Brevet FR2688960A1 — publié le 19930924

PROCEDE DE TRANSMISSION DE SIGNAUX DE COMMUNICATION ET DE PUISSANCE ELECTRIQUE SUR UN CIBLE ENTRE DEUX POSITIONS ESPACEES L'UNE DE L'AUTRE. La présente invention concerne un procédé de transmission de signaux de communication et de puissance électrique sur un câble entre deux positions espacées l'une de l'autre, en particulier entre un centre de commande basé à terre, ou une installation en mer, et une installation sous-marine. L'invention concerne également des câbles pour mettre en oeuvre ce procédé. Lorsque l'on découvre de nouveaux champs de pétrole et de gaz en mer, on peut rendre sous-marines certaines instal- lations pour éviter de coûteux investissements de plate-forme. Il a été montré que la commande des puits peut s'effectuer sur de longues distances Le but de la présente invention est de proposer un procédé permettant d'assurer, depuis un centre de commande basé à terre, les commandes de têtes de puits d'un système de puits sous-marins sur une distance allant jusqu'à 170 km et davantage. En relation avec un champ particulier, il semble possible de disposer un centre collecteur à environ 130 km de la terre Les différents puits peuvent être reliés à ce centre collecteur Les puits peuvent être disposés en groupes de, chacun, 3 5 puits La distance au centre collecteur peut être 40 km. On estime que chaque groupe va nécessiter une puissance électrique de l'ordre de 2 k W et qu'un câble principal allant de la terre au centre collecteur doit être capable de transférer des charges de courant puissance de l'ordre de 20 k W La charge de base sera l'alimentation en puissance des circuits électroniques En outre, chaque groupe comportera une source locale d'énergie hydraulique qui sera créée par des moteurs électriques Les moteurs électriques ne tourneront que lorsque la pression dans l'accumulateur tombera en dessous d'une valeur 1 prédéterminée Ceci provoquera des variations dans la demande effective de puissance La cadence de transmission des signaux de communication doit être au minimum de 1200 bauds. A la base, nous avons cherché à trouver une solution comportant un câble qui peut transmettre à la fois la puissance électrique et des signaux électriques sur la distance demandée. Toutefois, la transmission de signaux sur de très grandes distances, combinée avec transmission de puissance est une opération en forme de défi, et elle soulève un certain nombre de questions. Plusieurs systèmes ont été étudiés pour faire face aux conditions cidessus, tels que des systèmes en courant continu pur Une solution variante consiste à utiliser un câble en courant alternatif avec transmission des signaux par fibre optique Une autre variante encore a consisté à superposer les signaux de communication sur la tension du courant puissance Toutefois, la présente invention propose une meilleure solution L'invention se définit comme étant un procédé de transmission de signaux de communication et de puissance électrique sur un câble entre deux positions espacées l'une de l'autre, par exemple un centre de commande basé à terre et une installation en mer, procédé caractérisé par le fait que les signaux de communication sont transmis sur au moins deux paires torsadées, les conducteurs de chaque paire torsadée étant connectés en parallèle pour constituer un conducteur de puissance et par le fait que les transmissions de communication et de puissance sont séparées par des transformateurs. Un autre objet de l'invention est un câble pour mettre en oeuvre le procédé ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux conducteurs de puissance, chacun étant constitué par une paire de conducteurs torsadés isolés, enclos dans une gaine isolante, ainsi qu'un blindage extérieur et une protection contre la corrosion. De préférence, le câble comporte trois conducteurs de puissance à paire torsadée pour la transmission d'une puissance 1 triphasée, les trois paires étant utilisées pour transmettre trois canaux de communication. De préférence, chacun desdits conducteurs est constitué de fils de cuivre recuit, massifs ou à brins multiples. De préférence, l'isolation du conducteur est constituée de polyéthylène thermoplastique de l'épaisseur nécessaire pour la transmission de la tension nominale du courant puissance. De préférence, l'âme du câble est disposée avec des charges isolantes, chargées d'un produit composite de charge tel qu'un produit paraffineux, puis enveloppéesdans un ruban polyester. De préférence, le blindage est constitué de deux couches de fils d'acier galvanisé disposés en sens opposé. Des expériences et des études ont montré que la présente invention propose un procédé qui résout les nombreuses questions soulevées Ni les signaux de mode commun, ni la tension trans- formée du courant puissance ne nécessitent d'être filtrés ou éliminés aux terminaux de communication Des transformateurs et des circuits électroniques sont utilisés pour donner le système le plus simple au total. Les caractéristiques et les buts ci-dessus mentionnés, ainsi que d'autres, de la présente invention apparaîtront clairement à partir de la description détaillée qui suit des réalisations de l'invention prise en liaison avec les dessins, sur lesquels: la figure 1 représente une disposition typique de champ, les figures 2 et 3 représentent des schémas de câblage