ПОДВОДНЫЙ МОДУЛЬ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ И СВЯЗИ Российский патент 2021 года по МПК E21B33/35 H05K5/06 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к модулю электропитания и связи для управления подводным модулем подводной нефтяной/газовой установки. Настоящее изобретение также относится к системе управления для управления такой подводной нефтяной/газовой установкой и к способу монтажа системы управления или замены существующей системы управления такой подводной нефтяной/газовой установки.

Уровень техники

Подводная нефтяная и/или газовая установка обычно содержит несколько подводных модулей, таких как подводные манифольды, фонтанная елка, соединенная со своими соответствующими устьями скважин и т.д. Эти подводные модули соединены с надводным (на море или на суше) центром управления для передачи электропитания и сигналов связи между подводными модулями и верхним строением через шлангокабель.

На фиг. 1 показана подводная установка 1 с подводным модулем 2 в виде фонтанной елки и узла заделки шлангокабеля (UTA, англ. umbilical termination assembly). Также показан подводный модуль управления (SCM, англ. subsea control module). Между блоком заделки шлангокабеля и SCM присоединены различные типы перемычек (гидравлические/химические и электрические), либо напрямую, либо через подводный модуль 2.

Подводный модуль управления (SCM), показанный на фиг. 2 производится и продается компанией FMC Technologies уже много лет. SCM содержит электронику, контрольно-измерительную аппаратуру и гидравлику для безопасной и эффективной работы подводных клапанов, дросселей, а также забойных клапанов в скважине. SCM содержит нижние стыковочные разъемы, предусмотренные в нижней части SCM, для опускания SCM на соответствующие разъемы, предусмотренные на подводном модуле. SCM также содержит верхние разъемы для присоединения посредством кабелей к другому подводному оборудованию. SCM является большим и тяжелым (приблизительно 1400-2000 кг, в зависимости от его технических характеристик) и требует каната во время опускания и подъема SCM относительно подводного модуля.

Другие подобные известные подводные модули управления показаны на фиг. 2 и 3. Эти модули управления не передают в подводный модуль текучую среду гидравлического управления, они передают только электроэнергию и сигналы связи. Кроме того, здесь требуется применение каната во время опускания и подъема, поскольку их вес составляет приблизительно 200 кг в воде.

Обратимся теперь к фиг. 6, схематично иллюстрирующей внутреннее устройство подводного модуля управления, известного из уровня техники. Здесь показано, что модуль управления содержит корпус Н, верхние разъемы дистанционно управляемого аппарата (ROV, англ. remotely operated vehicle) для присоединения к подводным кабелям (присоединение/отсоединение выполняется посредством ROV), нижние стыковочные разъемы для присоединения к подводному модулю (раскрыто выше), камеру на 1 атм, в которой предусмотрены электронные компоненты, которые соединены с верхним и нижним разъемами посредством проводов и пенетратора (например, стеклометаллического пенетратора). Провода расположены в камере с текучей средой с уравновешенным давлением, где также находятся трансформаторы.

Одной из целей настоящего изобретения является обеспечение подводного модуля управления в виде модуля электропитания и связи для управления подводным модулем подводной нефтегазовой установки, который можно поднимать и опускать посредством ROV. Для этого требуется, чтобы вес модуля составлял менее 100 кг в воде или менее 130 кг в воздухе.

Для достижения этого одна цель состоит в уменьшении физического размера и, следовательно, веса модуля управления.

Другой целью настоящего изобретения является упрощение модуля управления при одновременном повышении его гибкости.

Другой целью настоящего изобретения является упрощение процесса изготовления таких модулей управления.

Другой целью является улучшение теплопередачи от электронных компонентов внутри такого модуля управления.

Другой целью является платформа для проектирования и изготовления, которая позволяет выполнять большую часть инженерно-технических работ для модулей на ранней стадии. Следовательно, оператор нефтяного и/или газового месторождения может заказать модули управления (вместе с другим оборудованием) из ряда альтернатив. Таким образом, большая часть проектных работ, необходимых в отрасли сегодня, может быть устранена.

Другой целью является исключение ручной проводки и пайки электрических кабелей внутри модуля управления.

Раскрытие сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к подводному модулю электропитания и связи для управления подводным модулем подводной нефтяной/газовой установки, причем данный модуль содержит:

- корпус, содержащий герметизированный основной отсек;

- первый внешний разъем, предусмотренный снаружи корпуса, причем первый внешний разъем выполнен с возможностью присоединения к подводному модулю;

- управляющее устройство, содержащее схему электропитания и/или схему связи, предусмотренные внутри герметизированного отсека;

- пенетрационное устройство, присоединенное между первым внешним разъемом и управляющим устройством;

отличается тем, что

пенетрационное устройство содержит:

- печатную плату;

- первое уплотнительное устройство для герметизации первой области печатной платы, причем первая область обращена к основному отсеку;

- первый внутренний разъем, соединенный с первой областью печатной платы, причем первый внутренний разъем дополнительно соединен с управляющим устройством;

- второе уплотнительное устройство для герметизации второй области печатной платы, причем вторая область обращена к отсеку с уравновешенным давлением, находящемуся между герметизированным основным отсеком и внешней окружающей средой корпуса;

- второй внутренний разъем, соединенный со второй областью печатной платы, причем второй внутренний разъем дополнительно соединен с внешним разъемом;

- токопроводящие дорожки, предусмотренные на печатной плате между первым внутренним разъемом и вторым внутренним разъемом.

Первый и/или второй внутренние разъемы могут быть соединительными блоками, электрически соединенными с печатной платой.

Альтернативно, первый и/или второй внутренние разъемы содержат запрессованный интерфейс соединения, электрически соединенный с печатной платой и встроенный в нее. Поскольку соответствующие области обращены к их соответствующим отсекам, внешний разъем и управляющее устройство могут быть соединены с их внутренними разъемами без какой-либо пайки или проводки вручную. В одном из аспектов корпус содержит блок основного корпуса и блок корпуса разъема;

- пенетрационное устройство предусмотрено в отсеке между блоком основного корпуса и блоком корпуса разъема;

- внешний разъем проходит через блок корпуса разъема.

