遠(yuǎn)海海域油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究

鄧 靜，黃海宏，陳 磊，李 瑩

（中海油上海分公司，上海 200335）

遠(yuǎn)海海域油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究

鄧 靜，黃海宏，陳 磊，李 瑩

（中海油上海分公司，上海 200335）

遠(yuǎn)海海域海上油氣田平臺與陸地距離較遠(yuǎn)，受地理位置影響，海上主要的通信方式與陸地傳統(tǒng)通信方式區(qū)別較大，隨著海上“智能油田”的規(guī)劃發(fā)展和建設(shè)，需要研究建立一套先進(jìn)可用的遠(yuǎn)海海域油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)綜合解決方案，為海上“數(shù)字油田”、“智能油田”的建設(shè)提供可靠、有效、低成本的信息通信保障。

海陸通信；智能油田

1　引言

遠(yuǎn)海海域海上油氣平臺與陸地距離較遠(yuǎn)，海上平臺與陸地間距離遠(yuǎn)達(dá)數(shù)百千米，海陸之間通信受到地理環(huán)境的限制，通信手段和效果受到極大制約。隨著海上“智能油田”的建設(shè)，海上平臺網(wǎng)絡(luò)帶寬需求日益增加，因此，根據(jù)遠(yuǎn)海海域油氣田群特定環(huán)境條件，頂層設(shè)計、宏觀考慮遠(yuǎn)海海域油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)實施應(yīng)用方案，對實現(xiàn)海上石油、天然氣開發(fā)過程中的生產(chǎn)和生活數(shù)據(jù)的采集與傳輸、保障海上人員和設(shè)施安全具有重大意義和應(yīng)用價值。

2　海上油氣田通信現(xiàn)狀和需求

2.1海上通信現(xiàn)狀

目前，某海域由于受地理位置影響，海上油氣田生產(chǎn)平臺群距離陸地較遠(yuǎn)，海陸間的基礎(chǔ)骨干通信網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星網(wǎng)構(gòu)成。海域內(nèi)又劃分為3個區(qū)域中心，各區(qū)域中心平臺間的骨干通信網(wǎng)絡(luò)也由衛(wèi)星網(wǎng)構(gòu)成。各區(qū)域中心內(nèi)部平臺間的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)是以井口平臺向中心平臺匯聚，中心平臺與井口平臺間由短距離光纖鏈路連接，通過中心平臺集中后，再通過衛(wèi)星鏈路與陸地進(jìn)行通信，總體上呈現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，為該海域的通信及生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供了最基本的保障。目前，該海域主要中心平臺海陸骨干鏈路帶寬應(yīng)用情況如表1所示。

表1 骨干通信帶寬現(xiàn)狀

從表1可以看出，目前該海域通信骨干網(wǎng)絡(luò)主要依靠衛(wèi)星通信，通信手段較為單一。衛(wèi)星通信存在時延、日凌、雨衰等不利因素，同時通信備份鏈路不足，面對突發(fā)故障，通信將難以得到可靠保障；同時由于衛(wèi)星骨干鏈路帶寬多為窄帶帶寬，無法滿足未來大規(guī)模生產(chǎn)的業(yè)務(wù)需求。

2.2通信帶寬分析

表2為目前該海域的主要業(yè)務(wù)應(yīng)用情況。根據(jù)統(tǒng)計分析，海上中心平臺在開啟一路視頻會議（1M）和一路視頻監(jiān)控（1M）時，基本網(wǎng)絡(luò)帶寬至少需要達(dá)到3.75Mb/s。同時，基于電信運(yùn)營商的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，近年來企業(yè)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量年增長率約為20%～30%。綜合智慧油田規(guī)劃的提出以及海上業(yè)務(wù)系統(tǒng)不斷發(fā)展要求，我們預(yù)測到2020年，海上中心平臺的總帶寬需求將達(dá)到38～50Mb/s，這種需求與目前的網(wǎng)絡(luò)帶寬實際情況存在較大的缺口。

表2 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)帶寬需求分析

2.3通信距離分析

遠(yuǎn)海海域海上平臺生產(chǎn)作業(yè)對通信傳輸?shù)囊鬄椋哼h(yuǎn)距離、大容量、全天候，其中，遠(yuǎn)距離是阻礙遠(yuǎn)海海域海陸間通信帶寬發(fā)展的最主要的因素。本文所研究的海域，海上油氣田平臺與陸地之間距離長達(dá)300千米以上，建設(shè)骨干長距離通信網(wǎng)絡(luò)可選用的技術(shù)手段較少，原來通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，面臨著平臺與陸地之間通信帶寬的瓶頸限制，而進(jìn)行長距離海纜鋪設(shè)，又面臨著投資與收益平衡的問題。綜上可知，如何通過優(yōu)選通信技術(shù)的綜合應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)有效地規(guī)劃建設(shè)好遠(yuǎn)海海域海上油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)，是目前急待解決的實際問題。

