NO339835B1

NO339835B1 - Kommunikasjonssystem med kraftledning

Info

Publication number: NO339835B1
Application number: NO20090553A
Authority: NO
Inventors: Gerald Ian Robinson
Original assignee: Ge Oil & Gas Uk Ltd
Priority date: 2006-07-08
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2017-02-06
Also published as: BRPI0714125A2; GB2441811B; GB2441811A; EP2041884A1; DE602007012707D1; EP2041884B1; AU2007274124A1; US20090321079A1; WO2008007051A1; AU2007274124B2; GB0613623D0; NO20090553L

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder anordninger for kommunikasjons- og kraftoverføring for overføring av både kommunikasjonssignaler og elektrisk kraft fra en kilde til et sted fjernt fra kilden, og en installasjon for produksjon av hydrokarboner som utnytter sådanne anordninger.

Styring av en fluidutvinningsbrønn til havs utføres typisk fra land eller fra en plattform til sjøs via en navlestrengkabel (umbilical). Navlestrengkabelen bærer typisk hydraulisk og elektrisk kraft samt kommunikasjon for styring og overvåking av brønnen. Moderne systemer utnytter fiberoptiske kommunikasjonskanaler som gir høy kvalitet og høye data-rater. Siden bruken av fiberoptisk kommunikasjon ennå ikke har en historie med hensyn til pålitelighet over lang tid, forlanger for tiden brønnoperatører et kablet kommunikasjons-system som reserve, selv om det gir en lavere datarate. I den hensikt å forenkle navlestrengkabelen og redusere dens pris oppnås styringsinformasjon typisk ved å legge styringsdata oppå kraftledninger ved kilden for så å trekke den ut ved brønnen, dvs. "kommunikasjon på kraft" (COP - Communications on Power). Skjønt man har fått denne teknikk til å virke med suksess i tilfellet av lange navlestrengkabellengder på f.eks. 120 km, er det tekniske problemer med den konvensjonelle løsning, og disse er: a) På grunn av den lange navlestrengkabellengde (på f.eks. 120 km) og for å holde kabelprisen nede overfører kabelen kraft ved høy spenning og lav strøm. Hoved-problemet ved konstruksjon av COP-systemer som typisk bruker frekvensdelt multi-pleksing, er å holde kraften borte fra kommunikasjonen. Filtre som avviser grunn-frekvensen er lette å konstruere siden de kan være en del av signalfilteret. Kraft-kanalen kan imidlertid også generere harmoniske og noen av dem vil befinne seg i kommunikasjonsbåndet slik at signalfilteret ikke kan fjerne dem uten også å fjerne signalet. De må derfor fjernes ved hjelp av kraftfiltre. b) På grunn av lengden er kabelen er dens dempning meget stor ved høye frekvenser, typisk større enn 70 dB. Som et resultat er signalleringsfrekvensene ganske lave,

typisk under 10 kHz. Følgen av dette er at adskillelsen mellom kraft- og kommunika-sjonsfrekvensene er liten og multipleksende filtre må utvikle tilstrekkelig dempning over et kort frekvensområde. Det må da konstrueres kraftfiltre som har lav avskjærings-frekvens, og sammen med de høye spenninger som er involvert betyr dette store verdier og omfangsrike komponenter.

c) Filtre som fjerner harmoniske i kommunikasjonsbåndet fra kraftkilden (og belastningen) oppviser en frekvensrespons som varierer med lastimpedansen. Særlig vil en tung last

naturligvis senke den avgitte effekt, selv i teoretisk tapsfrie filtre. Dette forringer systemets spenningsregulering, hvilken minsker dets evne til å levere kraft.

Fig. 1a og 1b viser hvordan et konvensjonelt COP-system kan realiseres. Fig. 1a viser hvordan et kommunikasjonssignal legges til kraften ved kildeenden av en navlestrengkabel (dvs. en kombinator), mens 1b viser hvordan kommunikasjonssignalet trekkes ut ved brønnenden (dvs. en splitter).

Med henvisning til fig. 1a blir nærmere bestemt kraften på linjene 1, 2 tilført en navlestrengkabel 3 via en transformator 4 og et kraftfilter på en landbasert installasjon eller plattform til sjøs. Kraftfilteret har tre seriekoblede induksjonsspoler 5, 6 og 7 og to parallellkoblede kondensatorer 8 og 9. Ved den landbaserte installasjon eller plattformen til sjøs blir også et kommunikasjonssignal på linjene 10, 11 som inneholder styringsdata, tilført navlestrengkabelen 3 via en transformator 12 og et kommunikasjonsfilter. Kommunikasjonsfilteret har en parallellkoblet induksjonsspole 13 og en seriekoblet kondensator 14. Ved brønnen blir med henvisning til fig. 1b kraften overført fra navlestrengkabelen 3 til linjene 15, 16 via et kraftfilter og en transformator 17. Kraftfilteret har to seriekoblede induksjonsspoler 18 og 19 og en parallellkoblet kondensator 20, mens kommunikasjonssignalet tilføres linjene 21, 22 via en transformator 23 og et kommunikasjonsfilter. Kommunikasjonsfilteret har en seriekoblet kondensator 24 og en parallellkoblet induksjonsspole 25.

