光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究范文

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摘要：介紹基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要構(gòu)成，對(duì)水下光纖通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放式架構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)分析計(jì)算了某油田水下光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減，為深水油氣田水下光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)；光纖通信；深水油氣田；信號(hào)衰減

隨著陸地石油產(chǎn)量的日趨萎縮，石油開(kāi)采轉(zhuǎn)向海洋已成為必然趨勢(shì)。近十年來(lái)發(fā)現(xiàn)的超過(guò)億噸級(jí)的大型油氣田中，60%～70%都來(lái)自海洋，其中約40%位于深水區(qū)。隨著深水油氣田開(kāi)發(fā)建設(shè)的提速，水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式得到了廣泛應(yīng)用。水下生產(chǎn)系統(tǒng)相對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)的建設(shè)而言更為經(jīng)濟(jì)，也是深水開(kāi)發(fā)的主要模式之一［1］。基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)水下電纜通信中控制信號(hào)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸速率瓶頸，使得遠(yuǎn)距離水下生產(chǎn)系統(tǒng)的回接成為可能。筆者以某油田水下光纖通信系統(tǒng)為背景，研究其水下光纖通信網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放式架構(gòu)，并計(jì)算其通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減值，為深水油氣田水下光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1水下生產(chǎn)系統(tǒng)

典型的水下生產(chǎn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式如圖1所示，水下區(qū)塊通過(guò)臍帶纜和立管回接到深水浮式生產(chǎn)設(shè)施，水下生產(chǎn)狀態(tài)信息通過(guò)臍帶纜中的光纖上傳至深水浮式生產(chǎn)設(shè)施的中控系統(tǒng)，控制信號(hào)也通過(guò)光纖下達(dá)。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)相當(dāng)于整個(gè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的“大腦”，包括上部設(shè)備和水下設(shè)備。上部設(shè)備的主要作用是向水下設(shè)備提供電力和液壓動(dòng)力，同時(shí)下達(dá)水下控制信號(hào);水下設(shè)備包括水下控制模塊(SCM)、水下閥門及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水下傳感器和多向流量計(jì)，水下設(shè)備主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制邏輯、采集數(shù)據(jù)等。上部設(shè)備與水下設(shè)備通過(guò)臍帶纜連接，共同保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)。水下通信系統(tǒng)為水下油氣生產(chǎn)提供大數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，對(duì)保障油氣田長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要。在圖1所示的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，光纖是大數(shù)據(jù)上傳下達(dá)的關(guān)鍵路由。相對(duì)于電纜通信而言，光纖通信具有以下優(yōu)點(diǎn):a．頻帶寬、容量大。頻帶寬約200THz，常用1．31、1．55μm波長(zhǎng)窗口的頻帶寬20THz以上。b．損耗低、無(wú)中繼距離長(zhǎng)。目前廣泛使用的石英光纖損耗約0．2dB/km，國(guó)際上實(shí)際應(yīng)用的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離光纖通信回接距離已達(dá)160km。c．抗電磁干擾。光纖是絕緣材料，不受周圍環(huán)境電磁場(chǎng)的干擾，因此可以將它與高壓輸電線制成復(fù)合電纜，也可以將它與增壓泵等泵類輸電線一起合并在臍帶纜中。d．無(wú)串音干擾、保密性好。光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來(lái)，即使在彎曲半徑很小的情況下，輻射出的光波也十分微弱，即使光纜內(nèi)光纖總數(shù)很多，也可以實(shí)現(xiàn)無(wú)串音干擾。e．光纖線徑細(xì)、重量輕、原材料豐富。八芯光纜的橫截面直徑僅為10mm左右，所占空間很小，重量也要比電纜輕很多。原材料豐富，使用光纜可以節(jié)約大量的金屬材料。

2基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)