et les figures 4 et 5 représentent la section transversale de deux câbles. La figure 1 représente la façon dont l'installation 1 d'un champ sousmarin est reliée à une installation à terre 2 par l'intermédiaire d'un câble 3 L'installation à terre n'est pas représentée Le câble 3 conduit à un centre collecteur 4 d'o des câbles 5 et 6 conduisent respectivement aux groupes 7 et 8 comportant un certain nombre de puits 9, 10, etc. 1 Commme indiqué, les câbles 3, 5 et 6 doivent transmettre la puissance électrique aussi bien que les signaux de commande électrique L'idée de base est d'utiliser trois paires torsadées isolées pour donner un câble triphasé ou deux paires isolées pour donner un câble monophasé Chaque paire est connectée en parallèle pour la transmission du courant puissance et chaque paire sert de paire de transmission des signaux pour la trans- mission des signaux. La figure 2 représente un schéma de câblage pour le circuit triphasé, le côté terre étant sur le côté gauche du dessin, ou vice versa Trois paires 20, 21, 22 de transmission de signaux sont respectivement connectées au côté basse tension des transformateurs 23, 24 et 25 L'une des paires 20 peut servir pour transmettre les signaux au côté en mer, sur le côté droit du dessin Une autre paire 21 peut servir pour transmettre les signaux, depuis une installation sous-marine, à une installation à terre, et la troisième paire 22 peut être une paire de réserve. En variante, au moins l'une des paires peut servir pour la transmission des signaux en semi-duplex. Les signaux,transformés, passent respectivement sur trois paires de câble torsadées 26, 27 et 28 d'un câble 29 pour arriver au côté haute tension d'un second jeu de transformateurs , 31 et 32, dans lesquels les signaux sont transformés pour être connectés à trois paires de transmission de signaux 33, 34 et 35 prévues du côté en mer. La puissance électrique est transmise, depuis une connexion étoile/triangle 36, à une seconde connexion étoile/triangle 37, par l'intermédiaire de trois conducteurs de câble qui sont constitués par les conducteurs à paire torsadée 26, 27 et 28 du câble 29 Chaque phase de la puissance est connectée au centre du bobinage haute tension du transformateur et, par conséquent, n'interfère pas avec la transmission des signaux qui arrivent du côté basse tension du transformateur Aucune tension diffé- rentielle du courant puissance n'est connectée aux paires de transmission des signaux qui arrivent en mode différentiel et 1 l'opération de filtration est donc de plusieurs puissances de dix plus facile qu'avec la technique conventionnelle de superposition. La figure 3 représente un schéma de circuit semblable pour un système monophasé Deux paires 40 et 41 de transmission de signaux sont connectées, par l'intermédiaire de deux transfor- mateurs 42 et 43 et de deux paires de câble torsadées 44 et , et de deux transformateurs 46 et 47 situés à l'autre extrémité du câble 48, aux deux paires de transmission de signaux 49 et 50 situées de l'autre côté du système de transmission. Le courant de puissance alternatif est transféré, d'un côté 51 à l'autre côté 52, en passant par le côté haute tension des transformateurs 42, 43 et 46, 47, et par les deux conducteurs à paire torsadée 44 et 45. La figure 4 représente schématiquement une section transversale d'un câble ( 29, figure 2) qui convient pour transmettre la puissance ainsi que les signaux sur de longues distances Le câble comporte trois paires 60, 61 et 62 de conducteurs torsadés Chaque conducteur est un conducteur en cuivre, massif ou à brins multiples, 63, pourvu d'une isolation 64 pour donner un conducteur de puissance de haute qualité. Un tel conducteur est également un bon conducteur pour la transmission des signaux Ceci concerne à la fois la dimension du conducteur et la qualité de l'isolation. La disposition est quelque peu conservative en ce qui concerne l'augmentation de diamètre du fait que les paires sont disposées sous forme d'éléments circulaires Ceci donne éventuellement la possibilité d'une réduction correspondante en diamètre/en poids. Les conducteurs représentés sont constitués de fils de cuivre recuit, à brins multiples L'isolation est constituée d'un polyéthylène thermoplastique Chaque conducteur est isolé pour une certaine tension d'exploitation. Le matériau d'isolation doit pouvoir être traité dans des tolérances serrées Ceci est très important pour les caracté- 1 ristiques de transmission signal-bruit Le matériau doit présenter une rigidité diélectrique élevée, une faible constante diélectrique, une faible tangente delta, un haute résistance d'isolation et l'absorption d'eau est très faible. On préfère le polyéthylène pour être compatible avec la technologie existante de moulage des joints et d'essai aux pointes de pénétration. La disposition est la suivante: deux conducteurs isolés sont torsadés en configuration en paire pour améliorer la diaphonie des signaux et l'immunité à l'égard du bruit relatif au courant puissance (harmonique) dans les opérations normales et dans les conditions transitoires Chaque paire torsadée agira comme phase unique du courant puissance puisque les conducteurs sont connectés en parallèle. Les trois paires torsadées sont disposées de façon à former un câble à trois conducteurs L'âme du câble reçoit des charges isolantes 65, 