В одном из аспектов блок основного корпуса выполнен из алюминия или алюминиевого сплава.

В одном из аспектов подводный модуль управления содержит:

- первое пенетрационное устройство, присоединенное между первым внешним разъемом и управляющим устройством;

- второе пенетрационное устройство, присоединенное между вторым внешним разъемом и управляющим устройством;

- канал выравнивания давления, проходящий через корпус между отсеком с уравновешенным давлением первого пенетрационного устройства и отсеком с уравновешенным давлением второго пенетрационного устройства.

В одном из аспектов пенетрационное устройство содержит датчик утечки, предусмотренный в отсеке с уравновешенным давлением, причем датчик утечки электрически соединен с управляющим устройством.

В одном из аспектов пенетрационное устройство содержит:

- первое промежуточное уплотнительное устройство для герметизации первой промежуточной области печатной платы снаружи первой области, причем первая промежуточная область обращена к первому промежуточному отсеку, образуя дополнительный барьер между герметизированным основным отсеком и внешней окружающей средой;

- датчик давления для измерения давления в первом промежуточном отсеке, причем датчик давления электрически соединен с управляющим устройством.

В одном из аспектов пенетрационное устройство содержит:

- второе промежуточное уплотнительное устройство для герметизации второй промежуточной области печатной платы снаружи второй области, причем вторая промежуточная область обращена ко второму промежуточному отсеку, образуя дополнительный барьер между герметизированным основным отсеком и внешней окружающей средой.

Настоящее изобретение также относится к системе управления для управления подводным модулем подводной нефтяной/газовой установки, содержащая:

- интерфейс соединения, предусмотренный на подводном модуле;

- надводный модуль управления;

- шлангокабель, присоединенный между надводным модулем управления и интерфейсом соединения;

- подводный модуль электропитания и связи по пункту 1 формулы изобретения, соединенный с возможностью отсоединения с интерфейсом соединения.

В одном из аспектов система управления содержит дополнительный подводный модуль, имеющий дополнительный интерфейс соединения;

- дополнительный подводный модуль электропитания и связи, соединенный с дополнительным интерфейсом соединения;

причем подводный модуль электропитания и связи соединен с дополнительным подводным модулем электропитания и связи для обеспечения связи между надводным модулем управления и дополнительным подводным модулем электропитания и связи через подводный модуль электропитания и связи.

В соответствии с изобретением обеспечивается подводный модуль электропитания и связи (модуль управления) для управления подводным модулем подводной нефтяной/газовой установки, причем вес модуля составляет не менее 20 и не более 90 кг в воде. Соответственно, модуль можно поднимать и опускать посредством ROV.

Кроме того, конструкция и компоненты в модуле 10 управления стандартизированы. Следовательно, некоторым подводным модулям может потребоваться только такой модуль управления, причем один модуль управления обеспечивает достаточную величину электрической мощности и полосы пропускания канала связи для подводного модуля. Другие подводные модули могут потребовать большей полосы пропускания и/или большей электрической мощности. В таком случае к этому другому подводному модулю может быть подключен дополнительный модуль управления.

В одном таком модуле управления может быть обеспечен резерв, то есть наличие в одном таком модуле двух независимых схем управления. Альтернативно, резерв может быть обеспечен наличием двух независимых цепей управления в двух отдельных модулях управления. Если один из модулей управления выходит из строя, его можно относительно быстро заменить посредством ROV, поскольку стандартизированная конструкция позволяет иметь запас таких модулей управления.

Настоящее изобретение также относится к пенетрационному устройству для электрического соединения первого электрического разъема, предусмотренного в первом отсеке, со вторым электрическим проводником, предусмотренным во втором отсеке, причем пенетрационное устройство содержит:

- печатная плата;

- первое уплотнительное устройство для герметизации первой области печатной платы, причем первая область обращена к первому отсеку, при этом с первой областью печатной платы соединен первый электрический разъем;

- второе уплотнительное устройство для герметизации второй области печатной платы, причем вторая область обращена ко второму отсеку; при этом со второй областью печатной платы соединен второй разъем;

- токопроводящие дорожки, предусмотренные на печатной плате между первым разъемом и вторым разъемом.

Первый и второй отсеки являются отдельными друг от друга.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения теперь будут раскрыты со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:

на фиг. 1 показана часть нефтяной/газовой установки, известной из уровня техники;

на фиг. 2 показан вид сбоку подводного модуля управления, известного из уровня техники;

на фиг. 3а и 3b показаны виды сбоку модулей электропитания и связи, известных из уровня техники;

на фиг. 4 показан вид сбоку модуля управления в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 5 показан кабель, в который встроен трансформатор;

на фиг. 6 схематически показана принципиальная конструкция модуля управления, известного из уровня техники;

на фиг. 7 показана принципиальная конструкция модуля управления по фиг. 4;

на фиг. 8 показан вид сверху печатной платы с внутренним и внешним разъемами, как показано на фиг. 7;

на фиг. 9 показан вид сбоку в разрезе печатной платы и разъемов по фиг. 8;

на фиг. 10 показан вид сверху альтернативного варианта осуществления печатной платы с внутренним и внешним разъемами;

на фиг. 11 показан вид сбоку в разрезе печатной платы и разъемов по фиг. 10;

на фиг. 12-17 показаны различные варианты осуществления системы управления согласно изобретению;

на фиг. 18 показан альтернативный вариант осуществления внутренних разъемов пенетрационного устройства;

на фиг. 19 и 20 показаны внешние разъемы двух вариантов осуществления модуля управления;

на фиг. 21-27 показаны вспомогательные модули для присоединения к модулю управления;

на фиг. 28 показан модуль управления, соединенный со скважинным интерфейсным электрическим модулем;

на фиг. 29 показан модуль управления, присоединенный к подводному контрольно-измерительному модулю с высокой пропускной способностью;

на фиг. 30 показан модуль управления, соединенный с аккумуляторным модулем и модулем привода двигателя;

на фиг. 31 показан модуль управления, соединенный с предохранительным модулем;

на фиг. 32 показан модуль управления, присоединенный к вспомогательному модулю, содержащему оригинальный или специальный интерфейс соединения.