不同于傳統(tǒng)的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)，基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)可以采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和數(shù)據(jù)接口，從而形成擴(kuò)展性極強(qiáng)的開(kāi)放式架構(gòu)［2］，如圖2所示。水上部分包括工作站(OWS)、緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)、主控站(MCS)、應(yīng)急電源(UPS)、水下供電與通信單元(SPCU)、化學(xué)藥劑注入單元(CIU)及液壓?jiǎn)卧?HPU)等。水上設(shè)施通過(guò)上部臍帶纜終端總成(TUTA)，經(jīng)由臍帶纜與水下生產(chǎn)系統(tǒng)建立連接。水下部分包括水下臍帶纜終端單元(UTA)、水下路由模塊(SRM)、水下控制模塊(SCM)及與SCM連接的采油樹(shù)/管匯閥門、水下溫度/壓力傳感器、多相流量計(jì)、直接連接到SRM的可擴(kuò)展水下視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CCTV)、水聽(tīng)器、水下井口頭振動(dòng)監(jiān)測(cè)及水下結(jié)構(gòu)物應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備。增加的SRM能夠?qū)CM從繁重的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)中解放出來(lái)，并擴(kuò)展水下光纖通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和管理功能。基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)允許MCS和水下多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備直接通信，完成視頻信號(hào)、水下聲波探測(cè)信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)及應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)等數(shù)據(jù)的高速傳輸，傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)管理和沖突檢測(cè)均由專門的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備處理，這種開(kāi)放式的架構(gòu)還可以為其他相關(guān)傳感器在未來(lái)的接入預(yù)留電氣接口與機(jī)械接口，在一定程度上減輕項(xiàng)目初期的設(shè)計(jì)和采購(gòu)復(fù)雜度。水下路由模塊(SRM)有兩個(gè)關(guān)鍵作用:其一，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，將臍帶纜中光纖傳送而來(lái)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過(guò)電飛線將它傳輸至采油樹(shù)和管匯的SCM，或直接通過(guò)光纖與CCTV等設(shè)備建立直接握手通信;其二，將臍帶纜傳輸來(lái)的電力配送至水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的各個(gè)用電設(shè)備。可見(jiàn)，SRM是基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)核心部件之一，應(yīng)加大SRM的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)力度。此外，基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)水下控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與管理的標(biāo)準(zhǔn)化，它的應(yīng)用將加速水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展，很多新型水下監(jiān)測(cè)設(shè)備不會(huì)再因?yàn)閿?shù)據(jù)量過(guò)大或速率要求過(guò)高而無(wú)法在水下油氣田中應(yīng)用，光纖通信本身的高可靠性也將使水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的功能性增強(qiáng)。

3某油田水下光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減分析

某油田設(shè)計(jì)采用水下光纖通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)MCS與SRM之間的通信，從SRM到SCM采用電纜通信。對(duì)該油田水下光纖通信系統(tǒng)的信號(hào)衰減情況進(jìn)行計(jì)算。水下光纖通信系統(tǒng)包含:a．23．1km主臍帶纜，從TUTA至UTA;b．一根光纖飛線(OFL)，從UTA至水下分配單元(SDU);c．SDU中包含SRM，SRM中含有光/電轉(zhuǎn)換單元和電開(kāi)關(guān)功能;d．還包含10根EFL電飛線，分別將10個(gè)SCM連接到SRM。不同于水下電力載波通信信道的頻率選擇性衰減特性［3］，水下光纖通信的衰減曲線隨光信號(hào)波長(zhǎng)變化，如圖3所示。光纖通信波長(zhǎng)范圍在0．8～2．0μm，屬電磁波譜中的近紅外區(qū)，同時(shí)也是光纖的低損耗區(qū)域，或稱為低損耗窗口。其中0．8～1．0μm為短波長(zhǎng)段，1．0～2．0μm為長(zhǎng)波長(zhǎng)段。常用的光纖通信中心波長(zhǎng)有0．85、1．31、1．55μm。需要注意的是，0．8～2．0μm波段內(nèi)有3個(gè)氫氧根離子(OH－)的吸收峰，會(huì)增大光信號(hào)的衰減，對(duì)于水下光纖通信來(lái)說(shuō)，光纜的外護(hù)套和水下光纖接頭需做防水處理。某油田水下光纖通信的中心波長(zhǎng)為1550nm，其光纖通信系統(tǒng)衰減分析見(jiàn)表1。通過(guò)對(duì)表1中的衰減進(jìn)行合并計(jì)算，得到某油田水下光纖通信系統(tǒng)最小衰減8．33dB，最大衰減9．03dB。按照38．00dB的水下光纖通信接收機(jī)靈敏度分析，該油田光纖通信信號(hào)衰減完全滿足通信質(zhì)量要求。該油田的SRM到SCM采用電纜通信，由于電力飛線(EFL)較短(約50m)，電纜通信質(zhì)量可以得到很好的保證。

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的開(kāi)放式架構(gòu)進(jìn)行了研究，借助于可擴(kuò)展的水下路由模塊(SRM)，實(shí)現(xiàn)水下控制系統(tǒng)大數(shù)據(jù)傳輸和管理的標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)對(duì)某油田水下光纖通信系統(tǒng)光信號(hào)的衰減進(jìn)行計(jì)算分析，為未來(lái)深水油氣田采用基于光纖通信的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析提供重要參考。

參考文獻(xiàn)

［1］吳永鵬．水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［J］．船海工程，2015，44(5):25～27．

［2］劉太元，郭宏，閆嘉鈺．基于光纖的開(kāi)放式架構(gòu)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(2):209～211，235．

［3］田佳，洪毅，郭宏，等．水下電力載波通信系統(tǒng)線路衰減分析［J］．電力信息與通信技術(shù)，2015，13(7):32～37．

作者：田佳 洪毅 徐正海 尹豐 朱春麗 單位：中海油研究總院有限責(zé)任公司