66 et 67, chargées d'un produit composite de charge 68 et enveloppées d'un ruban de polyester 69 Cette charge a pour but d'empêcher la pénétration de l'humidité et de donner ainsi des résultats électriques stables Le produit composite peut être un produit paraffineux, qui ne soit nocif pour aucun des composants du câble Une gaine de polyéthylène est extrudée sur les paires, une fois installées. Le blindage du câble représenté est constitué de deux couches de fils d'acier galvanisé rond 71, 72 Les fils de la couche extérieure de fils du blindage sont disposés en sens opposé à ceux de la couche intérieure Le blindage de fils d'acier à contre-hélice est équilibré en torsion Cette caractéristique est préférable pour éviter la torsion du câble, en particulier au cours de l'opération de pose Si le centre collecteur ( 4, figure 1) est un certain type d'installation de surface, le câble doit comporter une colonne montante dynamique qui nécessite un blindage à double couche, équilibré en torsion. Par-dessus les fils métalliques du blindage 71,72 est 1 appliquée une couche 73 de protection contre la corrosion. Cette couche peut être constituée de revêtements de jute imprégné d'asphalt, ou de revêtements d'un filé de polypropylène imprégné de bitume qui est moins sujet à la dégradation microbiologique En variante, le revêtement extérieur peut être une couche de polyéthylène extrudée Ceci donne une meilleure protection contre la corrosion mais présente des inconvénients en empêchant une mise à la masse continue des fils métalliques du blindage. La figure 5 représente la section transversale d'un câble ( 48, figure 3) comportant deux paires torsadées 80/81 et 82/83 formant une quarte en étoile, ainsi que l'âme d'un câble 84 semblable à celui décrit en liaison avec la figure 4. Les couches extérieures peuvent être comme sur la figure 4. Les conducteurs sont représentés sous forme de conducteurs massifs 85. Lorsque l'on fabrique des câbles d'une longueur allant jusqu'à 130 à 170 km, il sera normalement nécessaire de faire des joints en usine Dans un joint fait en usine, on jonctionne habituellement le conducteur de cuivre par brasage Un tel joint de conducteur donne une résistivité électrique égale ou inférieure à celle du conducteur du câble Il donne une résistance mécanique proche de celle du conducteur du câble lui-même (environ 90 %) et ne donne pas d'accroissement du diamètre Le diélectrique dans le joint est généralement un joint moulé En variante, on peut utiliser la technique du tube fondu et rétreint à chaud Lorsque le jonctionnement des conducteurs est achevé, la disposition des éléments du câble prend place Du fait que les joints ne représentent qu'un faible accroissement du diamètre sur chaque conducteur de puissance, ceci ne posera pas de problèmes pour la poursuite de la production du câble. En principe, les joints réalisés sur chantier, ou les joints de réparation des conducteurs, sont égaux aux joints faits en usine, mais le jonctionnement des conducteurs et leur 1 isolation devront se faire lorsque le câble se trouve dans sa configuration de pose. Les études ont montré que la variante de câble ci-dessus décrite est une solution fiable pour les communications à longue distance. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de transmission de signaux de communication et de puissance électrique sur un câble entre deux positions espacées l'une de l'autre, par exemple un centre de commande basé à terre et une installation en mer, procédé caractérisé par le fait que les signaux de communication sont transmis sur au moins deux paires torsadées ( 26,27,28; 44,45), les conducteurs de chaque paire torsadée étant connectés en parallèle pour cons- tituer un conducteur de puissance et par le fait que les trans- missions de communication et de puissance sont séparées par des transformateurs ( 23-25,30-32; 42-43,46-47). 2 Câble pour mettre en oeuvre le procédé conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux conducteurs de puissance ( 60,61,62; 80,81), chacun étant constitué par une paire de conducteurs torsadés isolés ( 63; 85), enclos dans une gaine isolante ( 70), ainsi qu'un blindage extérieur ( 71,72) et une protection contre la corrosion ( 73). 3 Câble selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le câble comporte trois conducteurs de puissance à paire torsadée ( 26,27, 28) pour la transmission d'une puissance triphasée, les trois paires étant utilisées pour transmettre trois canaux de communication ( 20,21,22). 4 Câble selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chacun desdits conducteurs est constitué de fils de cuivre recuit, massifs ou à brins multiples ( 63; 85). Câble selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'isolation ( 64) du conducteur est constituée de polyéthy- lène thermoplastique de l'épaisseur nécessaire pour la transmission de la tension nominale du courant puissance. 6 Câble selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'âme du câble est disposée avec des charges isolantes ( 65,66,67), chargées d'un produit composite de charge 168), tel qu'un produit paraffineux, puis enveloppées dans un ruban polyester ( 69). 7 Câble selon la revendication 2, caractérisé par le 1 fait que le blindage est constitu 6 de deux couches de fils d'acier galvanisé ( 71,72) dispos 6 S en sens oppos 6. e