Осуществление изобретения

Термин «пенетрационное устройство» используется здесь для описания устройства, которое служит для электрического соединения первого электрического проводника со вторым электрическим проводником, в то же время отделяя давление, окружающее первый проводник, от давления, окружающего второй проводник.

Рассмотрим теперь фиг. 12. Здесь показана подводная система 100 управления с подводным модулем 10 электропитания и связи. Модуль 10 электропитания и связи в дальнейшем именуется «модулем 10 управления». Модуль 10 управления соединен с интерфейсом 2CI соединения подводного модуля 2. Подводный модуль 2 может представлять манифольдный блок, блок фонтанной елки, подводный блок заделки шлангокабеля, электрический распределительный модуль (EDM, англ. electrical distribution module), блок оконечного манифольда трубопровода (PLEM, англ. pipeline end manifold), подпорную станцию, блок райзерного основания и другие подводные модули, которые требуют подачи электропитания и/или отправки сигналов датчиков.

Модуль 10 управления также соединен с надводным модулем 3 управления посредством шлангокабеля 4. В типовой подводной установке 1 шлангокабель 4 заканчивается блоком 5 заделки шлангокабеля, а между модулем 10 управления и блоком 5 заделки шлангокабеля присоединена перемычка 6. Следует отметить, что перемычка 6 может быть присоединена непосредственно к модулю 10 управления, или перемычка 6 может быть присоединена к модулю 10 управления через интерфейс 2Cl соединения подводного модуля 2.

Модуль 10 управления обеспечивает две основные цели. Во первых, модуль 10 управления управляет подачей электроэнергии в подводный модуль 2 и/или в другие подводные модули 2. Электроэнергия подается в модуль 10 управления от надводного модуля 3 управления через шлангокабель 4. Альтернативно, электроэнергия подается на модуль 10 управления от подводного источника питания, например, от подводной аккумуляторной батареи. Модуль 10 управления, таким образом, содержит схему управления для включения или выключения электропитания, подводимого к подводному модулю 2 или дополнительным подводным модулям 2. Это будет раскрыто более подробно ниже.

Во-вторых, модуль 10 управления обеспечивает связь между надводным модулем 3 управления и подводным модулем 2. Модуль 10 управления также может обеспечивать связь с дополнительными подводными модулями 2 или дополнительными модулями 10 управления, присоединенными к этому же подводному модулю 10 или присоединенными к дополнительным подводным модулям 2. Следовательно, модуль 10 управления содержит схему связи. Это также будет раскрыто более подробно ниже.

Теперь рассмотрим фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9. Модуль 10 управления содержит корпус 20, содержащий герметизированный основной отсек 25, в котором устройство управления в общем обозначено пунктирной рамкой 80. Внешняя окружающая среда корпуса на фиг. 7 обозначена ОЕ.

Корпус 20 содержит блок 21 основного корпуса и блок 22 корпуса разъема. В настоящем варианте осуществления корпус 20 содержит блок 22а корпуса нижнего разъема, соединенный с нижним концом блока 21 основного корпуса, и блок 22b корпуса верхнего разъема, соединенный с верхним концом блока 21 основного корпуса.

Модуль 10 управления дополнительно содержит первый внешний разъем 30, предусмотренный снаружи корпуса 20. В настоящем варианте осуществления первый внешний разъем 30 предусмотрен на нижней стороне блока 22а корпуса нижнего разъема. Первый внешний разъем 30 предпочтительно представляет собой стыковочный разъем, который присоединяется к интерфейсу 2Cl соединения подводного модуля 2, когда модуль 10 управления опускается на интерфейс 2Cl соединения.

Модуль 10 управления дополнительно содержит второй внешний разъем 32, предусмотренный снаружи корпуса 20. В настоящем варианте осуществления второй внешний разъем 32 предусмотрен на верхней стороне или сверху блока 22b корпуса верхнего разъема. Альтернативно, второй внешний разъем 32 может быть предусмотрен на одной из боковых поверхностей корпуса 20. Второй внешний разъем 32 предпочтительно представляет собой разъем ROV, при этом ROV используется для присоединения одного конца перемычки 6 на фиг. 12 (также показано на фиг. 1 или фиг. 5) к разъему ROV. Второй конец перемычки может быть соединен с подводным модулем 2, с дополнительным подводным модулем 2 или с дополнительным модулем 10 управления.

На фиг. 7 показано, что нижний внешний разъем 30 содержит два внешних разъема 30а, 30b. На фиг. 7 также показано, что верхний внешний разъем 32 содержит два внешних разъема 32а, 32b. Следует отметить, что каждый из внешних разъемов 30, 32 может содержать более двух таких разъемов. Некоторые из разъемов могут быть электрическими разъемами для передачи электроэнергии в модуль 10 управления, другие разъемы могут быть электрическими разъемами для передачи электроэнергии из модуля 10 управления, другие разъемы могут быть разъемами связи для передачи сигналов связи. Обычно один разъем может содержать множество соединительных штырьков, обычно 4 или 12, при этом некоторые штырьки используются для ввода/вывода электропитания, а некоторые штырьки используются для связи.

В отсеке 40а между блоком 21 основного корпуса и блоком 22а корпуса нижнего разъема предусмотрено нижнее пенетрационное устройство 50а. Схема 80 управления подключена к первому внешнему разъему 30 через нижнее пенетрационное устройство 50а. Соответствующее верхнее пенетрационное устройство 50b предусмотрено в отсеке 40b между блоком 21 основного корпуса и блоком 22b корпуса верхнего разъема. Схема 80 управления соединена со вторым внешним разъемом 32 через верхнее пенетрационное устройство 50b. Предпочтительно размер и конструкция нижнего пенетрационного устройства 50а и верхнего пенетрационного устройства 50b одинаковы. Однако число разъемов и штырьков на разъем может отличаться. Кроме того, как описано выше, благодаря каналу 41b выравнивания давления только одному из пенетрационных устройств необходим датчик 72 давления.

