一種基于油田輸油管道的通信方法

楊 充 王艷麗 楊 鵬 郄海霞 李京子 李亞萍

(1.西安長慶科技工程有限責(zé)任公司，西安 710018；2.陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院，陜西 咸陽 712046；3.長慶油田第五采氣廠，西安 710018)

在油田數(shù)字化發(fā)展趨勢下，油氣田開發(fā)、生產(chǎn)過程中需要將分散在一定區(qū)域內(nèi)的多個(gè)生產(chǎn)點(diǎn)(如抽油井或采氣井)的工況數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，以便進(jìn)行集中監(jiān)控或數(shù)據(jù)處理[1]。目前多以有線或無線通信方式為主，但由于油氣田地處環(huán)境比較復(fù)雜，存在無線通信設(shè)備易被偷盜及破壞等問題。為此，根據(jù)油田發(fā)展需要，筆者提出了一種新型管道通信方法——利用各井站到集輸站的埋地管道完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1 管道通信方法的基本原理①

利用單管道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹O(shè)計(jì)思想是用管道和大地作為通信介質(zhì)來傳輸信號。管道通信線路前端機(jī)和終端機(jī)均有兩個(gè)端口：D口(數(shù)字口)和A口(模擬口)。線路前端機(jī)的D口接SCADA系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)端口；A口接管道前端和大地，即A口的一端接在管道上，另一端接在距管道埋地點(diǎn)大于30m的接地極上。線路終端機(jī)的D口接現(xiàn)場RTU的數(shù)字端口；A口接管道和大地，即A口的一端接管道末端，另一端接距管道埋地點(diǎn)大于30m的接地極上。前端機(jī)和終端機(jī)A口的接地極接地電阻要求小于3Ω。抽油機(jī)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，利用管道通信機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的安裝接線如圖1所示。

圖1 管道通信機(jī)的數(shù)據(jù)通信安裝接線示意圖

將圖1簡化為圖2，闡述其通信原理。監(jiān)控室計(jì)算機(jī)或現(xiàn)場RTU發(fā)送信號時(shí)，線路端機(jī)將D口切換為輸入端，A口切換為輸出端，數(shù)字信號經(jīng)處理調(diào)制成載頻信號[2]，自A口發(fā)送到管線和接地極上。A口的負(fù)載電阻是埋地管線和接地極間的地電阻，由于管道埋地，其接地電阻是很小的，A口發(fā)送出的電流被埋地管道吸收，電流密度在管道的發(fā)送端最大。假設(shè)在管道埋地的地域內(nèi)地電阻是均勻的，則管道上的電流密度在管道的長度方向上按一定的梯度下降，那么在管道末端線路終端機(jī)的A口上有一個(gè)微小的信號壓降，這個(gè)信號壓降經(jīng)線路終端機(jī)濾波放大、解調(diào)、整形后，

從數(shù)字端口D輸出，完成數(shù)字信號的傳輸。這種傳輸和接收是雙向的，受數(shù)字設(shè)備的端口協(xié)議控制。設(shè)計(jì)線路端機(jī)時(shí)，前端機(jī)和終端機(jī)只是安裝位置不同，功能是相同和對稱的，同一個(gè)線路端機(jī)既可安裝在線路前端又可安裝在線路終端，信號的發(fā)送和接收是雙向的。當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)是多點(diǎn)時(shí)(如多個(gè)油井的信號采集和監(jiān)控)，可用RS-485協(xié)議完成多個(gè)站場的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

圖2 管道通信機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí) 安裝接線簡化示意圖

2 管道通信實(shí)現(xiàn)方式

按照常規(guī)工程設(shè)計(jì)思想，管道與接地極同時(shí)埋地時(shí)，工程上認(rèn)為兩者之間是短路的。但理論上兩者之間存在微小的阻抗，其集中參數(shù)等效電路如圖3所示。

圖3 集中參數(shù)等效電路

圖3中，L是把管道看作明線時(shí)的電感，C是管道與接地極之間的電容，R是管道與接地極之間的電阻。3個(gè)參數(shù)中L比明線時(shí)??；C隨管道的粗細(xì)而定，一般均比明線時(shí)大[3]。如果合理選擇傳輸系統(tǒng)的載波頻率，則L和C可忽略不計(jì)，起決定作用的參數(shù)是R。R是接地極的接地電阻RJ和管道的接地電阻RG的串聯(lián)，即：

R=RJ+RG

管道的接地電阻RG在數(shù)值上等于從管道埋地端開始與接地極之間單位長度上的接地電導(dǎo)沿管道長度l方向上積分的倒數(shù)，即：

其中，ρ(x)是一個(gè)非常復(fù)雜的函數(shù)，與土壤性質(zhì)、天氣、管道直徑、管道長度、地下管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、管道是否防腐處理以及施工質(zhì)量等因素有關(guān)。經(jīng)粗略估算R值很小，因此當(dāng)管道前端與接地極間發(fā)送一個(gè)一定功率的信號時(shí)，在管道末端信號電平是相當(dāng)小的。經(jīng)試驗(yàn)分析，對于DN60mm的無縫鋼管，在甘肅黃土高原地區(qū)，管道無防腐處理深1m、管道長度為2km時(shí)，管道前端信號為1W·h，管道末端能獲得大約2mV 的信號。

前端機(jī)與終端機(jī)的工作原理如圖4所示，前端機(jī)與終端機(jī)均包括限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調(diào)電路、整形放大電路、模擬量電子開關(guān)、數(shù)字量電子開關(guān)、功率放大器、調(diào)制電路、載頻發(fā)生電路和收發(fā)控制電路。模擬量電子開關(guān)輸入端一方面經(jīng)管道和大地接收管道送來的信息，另一方面向管道發(fā)送經(jīng)功率放大器放大的調(diào)制信號。調(diào)制信號由載頻發(fā)生電路和整形放大電路控制；接收與發(fā)送由收發(fā)控制電路控制。從管道上接收的信息經(jīng)限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調(diào)電路和整形放大電路分別處理后，送入數(shù)字量電子開關(guān)輸入端。數(shù)字電子開關(guān)接收外部控制裝置的命令或信息，并將其通過整形放大電路整形后分兩路：一路控制收發(fā)控制電路打開模擬電子開關(guān)用于向管道發(fā)送數(shù)字信號，另一路由調(diào)制電路、載頻發(fā)生電路和功率放大器處理，并通過模擬電子開關(guān)向管道發(fā)送命令和信息[4]。

圖4 前端機(jī)與終端機(jī)電路工作原理框圖

在油田抽油井?dāng)?shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)中，地下管道連在一起，且管網(wǎng)龐大，因此接地電阻比單管的小，故需增大發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)送功率。對于特定的管網(wǎng)系統(tǒng)，使用地下管道和地作為通信介質(zhì)時(shí)，要進(jìn)行現(xiàn)場測試以確定端機(jī)的發(fā)送功率。

3 結(jié)束語

利用單管道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞剑鉀Q了偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣田井站數(shù)據(jù)的傳輸問題，實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣田的數(shù)字化管理。由于設(shè)備可埋地處理，避免了無線通信設(shè)備被偷盜及破壞等問題，節(jié)省了儀表控制系統(tǒng)的投資，提高了油氣田數(shù)字化管理水平。管道通信機(jī)不但可用于油氣田，還可用于具有地下管網(wǎng)系統(tǒng)且地面情況復(fù)雜的城市、企業(yè)及生活小區(qū)等。