3　海陸遠(yuǎn)距離通信技術(shù)分析

為了建設(shè)海上通信“高速公路”，需要選擇性能、安全及成本都能滿足海上石油開采環(huán)境特殊性要求的通信技術(shù)，有效改善陸地與平臺之間、海上平臺群之間存在的通信問題，可選用的海陸骨干網(wǎng)技術(shù)主要有衛(wèi)星通信、海纜通信、微波通信、超視距微波通信等幾種。本文將對各種通信技術(shù)進(jìn)行分析和比較，多維度論證最適合遠(yuǎn)海海域油氣田應(yīng)用的基礎(chǔ)骨干組網(wǎng)技術(shù)。

3.1衛(wèi)星通信

衛(wèi)星通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣、可靠性高、開通電路迅速等特點(diǎn)，在海洋石油開發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。目前，中海油遠(yuǎn)海海域生產(chǎn)作業(yè)平臺與陸地間的通信主要是依靠衛(wèi)星通信技術(shù)，而且在海纜系統(tǒng)建設(shè)完成之前衛(wèi)星技術(shù)都將是海上作業(yè)的主干通道，特別是遠(yuǎn)洋作業(yè)平臺及移動船舶只有依賴衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行海陸通信。但衛(wèi)星通信存在時延、日凌、雨衰等問題，特別是在高降雨區(qū)很難避免由雨衰造成的通信中斷。

中海油所組建的衛(wèi)星網(wǎng)主要采用C/Ku波段，C波段一般可用帶寬為500～800MHz，Ku波段可用帶寬為500～1000MHz。常用的C波段每個轉(zhuǎn)發(fā)器提供36MHz帶寬，Ku波段每個轉(zhuǎn)發(fā)器提供54MHz帶寬。不久我國將部署Ka波段衛(wèi)星，Ka波段衛(wèi)星具有可用帶寬寬、傳輸容量大、干擾少、設(shè)備體積小等特點(diǎn)，可用帶寬將可達(dá)3500MHz，每個轉(zhuǎn)發(fā)器可提供425MHz帶寬，這些特點(diǎn)使得其成為未來寬帶衛(wèi)星的發(fā)展方向。

3.2海纜通信

海底光纜以其大容量、高質(zhì)量、高清晰度、低價格，成為目前國際間主要的通信手段。由于光纖具有頻帶寬，抗干擾小，容量大等特點(diǎn)，因此在跨洋國際通信領(lǐng)域，衛(wèi)星通信只作為海纜通信的補(bǔ)充手段，只有當(dāng)海纜出現(xiàn)故障影響通信時，才通過衛(wèi)星來傳輸，或是通過海纜系統(tǒng)的其他路由來恢復(fù)。同時，海底光纜系統(tǒng)是應(yīng)用于特殊物理環(huán)境中的光通信系統(tǒng)，與陸地光纜系統(tǒng)相比設(shè)計更加復(fù)雜，技術(shù)水平也更加先進(jìn)。

在海上油氣田開發(fā)領(lǐng)域推廣海纜通信技術(shù)的優(yōu)勢在于：系統(tǒng)具有高可靠性，海纜一般不受海上變化的惡劣天氣影響，信號穩(wěn)定性高，光保密性強(qiáng)；而密集波分傳輸技術(shù)的發(fā)展使得通信帶寬具有無限擴(kuò)展性；同時，頻譜資源具備天然可獲得性，與無線方案相比比，無需申請頻譜。

顯而易見，海底光纜對海上油氣田通信服務(wù)保障水平的提高是非常直觀和明顯的，但由于投資巨大，回收周期長，需要根據(jù)油藏分布，提前進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。

3.3微波通信

微波通信是使用波長在0.1毫米至1米之間的電磁波進(jìn)行的通信，數(shù)字微波系統(tǒng)可以提供E1-2XSTM-1速率的通信帶寬，常用頻率為3.3GHz～11GHz范圍內(nèi)。微波通信具有部署快捷、安裝靈活、設(shè)備緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)方便等優(yōu)勢，在考慮大氣吸收、雨霧、水面反射等因素產(chǎn)生的衰落影響后，在覆蓋范圍內(nèi)可以滿足各類業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨?，在近海油氣田生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是海上油氣田常用的通信手段之一。