Как показано на фиг. 7, управляющее устройство 80 содержит схему 80а подачи электропитания и схему 80b связи. Как раскрыто выше, схема 80а подачи электропитания принимает электроэнергию через один или несколько из разъемов 30, 32 и распределяет электроэнергию через несколько из других разъемов 30, 32. Схема 80b связи обеспечивает связь между модулем 10 управления и подводным модулем 2, надводным модулем 3 управления, дополнительными модулями 10 управления и/или дополнительными модулями 2. Управляющее устройство 80 может, например, включать или выключать подачу электроэнергии в конкретную часть (например, электродвигатель или электрический клапан) модуля 2 на основании управляющего сигнала, передаваемого пользователем пользовательского интерфейса, подключенного к надводному модулю 3 управления, или на основании управляющего сигнала, принятого от датчика в модуле 2.

Следует отметить, что модуль 10 выполняет измерения токов и напряжений, входящих в модуль и выходящих из него. Эти измерения регистрируются в целях безопасности, управления питанием и т.д.

Предпочтительно, блок 21 основного корпуса выполнен в виде двух элементов, изготовленных из предпочтительно металлического материала, при этом герметизированный основной отсек 25 выполнен в виде полости в одном или в обоих элементах. Предпочтительно, блок 21 основного корпуса и блоки 22 корпусов разъемов выполнены из алюминия или алюминиевого сплава.

Как показано на фиг. 7, предусмотрены верхнее и нижнее отверстия 43 от верхнего и нижнего концов блока 21 основного корпуса до основного отсека 25. Эти отверстия 43 используются во время изготовления для вставки компонентов схемы 80 управления в основной отсек 25. Соединительные провода 83 между схемой 80 управления и пенетрационными устройствами 50 также расположены в этих отверстиях 43. Следует отметить, что верхнее и нижнее отверстия 43 рассматриваются как часть герметизированного основного отсека 25.

На фиг. 7 показана вертикальная ось VL. Стыковочные разъемы 30 предусмотрены параллельно этой вертикальной оси VL, и, следовательно, модуль 10 управления опускается параллельно этой вертикальной оси VL при присоединении к интерфейсу 2Cl соединения подводного модуля 2. Как известно специалистам, интерфейс 2CL соединения может содержать направляющие средства для направления разъемов в их надлежащее положение.

Рассмотрим теперь фиг. 8 и 9, где показано пенетрационное устройство 50. Пенетрационное устройство 50 может быть нижним пенетрационным устройством 50а или верхним пенетрационным устройством 50b. Поэтому на фиг. 8, 9 разъем обозначен как 3х, подразумевая, что разъем может быть либо разъемом 30, либо разъемом 32.

Пенетрационное устройство 50 содержит печатную плату 51, обозначенную как заштрихованный блок на фиг. 8а и 9. Два разъема С80 и С3х соединены с печатной платой 51 на расстоянии друг от друга. Эти два разъема С80 и С3х называются «внутренними разъемами», поскольку они предусмотрены внутри корпуса 20, в отличие от вышеупомянутых внешних разъемов 30, 32. Два разъема С80 и С3х соединены друг с другом посредством проводящих дорожек 52а, предусмотренных на печатной плате 51 между первым внутренним разъемом С80 и вторым внутренним разъемом.

Печатная плата 51 имеет плоскую поверхность А, которая предпочтительно ориентирована перпендикулярно вертикальной оси VL.

Следует отметить, что на фиг. 8 обозначено только относительное расположение между двумя внутренними разъемами С80 и С3х. Предпочтительно, как показано на фиг. 9, два внутренних разъема С80 и С3х соединены с противоположными боковыми поверхностями печатной платы 51, поэтому между противоположными боковыми поверхностями печатной платы 51 предусмотрены проводящие штырьки или провода 52а. Однако, также можно было бы соединить два внутренних разъема С80 и С3х с одной и той же боковой поверхностью путем прохождения подходящих проводящих штырьков или проводов через печатную плату 51.

Первый внутренний разъем С80 соединен с управляющим устройством 80 посредством проводов 83 через отверстие 43.

Второй внутренний разъем С3х соединен с внешним разъемом 3х посредством штырьков 52 с разъема. Альтернативно можно использовать провода.

Пенетрационное устройство 50 дополнительно содержит первое и второе уплотнительные устройства 53, 56.

Первое уплотнительное устройство 53 герметизирует первую область А53 печатной платы 51. Первая уплотнительная область А53 обращена к основному отсеку 25. Более конкретно, первая область А53 обращена к отверстию 43 основного отсека 25. Первый внутренний разъем С80 соединен с первой областью А53 печатной платы 51.

Первое уплотнительное устройство 53 содержит первый уплотнительный элемент 53а, предусмотренный между блоком 21 основного корпуса и печатной платой 51, и второй уплотнительный элемент 53b, предусмотренный между печатной платой 51 и блоком 22 корпуса разъема.

Второе уплотнительное устройство 56 герметизирует вторую область А56 печатной платы 51. Вторая уплотнительная область А56 обращена к отсеку 46 с уравновешенным давлением между герметичным основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ корпуса 20. Второй внутренний разъем С3х соединен со второй областью А56 печатной платы 51. Следует отметить, что отсек 46 находится в контакте со второй областью А56 печатной платы 51, то есть вокруг и снаружи первого уплотнительного устройства 53. Таким образом, пространство между первым уплотнительным устройством 53 и вторым уплотнительным устройством 56 слева на фиг. 9 (обозначено как 46а) также является частью отсека 46.

Второе уплотнительное устройство 56 содержит первый уплотнительный элемент 56а, предусмотренный между блоком 21 основного корпуса и блоком 22 корпуса разъема, и второй уплотнительный элемент 56b, предусмотренный между блоком 22 корпуса разъема и разъемом 3х. Следовательно, в предпочтительном варианте, показанном на фиг. 9, второе уплотнительное устройство 56 само не контактирует с печатной платой 51.

Как показано на фиг. 9, внешний разъем 3х выступает через отверстие в блоке 22 корпуса разъема, при этом вокруг внешнего разъема 3х в отверстии блока 22 корпуса разъема предусмотрен второй уплотнительный элемент 56b.

