et fjernt brønnhode. Et fjernt brønnhode er et som ikke er forbundet med et større rørledningssystem via en strøm- ningsledning på havbunnen (eller på annen måte). En sådan brønn kan være en overvåkningsbrønn eller en tidligere produksjonsbrønn som er blitt stengt.

Antenneutstyret kan omfatte en anode for katodisk beskyttelse anordnet på en metall-struktur.

Kommunikasjonsmetoden og -systemet kan brukes for å sende data innsamlet fra følere eller andre komponenter fra et første til det andre sted. I noen utførelser kan dataene innbefatte målinger tatt i et rørledningssystem og overført fra rørlednings-systemet. I såfall kan antenneutstyret omfatte en anode. I andre utførelser kan dataene innbefatte informasjon samlet inn av f.eks. en autonom undervannsfarkost (AUV), idet AUVen kan utføre inspeksjon av et rørledningssystem og laste inspeksjonsdata opp til en overflatestruktur eller et overflatefartøy.

I enda ytterligere utførelser hvor signaler overføres fra et rørledningssystem kan selve rørledningssystemet brukes som signalkanal for å bære data som skal overføres fra et fjernt sted til området av antenneutstyret for utsendelse. I et eksempel kan en AUV befinne seg nær et rørledningssystem og det kan være ønskelig å overføre data til AUVen fra en plattform i rørledningssystemet. I såfall kan dataene sendes langs rør-ledningen fra plattformen til et sted i nærheten av AUVen for så å overføres fra antenneutstyret til AUVen. Denne type kommunikasjon kan skje ved at dataene mottas og sendes ut på nytt i området av antennen eller ved ganske enkelt å få antennen til, eller gjøre det mulig for antennen, å sende ut signalet mottatt langs rørledningen.

I det minste en av elektrodene kan omfatte et parti av en struktur, et fartøy eller en farkost som er i kontakt med den vannmengde som signaler skal sendes igjennom. Nevnte parti kan være en vanlig del av strukturen, fartøyet eller farkosten, eller være spesielt anordnet. Den annen elektrode kan være anordnet mot den fjerne ende av en langstrakt leder, f.eks. en skjermet kabel.

Fortrinnsvis velges egenskapene ved utstrålingen og særlig frekvensen og forskjellen i avstand mellom elektrodene fra antenneutstyret slik at signalfallet mellom elektrodene forårsaket av svekkelsen av signalet, blir vesentlig større enn forskjellene i signalstyrke forårsaket av faseforskjellen. I praksis vil dette være lett å gjøre fordi frekvensen av elektriske signaler som brer seg godt ut gjennom vannet tilsvarer bølgelengder som er meget store sammenlignet med enhver praktisk avstand mellom elektrodene. En utførelse av foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet bare som eksempel med henvisning til den eneste vedføyde tegning som skjematisk viser et overflatefartøy, en AUV og en del av et rørledningssystem hvor foreliggende oppfinnelse kan benyttes.

Tegningen viser et rørledningssystem 1 anordnet på sjøbunnen, en autonom undervannsfarkost (AUV) 2 som befinner seg i vannet som omgir rørledningssystemet 1, og et overflatefartøy 3.

Rørledningssystemet 1 omfatter en produksjonsrørstreng 11 som ender i et brønn-hode 12. Brønnhodet 12 er utstyrt med en katodisk beskyttelsesanode 13 som står i elektrisk kontakt med metallstrukturen i produksjonsrørstrengen 11 via brønn-

hodet 12. Følere 14 for måling av parametre, slik som temperatur og trykk, er anordnet i produksjonsrørstrengen 11 og en utgang fra følerne 14 er forbundet med en elektronikkmodul 15. I sin tur er elektronikkmodulen 15 forbundet med en ringformet spole 16 anbragt omkring produksjonsrørstrengen 11.

Elektronikkmodulen 15 og ringspolen 16 er anordnet slik at data mottatt fra følerne 14 kan kodes til signaler som induseres på produksjonsrørstrengen 11 ved et transfor-matorlignende samvirke. Egentlig danner metallstrukturen i rørledningssystemet 1 og en jordretur en vikling i en transformator med én vinding som signaler kan induseres på. Imidlertid er mekanismen for innføring av signaler i produksjonsrørstrengen 11 ikke særlig viktig for foreliggende oppfinnelse og vil heller ikke bli beskrevet mer detaljert.