Kraftfilterkomponentene i fig. 1a og 1b må konstrueres for å tåle de spenninger og strømmer som er knyttet til kraftkretsene. Videre kan deres avskjæringsfrekvenser være så lave som 100 Hz, hvilket typisk betyr kondensatorer på 3 \ iF med merkespenning 3 kV og induksjonsspoler på 0,8 H konstruert for å bære 10 A. Dette er store komponenter og kondensatorene er vanskelige å skaffe tilveie. Kommunikasjonsfilterets induksjonsspoler er mindre, men kondensatorene er på i det minste 1 iiF og behøver å være beregnet på den fulle høye spenning.

Det er et formål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe utstyr som muliggjør overføring av både kommunikasjonssignaler og kraft fra en kilde, slik som en overflatestasjon i en installasjon for produksjon av hydrokarboner, til et fjernt sted, slik som et undersjøisk anlegg for utvinning av hydrokarboner, samtidig som problemene påpekt ovenfor gjøres mindre.

Et eksempel på et system for overføring av både kommunikasjonssignaler og kraft ved hjelp av en fantomkanal er kjent fra US 4,173,714 ( Bloch) som gjelder bruk av denne i et telefonnett.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse er det fremskaffet en kommunikasjons- og kraft-overføringsanordning og en hydrokarbonproduksjonsinstallasjon omfattende anordningen, slik som angitt i de vedføyde patentkrav. Hovedtrekkene ved den foreliggende oppfinnelsen fremgår av de selvstendige patentkrav. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives med henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken:

Fig. 1a viser et kjent overføringsarrangement,

Fig. 1b viser den mottagende ende i arrangementet ovenfor, og

Fig. 2 viser et kretsskjema for en utførelse i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser en utførelse av foreliggende oppfinnelse. Ved en overflatebasert stasjon, slik som en landbasert plattform eller plattform til sjøs, blir kommunikasjonssignaler på linjene 26, 27 og på linjene 45, 46 for en eller flere undersjøisk brønner tilført hver av to respektive inngangstransformatorer28 og 29 for kommunikasjon, mens kraft leveres på linjene 30 og 31 til en inngangstransformator 32 for kraft. Sekundærviklingen i transformatoren 28 er koblet over et par tråder 33, 34 i en navlestrengkabel 35, mens den sekundære vikling i transformatoren 29 er koblet over et andre par tråder 36, 37 i navlestrengkabelen 35. Således blir kommunikasjonssignalet splittet i to halvdeler som hver blir båret på et respektivt par blant parene 33, 34 og 36, 37, idet disse par er galvanisk isolert fra hverandre.

Den ene ende av den sekundære vikling i transformatoren 32 er forbundet med midtpunktet på den sekundære vikling i transformatoren 28, mens den annen ende av den sekundære vikling i transformatoren 32 er forbundet med midtpunktet på den sekundære vikling i transformatoren 29.

Ved et undersjøisk anlegg for utvinning av hydrokarboner, slik som en undersjøisk brønn eller brønnanlegg, er den primære vikling på en transformator 38 for avgivelse av kraft koblet over paret av tråder 33, 34, mens den primære vikling på en transformator 39 for avgivelse av kraft er koblet over paret av tråder 36, 37. De sekundære viklinger på transformatorene 38 og 39 er koblet over respektive linjer 40, 41 og 47, 48 for å fremskaffe to kommunikasjonskanaler for anlegget. Ved anlegget er også den ene ende av primærviklingen på transformatoren 42 for avgivelse av kraft forbundet med midtpunktet på transformatoren 38, mens den annen ende av primærviklingen på transformatoren 42 er forbundet med midtpunktet på transformatoren 39. Den sekundære vikling på transformatoren 42 er koblet over linjene 43, 44 for å gi kraft til anlegget.

I et konvensjonelt COP-system bæres kraften og kommunikasjon på et eneste par mens eksempelet på foreliggende oppfinnelse fordrer to par. Kraft blir imidlertid båret på begge par, slik at enten kan det bæres dobbelt så mye kraft med den samme tråddimensjon i navlestrengkabelen, eller de fire tråder kan gjøres mindre. Kommunikasjon over meget lange avstander kan generelt bare gjennomføres med lave datahastigheter. Dette fører til store vanskeligheter for konvensjonelle COP-systemer fordi ettersom forskjellen mellom kommunikasjons- og kraftfrekvenser blir mindre, blir det å skille kommunikasjonssignalene fra kraften i økende grad vanskelig. Systemet i henhold til foreliggende oppfinnelse fordrer mye enklere filtrering på grunn av den iboende isolasjon mellom kraft- og kommunikasjons-kanalene. Videre er det frembragt to kommunikasjonskanaler. Typisk tilfører systemet kommunikasjonssignaler til et brønnanlegg (well complex) heller enn bare en eneste brønn, slik at for i praksis å øke hastigheten som brønndataene blir innsamlet med og styrings-kommandoene blir avgitt med, kan kommunikasjonssignaler f.eks. tilføres fire brønner via ett par tråder og til fire andre via det annet par. Således kan datahastigheten halveres uten å påvirke oppdateringsraten for feltdataene, for å strekke seg over den avstand som kommunikasjon kan oppnås over.