Следует отметить, что второе уплотнительное устройство 56 предусмотрено снаружи первого уплотнительного устройства 53, при этом термин «снаружи» здесь относится к тому, что второе уплотнительное устройство 56 находится ближе к внешней окружающей среде ОЕ, чем первое уплотнительное устройство 56. Таким образом, первое уплотнительное устройство 53 предусмотрено внутри второго уплотнительного устройства 56, при этом термин «внутри» здесь относится к тому, что первое уплотнительное устройство 53 находится ближе к основному отсеку 25, чем второе уплотнительное устройство 56. Следовательно, первое уплотнительное устройство 53 обеспечивает крайний внутренний барьер между основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ, тогда как второе уплотнительное устройство 56 обеспечивает крайний внешний барьер между основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ.

В настоящем варианте осуществления герметизированный отсек 25 заполнен газом, таким как газообразный азот (N2), находящимся под давлением 1 атм. Отсек 46 с уравновешенным давлением между герметизированным основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ корпуса 20 заполнен жидкостью, как правило - диэлектрическим маслом. Первое и второе уплотнительные устройства 53, 56 и заполненный жидкостью отсек 46 с уравновешенным давлением образуют систему компенсации давления, при этом получается поддерживать давление внутри основного отсека 25 на уровне 1 атм, когда устройство 10 опускают из надводного положения до морского дна на глубинах от 50 до 3000 м ниже уровня моря, при одновременном компенсировании отсека 46 по уровню давления ОЕ.

Пенетрационное устройство 50 дополнительно содержит датчик 70 утечки, предусмотренный в отсеке 46 с уравновешенным давлением. В варианте осуществления по фиг. 8 и 9, датчик 70 утечки обозначен пунктирной линией вдоль периферийного края печатной платы 51. Таким образом, датчик 70 утечки расположен рядом с соединением между блоком 21 основного корпуса и блоком 22 корпуса разъема. Следовательно, если первый уплотнительный элемент 56а второго уплотнительного устройства 56 протекает, то утечка будет обнаружена быстро, поскольку расстояние до датчика 70 утечки очень короткое. Датчик 70 утечки может содержать один непрерывный сенсорный элемент или несколько чувствительных к утечке элементов, расположенных рядом друг с другом вокруг периферийного края. Датчик 70 утечки электрически соединен с управляющим устройством 80, например, через проводящие дорожки на печатной плате 51, первый внутренний разъем С80 и провода 83 или через проводящие дорожки в первую область А53, а затем отдельный провод (не показан), подключенный непосредственно между токопроводящей дорожкой и корпусом управления. Если схема 80 управления принимает от датчика 70 утечки сигнал, указывающий, что произошла утечка, то схема 80 управления может передавать это дополнительно на надводный блок 3 управления. Датчик 70 утечки может, например, быть медным проводом, в котором импеданс медного провода изменяется, когда он вступает в контакт с водой.

Как отмечалось выше, управляющее устройство 10 из настоящего варианта осуществления содержит два таких пенетрационных устройства 50а, 50b, при этом первое пенетрационное устройство 50а присоединено между первым внешним разъемом 30 и управляющим устройством 80, а второе пенетрационное устройство 50b присоединено между вторым внешним разъемом 32 и управляющим устройством 80. Здесь первый внутренний разъем С80 первого пенетрационного устройства 50а и первый внутренний разъем С80 второго пенетрационного устройства 50b будут расположены в соответствующих отверстиях 43 основного отсека 25 и, следовательно, имеют одинаковое давление.

Как показано на фиг. 7 и фиг. 9, в настоящем варианте осуществления канал 41 выравнивания давления проходит через корпус 20 между отсеком 46 с уравновешенным давлением первого пенетрационного устройства 50 и отсеком 46 с уравновешенным давлением второго пенетрационного устройства 50b. Следовательно, эти отсеки 46 с уравновешенным давлением также будут иметь одинаковое давление.

Рассмотрим теперь фиг. 10 и 11, на которых показан второй вариант осуществления пенетрационного устройства 50. Также этот второй вариант осуществления может быть использован в качестве первого и второго пенетрационных устройств 50а, 50b. Этот вариант осуществления пенетрационного устройства 50 аналогичен варианту осуществления, раскрытому выше применительно к фиг. 8 и 9, и ниже будут описаны только отличия.

В варианте по фиг. 10 и 11, пенетрационное устройство 50 содержит первое промежуточное уплотнительное устройство 54 для герметизации первой промежуточной области А54 печатной платы 51 снаружи первой области А53, при этом первая промежуточная область А54 обращена к первому промежуточному отсеку 44, образуя дополнительный барьер между герметизированным основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ. Таким образом, первое промежуточное уплотнительное устройство 54 обеспечивает первый промежуточный барьер между первым и вторым уплотнительными устройствами 53, 56.

Также первое промежуточное уплотнительное устройство 54 содержит первый уплотнительный элемент 54а, предусмотренный между блоком 21 основного корпуса и печатной платой 51, и второй уплотнительный элемент 54b, предусмотренный между печатной платой 51 и блоком 22 корпуса соединителя.

В первом промежуточном отсеке 44 предусмотрен датчик 72 давления для измерения давления в первом промежуточном отсеке 44. Подобно датчику 70 утечки, датчик 72 давления электрически соединен с управляющим устройством 80. Если в отсеке 44 датчиком 72 давления измеряется нежелательное давление, то информация об этом отправляется в надводный модуль 3 управления.

Пенетрационное устройство 50 дополнительно содержит второе промежуточное уплотнительное устройство 55 для герметизации второй промежуточной области А55 печатной платы 51 снаружи второй области А56, при этом вторая промежуточная область А55 обращена ко второму промежуточному отсеку 45, образуя дополнительный барьер между герметичным основным отсеком 25 и внешней окружающей средой ОЕ.

Также второе промежуточное уплотнительное устройство 55 содержит первый уплотнительный элемент 55а, предусмотренный между блоком 21 основного корпуса и печатной платой 51, и второй уплотнительный элемент 55b, предусмотренный между печатной платой 51 и блоком 22 корпуса соединителя. Второе промежуточное уплотнение устройство 55 дополнительно содержит третий уплотнительный элемент 55с, предусмотренный между внешним разъемом 3х и блоком 22 корпуса разъема.

