水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電力載波通信綜述

左 信，胡意茹，王 玨，朱春麗，田 佳

[1. 中國石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系，北京 102249；2. 中海油研究總院，北京 100027]

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電力載波通信綜述

左 信1，胡意茹1，王 玨2，朱春麗2，田 佳2

[1. 中國石油大學(xué)(北京)自動(dòng)化系，北京 102249；2. 中海油研究總院，北京 100027]

目前水下生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)成為開發(fā)海洋油氣資源的主流模式，其中水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。水下電力載波通信作為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要通信方式之一，其發(fā)展水平直接影響油氣田開發(fā)的安全穩(wěn)定和成本。首先介紹了水下復(fù)合電液控制系統(tǒng)中電力載波通信的基本原理，總結(jié)了國際標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)ISO/TC 67、智能井接口標(biāo)準(zhǔn)(IWIS)和水下儀器接口標(biāo)準(zhǔn)(SIIS)等組織對(duì)水下電力載波通信技術(shù)的促進(jìn)作用。其次，從傳輸速率、通信距離等技術(shù)指標(biāo)的角度，回顧了各水下項(xiàng)目中電力載波通信技術(shù)的發(fā)展歷史。最后，從臍帶纜電纜特殊性、系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定性和水下增壓設(shè)備電磁干擾等方面分析了水下環(huán)境為電力載波技術(shù)帶來的特殊挑戰(zhàn)。

海洋油氣資源開發(fā)； 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)； 復(fù)合電液控制； 水下電力載波通信； 智能井接口標(biāo)準(zhǔn)

0 引 言

自1947年美國科麥奇公司在墨西哥灣水域成功實(shí)施世界第一口水下完井作業(yè)以來[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類對(duì)海洋石油資源認(rèn)知水平的不斷提高，海洋油氣勘探開發(fā)從淺海海域逐漸向中深海域(100～500 m)、深海(500～1 500 m)甚至超深海(1 500 m以上)發(fā)展[2]。相比于陸上石油開采，海洋石油開采更加復(fù)雜，需要達(dá)到的技術(shù)水平也更高。水下生產(chǎn)系統(tǒng)以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和可觀的經(jīng)濟(jì)效益得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，已經(jīng)成為開發(fā)海洋油氣資源的主流模式，具有廣闊的發(fā)展前景，并將主導(dǎo)未來海洋油氣資源的開發(fā)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)通過水下井口、水下采油樹、跨接管、水下管匯或水下分離增壓設(shè)備等，將油氣井生產(chǎn)的油氣混合物送至較遠(yuǎn)的處理平臺(tái)或岸上油氣處理廠，實(shí)現(xiàn)海上油氣田的開發(fā)，特別適用于深水、超深水、惡劣海況或離岸較遠(yuǎn)的油氣田的開發(fā)。

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。它實(shí)時(shí)采集油氣藏的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的工作狀況，對(duì)異常情況進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警，從而保證海洋油氣田長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全地生產(chǎn)。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制、順序液壓控制、直接電液控制和復(fù)合電液控制等幾個(gè)重要階段[3]。其中復(fù)合電液控制是目前的主流控制方式，尤其適用于深水、大型油氣田的開發(fā)。20世紀(jì)末，國外幾家主流的水下裝備供應(yīng)商開始研發(fā)水下全電控制技術(shù)[4-6]。此外，為滿足邊際油田的開發(fā)需求，又相繼提出了水下自治控制系統(tǒng)和集成浮漂控制系統(tǒng)[3]。

穩(wěn)定可靠的通信是水下生產(chǎn)狀態(tài)信息準(zhǔn)確采集、傳輸，海上石油、天然氣安全生產(chǎn)的前提和保障。水下通信系統(tǒng)已經(jīng)成為影響油氣田開發(fā)成本和水下控制系統(tǒng)使用周期的關(guān)鍵因素。根據(jù)信號(hào)傳播方式的不同，水上與水下設(shè)備之間的通信可以分為有線通信和無線通信。按照信號(hào)是否需要在臍帶纜中敷設(shè)獨(dú)立的通信線纜，水下有線通信又可以分為光纖通信和電力載波通信[7]。無線通信則主要包括聲納通信和微波擴(kuò)頻通信[7-8]，衛(wèi)星通信也已經(jīng)成為平臺(tái)與平臺(tái)、平臺(tái)與陸地終端之間的主要通信方式。電力載波通信技術(shù)由于將信號(hào)直接加載到電力傳輸線上，可以實(shí)現(xiàn)電力與通信數(shù)據(jù)同線傳輸，能極大地減小臍帶纜的橫截面積、減輕臍帶纜的重量，從而延長(zhǎng)了鋪設(shè)距離、節(jié)約了成本，因此獲得行業(yè)的廣泛關(guān)注和發(fā)展，已經(jīng)成為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的主要通信方式之一。