Anoden 13 står i elektrisk forbindelse med produksjonsrørstrengen 11 via brønn-hodet 12 og er uisolert. Derfor vil anoden 13 virke som et antenneutstyr som sender ut stråling i det omgivende vann, som tilsvarer signalene ført inn i produksjonsrør-strengen 11.

AUVen 2 har mottagerutstyr 21 som er forbundet med et par elektroder 22, 23 i innbyrdes avstand. Den første av disse elektroder 22 er anordnet på overflaten av

AUVen 2, mens den andre elektrode 23 er anordnet i enden av en skjermet kabel 24.

AUVen 2 har også senderutstyr 25 med en tilhørende senderantenne 26. Samtidig har overflatefartøyet 3 mottagerutstyr 31 som er forbundet med et par elektroder 32, 33 i innbyrdes avstand og som er likedan eller identisk anordnet som dem på AUVen 2. Således er en første av elektrodene 32 anordnet på overflaten av overflatefartøyet 3, mens den andre av elektrodene 33 er anordnet i enden av en skjermet kabel 34.

Generelt uttrykt er hvert av mottagerutstyrene 21, 31 og deres tilhørende elektroder 22, 23; 32, 33 anordnet for å motta signaler sendt ut i vannet av en respektiv under-sjøisk antenne som kan være anoden 13 i rørledningssystemet 1 eller senderanten-nen 26 på AUVen 2.

I begge tilfeller befinner de respektive par av adskilte elektroder 22, 23; 32, 33 seg i ulik avstand fra vedkommende senderantenne 13, 26 og er i stand til å oppfange signaler fordi det elektriske felt sett fra vedkommende første elektrode 22, 32, vil være forskjellig fra det sett fra vedkommende andre elektrode 23, 33.

I dette tilfelle kan data som gjelder parametrene målt av følerne 14 bli sendt av anoden 13 for å mottas av AUVen 2 og/eller av overflatefartøyet 3.

Likeledes kan informasjon innsamlet av AUVen 2 enten ved hjelp av dets eget mottagerutstyr 21 eller ved hjelp av annet utstyr plassert på AUVen 2, sendes til over-flatefartøyet 3.

I en bestemt driftsform utnyttes AUVen 2 for å utføre en undersøkelse av et rørled-ningssystem f.eks. ved å utnytte sonaravsøkende utstyr, og resultatene av denne undersøkelse kan sendes fra AUVen 2 til overflatefartøyet 3.

Skjønt det ikke er vist på tegningen kan overflatefartøyet 3 også ha passende senderutstyr for å sende signaler som kan mottas av AUVen 2 via dens respektive elektroder 22, 23 og mottagerutstyr 21. Denne informasjon kan f.eks. inneholde instruksjoner for å regulere banen og/eller driften av AUVen 2.

I foreliggende utførelse brukes det elektriske signaler som har frekvenser i størrelses-orden 100 Hz eller noen få hundre Hz, som mottas via elektrodene. Under sådanne omstendigheter forventes det at systemet vil ha en rekkevidde på i det minste i stør-relsesorden noen hundre meter, men en rekkevidde på i størrelsesorden noen få kilo-meter er ikke usannsynlig. Det skal imidlertid bemerkes at forskjellige utstrålings-frekvenser kan brukes.

I tilfellet av et overflatefartøy kan avstanden mellom den første og andre elektrode 32, 33 være 20 - 30 m, mens brukt på en AUV 2 kan avstanden være 1 - 2 m. Generelt vil en større avstand forbedre evnen til å fange opp signaler, men praktiske forhold be-grenser den innbyrdes avstand.

I utførelsen beskrevet ovenfor blir signaler sendt fra anoden 13 ved hjelp av direkte overføring fra det inntilliggende rørledningssystem 1. I alternative utførelser kan imidlertid et signal bli avgitt via anoden 13 ved å bli sendt over et induktansutstyr anordnet i serie mellom anoden 13 og det inntilliggende parti av rørledningssystemet 1.