На фиг. 10 показано, что крайний внутренний уплотнительный элемент является первым уплотнительным устройством 53. Первое промежуточное уплотнительное устройство 54 окружает первое уплотнительное устройство 53. Второй промежуточный уплотнительный элемент 55 окружает первое промежуточное уплотнительное устройство 54. Второе уплотнительное устройство 56 окружает второй промежуточный уплотнительный элемент 55.

На фиг. 10 показано, что крайняя внутренняя область является первой областью А53. Первая промежуточная область А54 окружает первую область А53, вторая область А56 окружает первую промежуточную область А54, в то время как вторая промежуточная область А55 окружает вторую область А56.

Первый промежуточный отсек 44 представляет собой дополнительный отсек на 1 атм, заполненный тем же газом, что и основной отсек 25 и отверстия 43. Второй промежуточный отсек 45 заполнен диэлектрическим маслом, аналогично отсеку 46.

На фиг. 11 канал 41 выравнивания давления обозначен как канал 41а. На фиг. 11 дополнительный канал 41b выравнивания давления обозначен как канал между отсеком 44 нижнего пенетрационного устройства и отсеком 44 верхнего пенетрационного устройства. Следовательно, эти первые промежуточные отсеки 44 также будут иметь одинаковое давление. Таким образом, датчик 72 давления необходим только одному из пенетрационных устройств 50.

В варианте осуществления по фиг.8 и 9, имеется один масляный барьер с компенсацией давления относительно морской воды - отсек 46.

В варианте по фиг. 10 и 11, имеются два масляных барьера с компенсацией давления относительно морской воды - отсеки 46 и 45.

Рассмотрим теперь фиг. 13, где представлен альтернативный вариант осуществления системы 100 управления, показанной на фиг. 12. Здесь нефтяная и/или газовая установка 1 содержит дополнительный подводный модуль 2, показанный справа от исходного подводного модуля 2. Здесь с интерфейсом 2Cl соединения дополнительного подводного модуля 2 соединено дополнительное управляющее устройство 10. Дополнительный подводный модуль 10 соединен с исходным модулем 10 управления. Электропитание и сигналы связи передаются на дополнительное управляющее устройство 10 через исходное управляющее устройство 10 посредством одной или более дополнительных перемычек 6. Следует отметить, что дополнительная перемычка может быть подключена к первому (т.е. через интерфейс 2Cl соединения) или второму разъемам 30, 32 устройства 10 и к первому (т.е. через интерфейс 2Cl соединения) или второму разъемам 30, 32 дополнительного устройства 10.

Рассмотрим теперь фиг. 14, где представлен альтернативный вариант осуществления системы 100 управления, показанной на фиг. 12. Система 100 управления здесь содержит дополнительный модуль 10 управления, соединенный с таким же подводным модулем 10. Дополнительный модуль 10 управления может здесь использоваться в качестве резервного или для целей горячей замены. Дополнительный модуль 10 здесь соединен с узлом 5 заделки шлангокабеля.

Рассмотрим теперь фиг. 15, где представлен альтернативный вариант осуществления системы 100 управления, показанной на фиг. 13. Здесь имеется один дополнительный модуль 10 управления, соединенный с исходным подводным модулем 2. Здесь от этого дополнительного модуля 10 управления получает электропитание и связь дополнительный подводный модуль 2 (модуль 2 справа на фиг. 15). В некоторых установках это предпочтительнее, чем перемычка 6 от модуля управления дополнительного подводного модуля 2 до узла 5 заделки шлангокабеля.

Рассмотрим теперь фиг. 16, где представлена простая трехуровневая конструкция с одним модулем управления, соединенным с каждым из двух подводных модулей.

Теперь рассмотрим фиг. 17, по существу, соответствующую фиг. 16. Здесь к каждому концу шлангокабеля и перемычек подключены повышающие и понижающие трансформаторы, чтобы уменьшить потери энергии в шлангокабеле и из-за падения напряжения при передаче питания через перемычку.

Теперь рассмотрим фиг. 18. Здесь второй внутренний разъем С3х присоединен как соединительный интерфейс, запрессованный в печатной плате 51. В этом варианте осуществления можно соединить внешний разъем 30, 32 непосредственно с печатной платой 51. Таким образом, от прямоугольного блока, представляющего разъем С3х на фиг. 9 и 11 можно отказаться, так как внешний разъем 3х по фиг. 9 и 11 можно подключить непосредственно к печатной плате.

Это же относится и к первому внутреннему разъему С80. Соответственно обеспечивается, что все соединения с пенетрационными устройствами 50а и 50b выполняются непосредственно без какой-либо пайки или ручного проводного подключения. Кроме того, как показано на фиг. 18, проводящие дорожки 52а также могут быть расположены внутри печатной платы, например, за счет использования двух слоев материала печатной платы. Таким образом, верхняя и нижняя поверхности собранной печатной платы 51 являются более гладкими для обеспечения лучшего уплотнения относительно уплотнительных устройств 53, 54, 55.

На фиг. 19-32 некоторые ссылочные номера обозначены на разъемах модулей разных типов, что будет описано более подробно ниже. Эти ссылочные номера разъемов кратко описаны ниже:

9: Стандартная первичная сторона Питание/связь: подводное полевое распределение напряжения переменного или постоянного тока + Ethernet

10: Стандартная вторичная сторона Питание/связь: стандартное подводное полевое распределение напряжения переменного или постоянного тока + Ethernet

11: Оптоволоконный интерфейс

12: Стандартный цифровой интерфейс для датчиков и низковольтного питания. Первичная и вторичная сторона в одном интерфейсе.

13: Стандартный цифровой интерфейс для датчиков и низковольтного питания. Только первичная сторона.