1 水下控制系統(tǒng)的電力載波通信基本原理

1.1 復(fù)合電液控制系統(tǒng)

隨著深水油氣田的大范圍開發(fā)，油氣田區(qū)塊呈現(xiàn)開發(fā)范圍大、開發(fā)環(huán)境溫度低、產(chǎn)出液溫度/壓力高、不同井口流體溫度壓力差異大等特點(diǎn)。此外，同一井口不同生產(chǎn)階段的流體特性也不盡相同，并且深水維修安裝作業(yè)費(fèi)用高。直接液壓控制、先導(dǎo)液壓控制、順序液壓控制和直接電液控制系統(tǒng)使用受限，開發(fā)深水資源面臨新的挑戰(zhàn)。為更好地滿足深水大區(qū)塊油氣田開發(fā)的控制要求，復(fù)合電液控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。它采用先進(jìn)的數(shù)字復(fù)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了真正的遙測(cè)和遙控，為智能化綜合管理提供了可能。

復(fù)合電液控制系統(tǒng)的水上設(shè)備有液壓動(dòng)力單元、電力單元、不間斷單元、主控站和水上臍帶纜終端等。水下設(shè)備包括臍帶纜、水下控制模塊(SCM)、水下分配單元(SDU)、電力飛線和液壓飛線等[9]。圖1為水下復(fù)合電液控制系統(tǒng)工作原理示意圖。主控站通過臍帶纜控制安裝在水下采油樹或管匯上的水下控制模塊，實(shí)現(xiàn)上行生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和下行控制信號(hào)傳輸。水下控制模塊的上行信號(hào)用于遙測(cè)大量水下數(shù)據(jù)如壓力、溫度、閥門狀態(tài)等，下行信號(hào)則用于快速地控制水下電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些電磁執(zhí)行機(jī)構(gòu)又進(jìn)一步將液壓放大驅(qū)動(dòng)液壓閥門和油嘴。復(fù)合電液控制系統(tǒng)采用多路電氣控制技術(shù)，減少了導(dǎo)線數(shù)量，簡(jiǎn)化了水下電路連接，大大降低了控制臍帶纜成本，具有控制距離長(zhǎng)、功能靈活、反應(yīng)時(shí)間短、安全事故處理能力強(qiáng)、水下控制設(shè)備和水上監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向通信等特點(diǎn)，特別適用于深水大型油氣田多井項(xiàng)目的開發(fā)[10]。

圖1 水下復(fù)合電液控制系統(tǒng)工作原理示意圖Fig 1 Schematic diagram of subsea electro/hydraulic control system

水下控制模塊內(nèi)部具有就地處理數(shù)據(jù)的水下電子模塊(SEM)。這使得水下控制模塊的監(jiān)控對(duì)象更加廣泛，包括水下采油樹、水下管匯、管匯終端、井下安全閥、水下增壓設(shè)備和水下分離設(shè)備等；監(jiān)測(cè)參數(shù)更加復(fù)雜，包括液壓控制壓力、調(diào)節(jié)閥閥位、化學(xué)藥劑注入流量和壓力、井口油氣溫度和壓力、井下溫度和壓力、油氣含砂量、泄漏位置、清管通球位置和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。一個(gè)水下控制模塊也可以控制多個(gè)水下設(shè)備，如多個(gè)水下采油樹共用一個(gè)SCM或者水下采油樹與管匯共用一個(gè)SCM[11]。