Dersom midttappene på hver av transformatorene 28, 29, 38 og 39 er perfekte slik at krysstale mellom parene blir lik null, er det da en fullstendig isolasjon mellom kraft- og kommunikasjonssignalkretsene. I praksis vil isolasjonen ikke være total, men typisk omkring 50 dB. Igjen vil i praksis en hvis filtrering være nødvendig, men problemet vil være i det minste to størrelsesordener mindre vanskelig enn med konvensjonelle COP-systemer.

I systemet vist i fig. 2 blir kommunikasjonssignalet splittet i to halvdeler og hver halvdel blir båret av det ene av de to trådpar. De to trådpar er galvanisk isolert fra hverandre. Kraften bæres via en "fantomkanal" i form av et fellesmodus-signal på hver av de to kommunika-sjonspar.

Oppfinnelsen fjerner behovet for kostbare, omfangsrike høyspenningskomponenter samtidig som den nye teknikk sørger for utmerket fellesmodus-avvisning, som i prøver har oppvist en isolasjon mellom kraft og signal på 80 dB eller bedre. I praksis forventes en isolasjon på 50 dB.

Samtidig som et kommunikasjonssignal sendes til det hydrokarbonutvinnende anlegg kan signaler sendes fra sistnevnte (f.eks. fra overvåkingen av brønnen) via den samme bane til den overflatebaserte stasjon og i dette henseende kan kommunikasjonen virke i en simpleksmodus, dupleksmodus eller en halv dupleksmodus (hvor kommunikasjon i de to retninger veksler med hverandre).

Den foregående beskrivelse gjelder bare en utførelse av foreliggende oppfinnelse. Det vil forstås av fagfolk på området at forskjellige modifikasjoner eller alternativer er mulig innen-for patentkravenes omfang.

Claims

1. Kommunikasjons- og kraftoverføringsanordning for overføring av både kommunikasjonssignaler og elektrisk kraft fra en kilde til et sted fjernt fra kilden, og som ved kilden omfatter: - en kommunikasjonssignalinngang (26, 27; 45, 46) forbundet med første og andre kommunikasjonsinngangstransformatorer (28, 29) for mating av kommunikasjonssignaler til respektive primære viklinger på nevnte første og andre kommunikasjonsinngangstransformatorer, og - en kraftinngang (30, 31), og ved det fjerne sted: - en kommunikasjonssignalutgang (40, 41; 47, 48) forbundet med respektive sekundære viklinger på første og andre kommunikasjonsutgangstransformatorer (38, 39), og - en kraftutgang (43, 44), karakterisert vedat: - de sekundære viklinger på de første og andre kommunikasjonsinngangstransformatorer er respektivt forbundet med de primære viklinger på de første og andre kommunikasjonsutgangstransformatorer for å danne første og andre galvanisk isolerte kretser, og - kraftinngangen er forbundet mellom midttapper på de sekundære viklinger på de første og andre kommunikasjonsinngangstransformatorer, og kraftutgangen er koblet mellom midttapper på de primære viklinger i de første og andre kommunikasjonsutgangstransformatorer.

2. Anordning som angitt i krav 1, hvor kraftinngangen (30, 31) er forbundet med en primær vikling på en kraftinngangstransformator (32), mens en sekundær vikling på kraftinngangs-transformatoren er koblet mellom midttappene på de primære viklinger i de første og andre kommunikasjonsinngangstransformatorer (28, 29).

3. Anordning som angitt i krav 1 eller 2, hvor kraftutgangen (43, 44) er forbundet med en sekundær vikling på en kraftutgangstransformator (42), mens en primær vikling på kraft-utgangstransformatoren er koblet mellom midttappene på de primære viklinger i de første og andre kommunikasjonsutgangstransformatorer (38, 39).

4. Hydrokarbonproduksjonsinstallasjon som omfatter en anordning i henhold til ethvert av de foregående krav, hvor kilden befinner seg ved en overflatestasjon, og det fjerne sted er ved et undersjøisk hydrokarbonutvinningsanlegg, idet overflatestasjonen og utvinningsanlegget er elektrisk knyttet til hverandre med en navlestrengkabel (35).

5. Hydrokarbonproduksjonsinstallasjon som angitt i krav 4, hvor de første og andre galvanisk isolerte kretser i hovedsak befinner seg inne i navlestrengkabelen (35).