14: Беспроводное соединение в морской воде - внутренний интерфейс Ethernet

15: Питание/связь от UTH (концевой муфты шлангокабеля, англ. Umbilical Termination Head) - напряжение передачи в главном шлангокабеле 16: Интерфейс скважинного оборудования

17: Гибридный интерфейс; питание по меди и связь по оптоволокну

18: Интерфейс уровня SIL (уровня полноты безопасности, Safety Integrity Level) от логического решающего устройства до датчиков SIL

19: Вспомогательный оригинальный или специальный интерфейс

20: Связь первичных, промежуточных потребителей аккумулятора большой мощности

21: Интерфейс аналогового драйвера двигателя (3 фазы двигателя и обратная связь положения резольвера)

22: Датчик или привод (резервный)

27: Датчик SIL или привод SIL

Следует отметить, что термины «первичный» и «вторичный» здесь относятся к двум независимым сторонам в отношении резервирования.

Пунктирные линии на этих чертежах обозначают линии связи, а сплошные линии обозначают линии электропитания или линии электропитания/связи.

Следует отметить, что все нижние разъемы предпочтительно являются стыковочными разъемами для соединения с интерфейсом 2Cl соединения подводного модуля, а верхние разъемы предпочтительно представляют собой разъемы ROV для присоединения к подводному модулю или к модулю 10 управления через перемычку. Как видно, некоторые из этих модулей имеют и верхние, и нижние разъемы, в то время как другие имеют или верхние, или нижние разъемы.

Рассмотрим теперь фиг. 19 и 20, где показаны два модуля 10 управления. Модуль управления 10 на фиг. 19 является резервным модулем управления, то есть резервирование обеспечивается наличием только одного такого модуля управления. Модуль управления 10 на фиг. 20 представляет собой не резервный модуль управления, то есть резервирование обеспечивается наличием двух таких модулей управления.

На фиг. 21 показан трансформаторный модуль ТМ, содержащий трансформатор для преобразования мощности между более высоким напряжением и более низким напряжением, например, 3 кВ переменного тока на входе и 900, 600 или 230 В на выходе.

На фиг. 22 представлен скважинный интерфейсный электрический модуль DHIME (англ. downhole interface electric module), а на фиг.28 показано, как этот модуль соединен с модулем 10 управления. Модуль DHIME соединен со скважинным устройством, например, со скважинным датчиком. Таким образом, аппаратный и программный интерфейс модуля 10 может быть стандартизирован, что позволяет оператору участка поддерживать различное скважинное оборудование от разных производителей скважинного оборудования с помощью одного и того же модуля.

На фиг. 23 показан подводный контрольно-измерительный модуль с высокой пропускной способностью HBSIM (англ. high bandwidth subsea instrumentation module), а на фиг. 29 показано, как этот модуль соединен с модулем 10 управления. Модуль HBSIM здесь соединен с модулем 10 управления через разъемную коробку SB (англ. split box) для объединения линий питания и волоконно-оптических линий связи в одну общую перемычку. Модуль HBSIM обычно используется с оптоволоконными скважинными датчиками, которые обычно требуют большей мощности и пропускной способности, чем другое оборудование.

На фиг. 24 показан предохранительный модуль, а на фиг. 31 показано, как этот предохранительный модуль соединен с модулем управления 10. Предохранительный модуль соединен с датчиками SIL (уровня полноты безопасности, англ. Safety Integrity Level) или исполнительными механизмами SIL в подводных системах, критичных для безопасности, для получения информации от такого датчика SIL или для передачи сигналов на исполнительные механизмы SIL. Таким образом, достигается отделение критических функций безопасности от критических функций, не связанных с безопасностью, что требуется во многих подводных применениях.

На фиг. 25 показан вспомогательный модуль, а на фиг. 32 показано, как этот вспомогательный модуль соединен с модулем 10 управления. Вспомогательный модуль соединен с оригинальным интерфейсом соединения или со специальным интерфейсом соединения подводного модуля. Этот пример может относится к тому, когда подводный модуль, имеющий оригинальный интерфейс соединения, нужно присоединить к системе 100 управления, которая использует модули 10 управления, раскрытые выше. Вспомогательный модуль может, например, содержать преобразователи для преобразования сигнала связи, используемого модулем управления, в сигнал связи, используемый оригинальным интерфейсом соединения или специальным интерфейсом соединения. Связь с такими оригинальными интерфейсами соединения и подача к ним питания требуют инженерно-технических работ, которые увеличивают стоимость модулей управления. Следовательно, при передаче этой функциональности в отдельный модуль, для модуля 10 управления не требуются каких-либо дополнительных инженерно-технических работ.

На фиг. 26 показан аккумуляторный модуль, содержащий предпочтительно перезаряжаемый аккумуляторную батарею. На фиг. 27 показан модуль драйвера двигателя, содержащий электрические схемы для управления электродвигателем, то есть для подачи электроэнергии на двигатель и для приема сигналов датчиков от двигателя.

На фиг. 30 показано, как вышеуказанный аккумуляторный модуль и вышеуказанный модуль драйвера двигателя соединены с модулем 10 управления. Следует отметить, что аккумуляторный модуль и модуль драйвера двигателя могут быть двумя отдельными модулями, соединенными с модулем 10 управления, или аккумуляторный модуль и модуль драйвера двигателя могут быть объединены в один физический модуль (как показано пунктирной линией на фиг. 30). Здесь нижние разъемы модуля драйвера двигателя соединены с одним или более двигателями М. Верхний разъем присоединен к аккумуляторному модулю, а аккумуляторный модуль присоединен к модулю 10 управления.

Выше раскрыты несколько типов специальных модулей. Одним из значительных преимуществ является то, что даже если модуль 10 управления стандартизирован в виде относительно небольшого блока со стандартным интерфейсом, все необходимые дополнительные функциональные возможности могут быть обеспечены путем использования более одного такого модуля управления или путем использования такого модуля (модулей) управления вместе с вышеуказанными модулями специального назначения, показанными на фиг. 21-27.