大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的上行和下傳，必將對(duì)水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的通信距離、通信速率和通信性能提出更高要求。全液壓生產(chǎn)控制系統(tǒng)在臍帶纜中采用獨(dú)立的通信和電力傳輸電纜的方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，臍帶纜重量增加，通信性能指標(biāo)已不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。電力載波通信憑借其無需在臍帶纜中單獨(dú)敷設(shè)通信線纜，能極大地節(jié)約成本和空間的優(yōu)勢(shì)，于20世紀(jì)80年代被首次應(yīng)用于水下通信，并成為此后二十多年的主要水下生產(chǎn)通信方式之一[12]。

1.2 水下電力載波通信基本原理

電力線載波通信是采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，它將載有信息的高頻信號(hào)加載到電力線上，用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制/解調(diào)器將高頻信號(hào)從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備。電力載波通信借助電力線作為通信介質(zhì)，無需另外敷設(shè)專門的通信通道，節(jié)約成本且適合遠(yuǎn)程傳輸，因此該技術(shù)在近百年時(shí)間里取得了巨大突破和進(jìn)展，廣泛應(yīng)用于電力公司營運(yùn)及電力用戶管理、電信及信息服務(wù)、自動(dòng)控制及智能家居等方面[13-16]。常規(guī)電力載波通信技術(shù)的成熟為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)通信提供了新的思路，開辟了性能更加優(yōu)良的通信方式。復(fù)合電液控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展和成熟應(yīng)用，也為電力載波系統(tǒng)的水下應(yīng)用提供了前提和基礎(chǔ)。

水下電力載波通信系統(tǒng)采用臍帶纜中的電力配送電纜作為通信介質(zhì)，水上水下載波機(jī)分別位于水上電力/通信單元(SPCU)和水下控制模塊中。目前，水下電力載波機(jī)主要依據(jù)歐洲電工委員會(huì)(CENELEC)發(fā)布的EN50065標(biāo)準(zhǔn)，在低壓分配網(wǎng)絡(luò)(LVDN)通過臍帶纜中電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)通信，信號(hào)頻率范圍3～148.5 kHz[17]。

水下電力載波通信工作過程包括主控站(MCS)系統(tǒng)下發(fā)控制指令和從站上傳數(shù)據(jù)兩個(gè)階段。圖2是一個(gè)典型的復(fù)合電液控制系統(tǒng)的電力載波通信原理示意圖。一方面，來自主控站的控制信號(hào)經(jīng)過水上電力/通信單元調(diào)制后耦合到臍帶纜中的電力電纜上。調(diào)制信號(hào)經(jīng)控制臍帶纜中的電力線傳輸至水下分配單元后，隨電力分配傳輸至安裝在采油樹或管匯上的多個(gè)SCM，由SCM將信號(hào)解耦解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電力和信號(hào)的下送。水下控制模塊與出油管壓力/溫度傳感器、井口壓力/溫度傳感器及環(huán)形空間壓力傳感器等遠(yuǎn)端設(shè)備相連，通過SCM內(nèi)部基于微處理器的水下電子模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力的監(jiān)控以及對(duì)水下閥門的操作。另一方面，水下控制模塊也可對(duì)水下采油樹及井口的壓力、溫度等過程參數(shù)信號(hào)進(jìn)行編碼后調(diào)制耦合到電力線上實(shí)現(xiàn)上傳。主控站接收經(jīng)SPCU解耦解調(diào)后的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水下生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視。

常規(guī)電力載波通信技術(shù)和復(fù)合電液控制系統(tǒng)的成熟發(fā)展使得水下電力載波通信成為可能，而一系列標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的成立和相關(guān)水下通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布則將該技術(shù)推向了高潮。面對(duì)市場(chǎng)上多達(dá)幾十家的裝備提供商，高昂的設(shè)備定制費(fèi)用和耗時(shí)的供貨周期使人們逐漸意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)化的接口和儀器將有利于提高設(shè)備的互換性、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)與采購、降低運(yùn)營成本、提高營業(yè)效率和增強(qiáng)技術(shù)完整性[18-19]。此外，如何將前景廣闊的智能井技術(shù)與水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)相結(jié)合，使之服務(wù)于水下石油開采，成為油氣田經(jīng)營方、水下控制系統(tǒng)提供商和智能井設(shè)備提供商熱議的話題[20-22]。