但由于微波的頻率高、波長短，其在空中的傳播特性與光波相近，具有直線傳播的特性，因此在電波波束方向上不能有障礙物阻擋，遇到阻擋信號就會被反射或被阻斷，加上受地球曲面的影響以及空間傳輸?shù)膿p耗，微波信號每隔50～100千米就需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)。受此影響，在超過100km的遠(yuǎn)海海域，微波通信難以作為海陸間骨干網(wǎng)技術(shù)加以應(yīng)用，往往作為平臺群內(nèi)部的區(qū)域網(wǎng)通信技術(shù)。

3.4超視距微波通信

超視距微波通信是利用大氣層中傳播媒介的不均勻性對無線電波的散射作用而進(jìn)行的通信，它根據(jù)散射媒質(zhì)的不同，一般分為對流層散射通信和電離層散射通信。通常所說的超視距微波通信大多是指對流層散射通信，它具備以下的特點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)，單跳距離可達(dá)約300千米；抗干擾能力強(qiáng)，不受核爆炸和太陽耀斑的影響；傳輸可靠度高，可達(dá)99～99.9%；通頻帶較寬，可達(dá)10兆赫以上；能實現(xiàn)多路通信，可以傳送電話、電報和數(shù)據(jù)等。

但超視距微波通信也有其固有的缺點(diǎn)：傳輸損耗大，且隨著通信距離的增加而劇增，因而要用大功率的發(fā)射機(jī)、高靈敏的接收機(jī)及龐大的天線，在海上平臺安裝場地受限；信號有較深的快衰落，信號電平有明顯的季節(jié)和晝夜的變化；同時，超視距微波技術(shù)是軍轉(zhuǎn)民技術(shù)，使用前需要向無線電管理部門申請頻段。總之，超視距微波通信技術(shù)的擴(kuò)展性不如海纜通信，但單跳傳輸距離遠(yuǎn)大于微波通信。經(jīng)過測試，該技術(shù)適合在100～200千米的海陸距離內(nèi)使用，與衛(wèi)星通信技術(shù)相互備份，可保證海上油氣田的全年通信不中斷。

4　遠(yuǎn)海海域油氣平臺通信網(wǎng)絡(luò)解決方案

針對遠(yuǎn)海海域地理位置的特征和未來油氣田發(fā)展的需求，在構(gòu)建遠(yuǎn)海海域通信網(wǎng)絡(luò)時，需要采取自上而下整體規(guī)劃，分層分階段進(jìn)行組網(wǎng)建設(shè)的策略，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從骨干層、匯聚層和接入層幾個層級對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層規(guī)劃和部署。

圖1 海上網(wǎng)絡(luò)分層

4.1骨干層方案

在本海域中，骨干通信網(wǎng)是指陸地通信中心到海上作業(yè)區(qū)域中心平臺之間，以及海上各區(qū)域中心平臺之間的通信網(wǎng)絡(luò)，它承擔(dān)著海上作業(yè)區(qū)各中心平臺到陸地的生產(chǎn)和通信信號、以及各區(qū)域中心平臺之間生產(chǎn)關(guān)斷信號的傳輸功能。該海域各作業(yè)平臺至陸地通信端站的距離均超過300千米，通信鏈路跨距遠(yuǎn)，承載的業(yè)務(wù)類型多，傳輸?shù)男盘柕闹匾潭雀?。而目前該區(qū)域的骨干通信網(wǎng)是依托衛(wèi)星通信技術(shù)所組建的衛(wèi)星通信網(wǎng)，在帶寬的拓展和安全性方面存在著較大的風(fēng)險。

隨著該海域未來油氣田的發(fā)展規(guī)劃，特別是要考慮到為未來智能油田的各種寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用提供全天候的通信鏈路支撐，該海域的通信帶寬需求量將逐步增大，網(wǎng)絡(luò)的安全性要求也會越來越高。根據(jù)這些特點(diǎn)和需求，綜合經(jīng)濟(jì)性和發(fā)展性兩方面因素，對該海域的骨干網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進(jìn)行三期規(guī)劃：