По сравнению с уровнем техники по фиг. 6, размер настоящего изобретения по фиг. 7 значительно уменьшен. Это также можно увидеть на фиг. 4, где модуль 10 управления показан рядом с другими модулями управления из уровня техники.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к модулям электропитания и связи для управления подводной установкой. Технический результат заключается в уменьшении физического размера модуля управления и улучшении теплопередачи от электронных компонентов внутри модуля. Достигается тем, что модуль содержит корпус, первый внешний разъем, предусмотренный снаружи корпуса, причем первый внешний разъем выполнен с возможностью присоединения к подводному модулю, и управляющее устройство, содержащее схему электропитания и/или схему связи, предусмотренную внутри герметизированного отсека. Между первым внешним разъемом и управляющим устройством присоединено пенетрационное устройство, содержащее плату, первое уплотнительное устройство и второе уплотнительное устройство для герметизации первой области и второй области печатной платы. Первая область обращена к основному отсеку, а вторая область обращена к отсеку с уравновешенным давлением между герметизированным основным отсеком и внешней окружающей средой корпуса. С первой областью печатной платы соединен первый внутренний разъем, дополнительно соединенный с управляющим устройством. Со второй областью печатной платы соединен второй внутренний разъем, дополнительно соединенный с внешним разъемом. Между первым внутренним разъемом и вторым внутренним разъемом на печатной плате предусмотрены токопроводящие дорожки. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 33 ил.

1. Подводный модуль (10) электропитания и связи для управления подводным модулем (2) подводной нефтяной/газовой установки (1), содержащий:

- корпус (20), содержащий герметизированный основной отсек (25);

- первый внешний разъем (30), предусмотренный снаружи корпуса (20), причем первый внешний разъем (30) выполнен с возможностью присоединения к подводному модулю (2);

- управляющее устройство (80), содержащее схему (80а) электропитания и/или схему (80b) связи, предусмотренные внутри герметизированного отсека (25);

- пенетрационное устройство (50), присоединенное между первым внешним разъемом (30) и управляющим устройством (80);

отличающийся тем, что

пенетрационное устройство (50) содержит:

- печатную плату (51);

- первое уплотнительное устройство (53) для герметизации первой области (А53) печатной платы (51), причем первая область (А53) обращена к основному отсеку (25);

- первый внутренний разъем (С80), соединенный с первой областью (А53) печатной платы (51), причем первый внутренний разъем (С80) дополнительно соединен с управляющим устройством (80);

- второе уплотнительное устройство (56)для герметизации второй области (А56) печатной платы (51), причем вторая область (А56) обращена к отсеку (46) с уравновешенным давлением между герметизированным основным отсеком (25) и внешней окружающей средой (ОЕ) корпуса (20);

- второй внутренний разъем (С3х), соединенный со второй областью (А56) печатной платы (51), причем второй внутренний разъем (С3х) дополнительно соединен с внешним разъемом (30);

- токопроводящие дорожки (52а), предусмотренные на печатной плате (51) между первым внутренним разъемом (С80) и вторым внутренним разъемом (С3х).

2. Подводный модуль (10) электропитания и связи по п. 1, в котором:

- корпус (20) содержит блок (21) основного корпуса и блок (22) корпуса разъема;

- пенетрационное устройство (50) предусмотрено в отсеке (40) между блоком (21) основного корпуса и блоком (22) корпуса разъема;

- внешний разъем (30) проходит через блок (22) корпуса разъема.

3. Подводный модуль (10) электропитания и связи по п. 1 или 2, в котором блок (21) основного корпуса выполнен из алюминия или алюминиевого сплава.

4. Подводный модуль (10) электропитания и связи по любому из предыдущих пунктов, в котором подводный модуль (10) электропитания и связи содержит:

- первое пенетрационное устройство (50а), присоединенное между первым внешним разъемом (30) и управляющим устройством (80);

- второе пенетрационное устройство (50b), присоединенное между вторым внешним разъемом (32) и управляющим устройством (80);

- канал выравнивания давления (41), проходящий через корпус (20) между отсеком (46) с уравновешенным давлением первого пенетрационного устройства (50а) и отсеком (46) с уравновешенным давлением второго пенетрационного устройства (50b).

5. Подводный модуль (10) электропитания и связи по любому из предыдущих пунктов, в котором пенетрационное устройство (50) содержит датчик (70) утечки, предусмотренный в отсеке (46) с уравновешенным давлением, причем датчик (70) утечки электрически соединен с управляющим устройством (80).

6. Подводный модуль (10) электропитания и связи по любому из предыдущих пунктов, в котором пенетрационное устройство (50) содержит:

- первое промежуточное уплотнительное устройство (54) для герметизации первой промежуточной области (А54) печатной платы (51) снаружи первой области (А53), причем первая промежуточная область (А54) обращена к первому промежуточному отсеку (44), образуя дополнительный барьер между герметизированным основным отсеком (25) и внешней окружающей средой (ОЕ);

- датчик (72) давления для измерения давления в первом промежуточном отсеке (44), причем датчик (72) давления электрически соединен с управляющим устройством (80).

7. Подводный модуль (10) электропитания и связи по п. 6, в котором пенетрационное устройство (50) содержит:

- второе промежуточное уплотнительное устройство (55) для герметизации второй промежуточной области (А55) печатной платы (51) снаружи второй области (А56), причем вторая промежуточная область (А55) обращена ко второму промежуточному отсеку (45), образуя дополнительный барьер между герметизированным основным отсеком (25) и внешней окружающей средой (ОЕ).

8. Система (100) управления для управления подводным модулем (2) подводной нефтяной/газовой установки (2), содержащая:

- интерфейс (2Cl) соединения, предусмотренный на подводном модуле (2);

- надводный модуль (3) управления;

- шлангокабель (4), присоединенный между надводным модулем (3) управления и интерфейсом (2Cl) соединения;

- подводный модуль (10) электропитания и связи по п. 1, соединенный с возможностью отсоединения с интерфейсом (2CI) соединения.

9. Система (100) управления по п. 8, дополнительно содержащая:

- дополнительный подводный модуль (2), имеющий дополнительный интерфейс (2Cl) соединения;

- дополнительный подводный модуль (10) электропитания и связи, соединенный с дополнительным интерфейсом (2Cl) соединения;

причем подводный модуль (10) электропитания и связи соединен с дополнительным подводным модулем (10) электропитания и связи для обеспечения связи между надводным модулем (4) управления и дополнительным подводным модулем (10) электропитания и связи через подводный модуль (10) электропитания и связи.