ISO/TC 67技術(shù)委員會(huì)下屬鉆井和生產(chǎn)設(shè)備分會(huì)SC4制定的《ISO 13628-6：2006水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)》[23]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定通信協(xié)議應(yīng)基于IEC 60870-5[24]以及同等的國際標(biāo)準(zhǔn)。此外由水下技術(shù)顧問(OTM)公司管理，各石油運(yùn)營商和提供商組成的一系列標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)也應(yīng)運(yùn)而生[25]。其中，智能井接口標(biāo)準(zhǔn)(IWIS)致力于“通過提供電力/通信結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)硬件要求的推薦規(guī)范/標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)井下電力/通信架構(gòu)與水下控制系統(tǒng)整合”[26-27]；水下儀器接口標(biāo)準(zhǔn)(SIIS)則專注于水下傳感器與水下控制系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)化[28-29]。IWIS和SIIS的建議做法直接或間接影響ISO 13628-6標(biāo)準(zhǔn)的制定，并從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不斷補(bǔ)充完善，共同推進(jìn)海洋石油工業(yè)的進(jìn)步[27-30]。

圖2 復(fù)合電液控制系統(tǒng)電力載波通信原理圖Fig 2 Schematic diagram of power line communication in electro/hydraulic control system

2 發(fā)展歷史

早期的水下電力線通信技術(shù)受水下控制系統(tǒng)發(fā)展水平的制約，主要用于水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，不具有傳輸控制信號(hào)的功能，應(yīng)用十分有限。1985年，西班牙Eniepsa Casablanca 11項(xiàng)目首先將電力載波通信技術(shù)應(yīng)用于水下生產(chǎn)[12]。該項(xiàng)目中Hughes Offshore公司提供的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)信號(hào)加載到直流電力雙絞線上，實(shí)現(xiàn)了油井?dāng)?shù)據(jù)的電力載波傳輸，通信距離為7.4 km。1986年，印度ONGC公司在BombayHigh水下項(xiàng)目中采用Vetco Gray公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在同軸電纜上實(shí)現(xiàn)了7～10 kHz數(shù)據(jù)信號(hào)與60 Hz電力的同線傳輸，傳輸距離約10 km[12]。上述兩個(gè)項(xiàng)目的水下控制系統(tǒng)分別為先導(dǎo)液壓控制和直接液壓控制。這兩種早期的水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)直接導(dǎo)致對(duì)水下采油樹的生產(chǎn)控制仍然采用液壓控制方式，即此時(shí)臍帶纜中的電力線僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的載波通信，沒有控制功能，生產(chǎn)控制和數(shù)據(jù)采集仍然采用不同的線纜。

水下電力載波技術(shù)于1989年在挪威北海的Troll Oseberg Gas Injection (TOGI)項(xiàng)目中取得了控制信號(hào)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)同線傳輸?shù)耐黄菩赃M(jìn)展。該項(xiàng)目在當(dāng)時(shí)面臨48 km傳輸距離、305 m水深的新挑戰(zhàn)。TOGI水下生產(chǎn)系統(tǒng)采用復(fù)合電液控制[31]，為油井?dāng)?shù)據(jù)與控制信號(hào)的同線傳輸提供了條件。VetcoGray公司在四芯電纜上將1 800 Hz的四相相移鍵控(QPSK)調(diào)制信號(hào)加載到60 Hz電力線，在同一線纜上實(shí)現(xiàn)了半雙工水下控制和數(shù)據(jù)讀取功能，傳輸距離達(dá)50 km，傳輸速率為1.2 kb/s[32]。該技術(shù)的成功應(yīng)用簡(jiǎn)化了原系統(tǒng)繁瑣的布線方式，通信性能也得到大幅提高。

隨著開采范圍向更深更遠(yuǎn)水域發(fā)展，水下設(shè)備的復(fù)雜程度和對(duì)水下數(shù)據(jù)的需求量也相應(yīng)增加。這對(duì)水下控制的數(shù)據(jù)處理、通信、電力和液壓供應(yīng)提出了更高的要求。各水下裝備供應(yīng)商也不斷改進(jìn)各自的水下控制系統(tǒng)通信性能以適應(yīng)新的發(fā)展需要。Cameron公司電力載波通信速率可達(dá)9.6 kb/s，傳輸距離65 km[33]。Weatherford公司的開放式通信控制器(OCC)集電力載波、控制和故障診斷能力于一體，通信速率達(dá)390 kb/s，傳輸距離實(shí)現(xiàn)100 km無中繼，可選電力線頻率范圍50～630 kHz[34]。FMC公司作為世界最大的深水裝備供應(yīng)商之一，目前SCM600電力載波通信已實(shí)現(xiàn)56 kb/s的傳輸速率和250 km的傳輸距離[35]。此外，F(xiàn)MC公司的三代KOS控制系統(tǒng)在一定程度上反映了水下電力載波技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程[36]。KOS 100(1991年)、KOS 150(1994年)和KOS 200(2003年)是FMC公司為滿足不斷提高的通信速率、電力和臍帶纜長(zhǎng)度的要求而研發(fā)的三代電力載波通信系統(tǒng)。