Skjønt utførelsen beskrevet ovenfor gjelder bruk av oppfinnelsen på en spesiell måte i sammenheng med rørledningssystemer, AUVer og overflatefartøy, er kommunikasjonsmetoden og -systemet ikke begrenset til å brukes på en slik måte.

Skjønt brønnhodet 12 beskrevet ovenfor er forbundet med en rørledning P, virker det foreliggende system fortsatt f.eks. sammen med, og er faktisk særlig attraktivt for bruk sammen med, fjerne brønnhoder som ikke er forbundet med større rørlednings-systemer. Sådanne brønner kan være overvåkningsbrønner eller brønner som er midlertidig eller permanent ute av bruk eller stengt. I en alternativ utførelse er således brønnhodet 12 et fjernt brønnhode, mens resten av systemet er hovedsakelig slik som det beskrevet ovenfor.

I en utvidelse av foreliggende utførelse kan de første og andre elektroder 22, 23; 32, 33 erstattes med et tre-akset deteksjonssystem som har tre ortogonalt anordnede par av elektroder i innbyrdes avstand. Dette gjør det mulig å bestemme den retning som signalet blir sendt ut med, ettersom denne tilsvarer retningen med størst signalstyrke. Dersom denne idé utvikles videre slik at flere signaler fra ulike opprinnelser mottas og deres retninger bestemmes, blir det mulig å utnytte triangulering for å bestemme posisjonen av det mottagende fartøy, struktur eller farkost i forhold til avsender-stedene.

Claims

1. Fremgangsmåte ved undersjøisk signaloverføring fra et fjernt brønnhode, og som omfatter trinn hvor: - signaler sendes fra det fjerne brønnhode (12) ved at undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode (13) anordnet på det fjerne brønn-hode, bringes til å sende ut elektromagnetiske signaler, og - signalene mottas på et sted (3) fjernt fra det fjerne brønnhode via to elektroder (32, 33) anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, og hvor stedet fjernt fra brønnhodet (12) befinner seg på et overflatefartøy (3) eller en undersjøisk farkost (2).

3. Fremgangsmåte ved kommunikasjon med en undersjøisk farkost, og som omfatter trinn hvor: - signaler sendes fra et rørledningssystem (1) ved at undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode (13) anordnet på rørledningen, bringes til å sende ut elektromagnetiske signaler, og - signalene mottas hos en undersjøisk farkost (2) via to elektroder (22, 23) anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, og som omfatter et trinn hvor rørlednings-systemet (1) brukes som signalkanal for å bære data som skal sendes fra et fjernt sted til området av antenneutstyret for utsendelse.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og som omfatter et trinn hvor data mottas og sendes ut på ny i området av antennen.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, og som omfatter et trinn hvor antennen tillates å sende ut signalet mottatt langs rørledningen.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, og som omfatter et ytterligere trinn hvor de to elektroder anordnes langs en vektor som peker mot signal-kilden eller signalkildens forventede posisjon.

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, og hvor elektrodene omfatter et parti av et fartøy eller en farkost som står i kontakt med en vannmengde som signaler skal sendes igjennom, mens den annen elektrode er anordnet mot den fjerne ende av en langstrakt leder.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav, og hvor signalene blir mottatt via et tre-akset deteksjonssystem som har tre ortogonalt innrettede par av elektroder i innbyrdes avstand.

10. System for undersjøisk signaloverføring fra et fjernt brønnhode, og som omfatter: - sendeutstyr anordnet ved det fjerne brønnhode (12) og innrettet for å få under-sjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode (13) anordnet på det fjerne brønnhode, til å sende ut elektromagnetiske signaler, - to elektroder (32, 33) anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret, og - mottagningsutstyr (31) anordnet på et sted (3) i avstand fra brønnhodet og innrettet for å motta signalene via elektrodene.

11. System for kommunikasjon med en undersjøisk farkost, og som omfatter: - sendeutstyr anordnet på en rørledning (11) og innrettet for å få undersjøisk antenneutstyr som omfatter en katodisk beskyttelsesanode (13) anordnet på rørled-ningen, til å sende ut elektromagnetiske signaler, - to elektroder (22, 23) anordnet i forskjellig avstand fra antenneutstyret, og - mottagningsutstyr (21) anordnet på den undersjøiske farkost (2) og innrettet for å motta signalene via elektrodene.