近期依托完善現(xiàn)有衛(wèi)星通信網(wǎng)，采用C波段衛(wèi)星鏈路作為骨干網(wǎng)絡(luò)通道，通過星狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)相結(jié)合的衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足海域內(nèi)現(xiàn)有油氣平臺群的通信需求。同時積極關(guān)注Ka寬帶衛(wèi)星技術(shù)和超視距微波通信的發(fā)展情況，在技術(shù)成熟、具備應(yīng)用條件的情況下將這兩種技術(shù)加以綜合推廣應(yīng)用。

中期隨著新的油氣平臺的建設(shè)規(guī)劃，進(jìn)行單跨段海纜方案設(shè)計，充分利用已建或新建的登陸海管路由，采用無中繼海纜系統(tǒng)技術(shù)方案，鋪設(shè)一條陸地端站到海上某中心平臺間的登陸海纜。根據(jù)最新行業(yè)內(nèi)研究，無中繼海纜技術(shù)單跨距離已可達(dá)450千米，完全滿足該海域登陸海纜建設(shè)的技術(shù)要求。而海域內(nèi)各中心平臺之間，則可采用平臺中繼方式進(jìn)行海纜互通，同時保留現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)的少量通信帶寬，實現(xiàn)衛(wèi)星與海纜的鏈路互備，以確保油氣生產(chǎn)對通信帶寬和網(wǎng)絡(luò)可靠性的雙重要求，最終形成“全覆蓋、大容量、全天候”寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)期規(guī)劃建設(shè)另一路由方向的登陸海纜，從而形成該海域的海纜通信環(huán)網(wǎng)，以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，保證各類寬帶業(yè)務(wù)的持續(xù)傳輸。

4.2匯聚層方案

匯聚層是指海域內(nèi)各中心平臺與各井口平臺間的通信網(wǎng)絡(luò)，由于各平臺間距離較短，可采用的通信技術(shù)手段較多。若平臺間鋪設(shè)有油氣管線，則可循著管線路由敷設(shè)通信海纜，或敷設(shè)光電復(fù)合海纜，利用SDH和PDH等傳輸方式進(jìn)行業(yè)務(wù)透傳，從而滿足高帶寬、高可靠性的匯聚層內(nèi)部各類業(yè)務(wù)的靈活應(yīng)用。

若平臺間沒有敷設(shè)油氣管線和動力電纜，則可通過在平臺間建設(shè)高速微波鏈路完成業(yè)務(wù)傳輸，在100千米以內(nèi)，微波鏈路帶寬可達(dá)10Mb/s以上。

4.3接入層方案

傳統(tǒng)的海上油氣平臺內(nèi)接入層主要采用固網(wǎng)方式，將語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入C波段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，平臺附近海域作業(yè)船只通過Ku衛(wèi)星接入。隨著通信技術(shù)發(fā)展，最先進(jìn)的第四代通信LTE技術(shù)進(jìn)入方興未艾階段。在接入層方案規(guī)劃中，建議引入LTE寬帶技術(shù)，實現(xiàn)海上平臺無線覆蓋。LTE寬帶接入的下行吞吐量可達(dá)100Mb/s，上行吞吐量達(dá)50Mb/s，可覆蓋通信和生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，支持移動辦公、多媒體集群調(diào)度、移動巡檢生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取、高清視頻監(jiān)控、視頻會議等多種無線寬帶業(yè)務(wù)，從而能為海上智能油田建設(shè)助力。

LTE技術(shù)還能實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無線覆蓋，可以覆蓋到相鄰的生產(chǎn)平臺和移動船舶，滿足平臺周邊30千米的平臺和移動船舶的寬帶接入，安裝部署快捷，擴(kuò)容方便，維護(hù)成本低，可作為新型海上平臺接入網(wǎng)建設(shè)方案重點(diǎn)推廣。

圖2 遠(yuǎn)海海域通信規(guī)劃全景示意圖

5　結(jié)束語

本文從海上油氣田通信業(yè)務(wù)需求出發(fā)，針對遠(yuǎn)海海域海上平臺海陸距離長，壞境惡劣的現(xiàn)狀，對多種可行的通信技術(shù)進(jìn)行分析比較，提出分層推進(jìn)的遠(yuǎn)海海域海上油氣田通信網(wǎng)絡(luò)解決方案，為海上油氣田的開發(fā)及生產(chǎn)提供最佳的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐。

Study on Application of Communication Network Technology in Oil and Gas Platform in Far Offshore Area

Deng Jing, Huang Haihong, Chen Lei, Li Ying
(CNOOC Shanghai Branch, Shanghai 200335)

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.11.001

TN92，TN913 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）11-0001-04