KOS 100和KOS 150均采用半雙工頻移鍵控(FSK)調(diào)制，通信速率分別可達(dá)1.2 kb/s和4.8 kb/s。這兩代系統(tǒng)的調(diào)制方法較簡(jiǎn)單，有效可靠但頻帶利用率較低。KOS 200系統(tǒng)的Long-Speed電力載波機(jī)可根據(jù)信道性能自動(dòng)選擇最快傳輸速率，發(fā)送和接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)60 dB，濾波器參數(shù)可自動(dòng)調(diào)節(jié)以適應(yīng)電纜特性。6路信道均采用全雙工模式連續(xù)平行傳輸，電纜間串?dāng)_衰減最小為40 dB。每個(gè)載波機(jī)中都有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，采用幅度和相位相結(jié)合的調(diào)制方式以得到較高的傳輸速率，最高可達(dá)33.6 kBd。通過安裝相應(yīng)的軟件或程序，數(shù)字載波機(jī)可以滿足不同的要求。采用低頻范圍的信道或降低數(shù)據(jù)傳輸速率均可以提高通信距離，KOS 200在10 mm2電纜上通信距離可達(dá)60 km[37]。

正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制方法和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)分別為通信和現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域帶來了革命性的變化[38-39]。這些技術(shù)進(jìn)步為水下電力載波通信發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。2009年和2010年，Horten等[40-42]成功地將OFDM和FPGA技術(shù)應(yīng)用于水下電力載波通信，并就相關(guān)核心技術(shù)申請(qǐng)了美國國家專利。專利中，F(xiàn)PGA取代此前數(shù)字載波機(jī)常用的數(shù)字信號(hào)處理芯片，OFDM取代常規(guī)的頻移鍵控調(diào)制，成為主要的處理芯片和調(diào)制方式。OFDM是一種特殊的多載波傳輸方式，采用多個(gè)正交子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，具有頻帶利用率高、抗噪聲和多徑衰落能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[43]。FPGA邏輯器件則以其高集成度、高可靠性和強(qiáng)大的運(yùn)算能力為高速寬帶通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了硬件保障[44]。這些新技術(shù)使得水下電力載波通信實(shí)現(xiàn)了200 km無中繼傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)3 Mb/s。

3 水下電力載波技術(shù)特殊挑戰(zhàn)

電力線的基本用途是電能供給，當(dāng)作為通信介質(zhì)時(shí)，它有著與其他專用的通信介質(zhì)完全不同的信道特性。電力線具有隨頻率而變的動(dòng)態(tài)阻抗特性；頻率特性方面，受介質(zhì)材質(zhì)和形狀的影響，電力線具有較窄的載波頻率；噪聲特性方面，因各類電力負(fù)荷發(fā)出的脈沖干擾和諧波干擾，電力線具有隨時(shí)間和頻率而變的動(dòng)態(tài)噪聲特性[16,45-46]。水下電力載波通信既要克服上述常規(guī)技術(shù)難題，還需要應(yīng)對(duì)水下惡劣環(huán)境給通信帶來的諸多特殊挑戰(zhàn)。

首先，輸電電纜的幾何形狀、配置和所選材料均會(huì)對(duì)信號(hào)衰減產(chǎn)生影響[36]。在水下特殊環(huán)境中，輸電電纜和液壓軟管、化學(xué)藥劑軟管共同位于復(fù)合控制臍帶纜中，電纜和節(jié)點(diǎn)之間采用水下濕式接頭連接。由于水下電纜或臍帶纜采取“按訂單生產(chǎn)策略”，所以在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段無法獲取有關(guān)電纜的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此外IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定電力線應(yīng)基于三相對(duì)稱電壓和負(fù)載，而臍帶纜中電力線為單相。這些都給水下電力載波通信增加了難度[17,36]。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是影響水下電力載波通信的一大因素。水下控制模塊的數(shù)量及其與分配系統(tǒng)的連接順序不是預(yù)先設(shè)定好的；隨著油田開發(fā)的擴(kuò)張，SCM的數(shù)量會(huì)增加，SCM之間的準(zhǔn)確距離一般直到開始鉆井時(shí)才能最終確定。一些案例中，井的位置也許還會(huì)隨著油藏模型的變化而作出很大調(diào)整。此外，任何一個(gè)閥門的開關(guān)都可能改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，信道的電參數(shù)隨時(shí)間、地點(diǎn)變化，相應(yīng)地輸入阻抗也往往隨之變化，從而給通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來相當(dāng)大的困難[36]。因此，設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮目前和將來可能的系統(tǒng)負(fù)載與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

此外，大功率變頻電動(dòng)機(jī)(如電動(dòng)多相泵等水下生產(chǎn)流體增壓、回注設(shè)備)產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁干擾[47]、導(dǎo)體橫截面積、臍帶纜絕緣性能好壞等眾多因素[36]，都會(huì)對(duì)水下電力載波通信性能產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié)束語

電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于水下石油開采行業(yè)二十余年，被證明是一項(xiàng)可靠經(jīng)濟(jì)的通信手段。常規(guī)電力載波通信技術(shù)的成熟和水下生產(chǎn)復(fù)合電液控制系統(tǒng)的投入使用使水下電力載波通信成為可能。由油氣田經(jīng)營方、水下控制系統(tǒng)提供商和智能井設(shè)備提供商等組成的標(biāo)準(zhǔn)化組織的成立和相關(guān)水下通信標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布則將水下電力載波通信技術(shù)推向了新的高潮。通過克服臍帶纜中輸電電纜的特殊性、水下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定、水下濕式接頭引發(fā)的信號(hào)衰減以及水下增壓設(shè)備造成的電磁干擾等一系列技術(shù)難題，不斷引入最新的科技手段，水下電力載波技術(shù)向著更快傳輸速率和更長(zhǎng)通信距離的方向不斷發(fā)展完善。值得一提的是，隨著海洋油氣開采向超深水、邊際油田發(fā)展，儀器設(shè)備越來越復(fù)雜，對(duì)信息的需求越來越大，水下光纖通信技術(shù)正憑借其抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性高、傳輸速率快、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為一項(xiàng)新興的具有發(fā)展前景的水下通信技術(shù)。

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PowerLineCommunicationofSubseaProduction
ControlSystem:aReview

ZUO Xin1, HU Yi-ru1, WANG Jue2, ZHU Chun-li2, TIAN Jia2

(1.DepartmentofAutomation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.CNOOCResearchInstitute,Beijing100027,China)

Nowadays subsea production system has been the mainstream mode of subsea oil and gas exploitation, of which the subsea control system is the most important part. As one of the main communication methods of subsea control system, subsea power line communication has a direct influence on the safety and cost of the subsea oil and gas exploitation. Firstly, the principles of power line communication in subsea electro/hydraulic control system are introduced, and the promotions from organizations like ISO/TC 67, Intelligent Well Interface Standardization (IWIS) and Subsea Instrumentation Interface Standardization (SIIS) are summarized. Secondly, the application history of power line communication in world’s subsea projects is reviewed from the aspects of transmission rate, communication distance and modulation method, etc. Lastly, considering the unique characteristics of umbilical power line, uncertain system topological configuration and electromagnetic interference from subsea boost pump, special challenges that the power line communication technology faces due to subsea environment are analyzed.

subsea oil and gas exploitation; subsea production control system; electro/hydraulic control; subsea power line communication; Intelligent Well Interface Standardization

TN929.3

A

2095-7297(2014)01-0084-07

2014-02-21

國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05026-003-01)

左信(1964—)，男，教授，主要從事海洋油氣生產(chǎn)測(cè)量與控制及過程控制系統(tǒng)和安全保護(hù)控制系統(tǒng)的可靠性分析方面的研究。