水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)通訊設(shè)計(jì)研究

譚壯壯，曲文星

（中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028）

0 引言

近年全球獲得的重大勘探發(fā)現(xiàn)中，有近50%來(lái)自深水海域，隨著勘探技術(shù)的不斷提高，這一占比還會(huì)繼續(xù)提高。在深水海域的油氣田開(kāi)發(fā)中，水下生產(chǎn)系統(tǒng)是主要的開(kāi)發(fā)方式。設(shè)置于海底的水下油氣井采出物經(jīng)過(guò)水下采油樹(shù)、水下管匯、海底管道以及立管等設(shè)施輸送到依托設(shè)施進(jìn)行處理[1-3]。

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，由于水下采油樹(shù)和水下管匯等設(shè)備位于水下，通常人員無(wú)法到達(dá)，日常操作以及緊急情況下的控制需要通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，即水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)（Subsea Production Control System,SPCS），是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，為水下生產(chǎn)提供安全、可靠、高效的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功能，并提供了與依托設(shè)施控制系統(tǒng)的接口。SPCS 通過(guò)水下采油樹(shù)、水下管匯等水下設(shè)施上的水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）來(lái)完成對(duì)水下閥門的操作，并對(duì)水下儀表和各控制模塊進(jìn)行監(jiān)控[4]。

SPCS 分為上部安裝的SPCS 設(shè)備和水下安裝的SPCS設(shè)備，通過(guò)水下通訊系統(tǒng)進(jìn)行通訊。水下通訊系統(tǒng)指上部安裝的SPCS 設(shè)備和水下安裝的SPCS 設(shè)備之間的通訊，服務(wù)于SPCS，是水上和水下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)連接。目前，水下通訊主要采用光纖通訊、數(shù)字用戶線路（Digital Subscriber Line，DSL）通訊、電力載波通訊[5,6]或多種通訊方式組合等形式[4]。由于不同項(xiàng)目的通訊距離、通訊速率、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，需要根據(jù)項(xiàng)目具體情況選擇不同的通訊方式。

1 水下通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水下通訊系統(tǒng)服務(wù)于SPCS，通過(guò)臍帶纜中的通訊線芯連接水上水下設(shè)備。如圖1 所示為典型的SPCS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 典型SPCS結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical SPCS architecture diagram

如圖1 所示，上部依托設(shè)施通過(guò)主臍帶纜與主水下分配單元（Subsea Distribution Unit，SDU）SDU A 連接，SDU A 作為水下的控制分配中心，將主臍帶纜中的電力、液壓、控制信號(hào)、化學(xué)藥劑通過(guò)內(nèi)部臍帶纜分配到SDU B 和SDU C；SDU B 和SDU C 為井群內(nèi)部分配單元，通過(guò)通訊將各種信號(hào)分配到附近的水下采油樹(shù)及管匯。

從圖1 中可以看出，水上到水下設(shè)備之間的通訊主要包括以下3 個(gè)部分：

1）上部設(shè)施和主SDU 之間的通訊，即主臍帶纜中的通訊。該部分通訊負(fù)責(zé)整個(gè)水下系統(tǒng)與水上依托設(shè)施的通訊，通訊量大。當(dāng)依托設(shè)施與井口區(qū)距離較遠(yuǎn)時(shí)，通訊距離長(zhǎng)。

2）主SDU 和內(nèi)部SDU 之間的通訊，即內(nèi)部臍帶纜中的通訊。該部分通訊負(fù)責(zé)單個(gè)井群與主SDU 之間的通訊，通訊量中等。通訊距離與井群與主SDU 之間的距離有關(guān)。

3）SDU 和采油樹(shù)或管匯之間的通訊，即跨接纜中的通訊。該部分通訊負(fù)責(zé)單個(gè)采油樹(shù)或管匯的通訊，通訊量小，通訊距離較短，通常在100m 左右。

本文將根據(jù)3 個(gè)部分的通訊要求，結(jié)合不同通訊方案的特點(diǎn)，對(duì)水下通訊系統(tǒng)通訊方式進(jìn)行了研究。

2 水下通訊類型

如前所述，目前能夠滿足水下通訊系統(tǒng)要求的通訊方式主要有光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊。水下通訊系統(tǒng)中常常將多種通訊方式組合使用，以適應(yīng)不同項(xiàng)目對(duì)于通訊距離和通訊速率的要求。

2.1 光纖通訊

光纖通訊是一種通過(guò)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄓ嵎绞剑哂型ㄓ嵥俣瓤?、通訊距離遠(yuǎn)及不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。目前，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的通訊距離已超過(guò)150km，且大部分水下通訊系統(tǒng)要求無(wú)中繼通訊。因此，光纖通訊被廣泛應(yīng)用于水下通訊系統(tǒng)。

光纖通訊在水下通訊系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)：①通訊距離遠(yuǎn)，能夠適用于通訊距離遠(yuǎn)的項(xiàng)目；②通訊速率快，在170km 的通訊距離下仍然能達(dá)到100Mb/s 的通訊速度。光纖通訊的缺點(diǎn)：①水下光纖濕式接頭價(jià)格昂貴，增加投資成本；②水下光纖濕式接頭多次插拔后可靠性降低；③水上、水下均需設(shè)置光纖調(diào)制解調(diào)器及交換設(shè)備，可能導(dǎo)致SDU 體積增大；④臍帶纜中需增加光纖線束。

2.2 DSL通訊

DSL 通訊即數(shù)字用戶線路，是近年來(lái)興起的通訊技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于水下通訊系統(tǒng)。DSL 通過(guò)特殊的調(diào)制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率的通訊，并且可以使用不同直徑的雙絞電纜作為傳輸介質(zhì)，適合于水下通訊系統(tǒng)的應(yīng)用。

DSL 通訊在水下通訊系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)：①通訊速率較快，15km 通訊距離時(shí)能達(dá)到192kb/s 的通訊速度；②可以使用雙絞電纜作為傳輸介質(zhì)，通常臍帶纜中的電纜為4芯雙絞線，1 對(duì)作為供電電纜，另1 對(duì)作為DSL 通訊電纜。DSL 通訊的缺點(diǎn)：①水上、水下需要安裝DSL 調(diào)制解調(diào)器及交換設(shè)備；②需要單獨(dú)的通訊電纜；③通訊距離最遠(yuǎn)只能到15km。

2.3 電力載波通訊

電力載波通訊是將通訊信號(hào)加載在電力電纜上，不需要額外的通訊電纜即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸。電力載波通訊能夠達(dá)到較遠(yuǎn)的通訊距離，可以適用于通訊量較小的通訊系統(tǒng)中，或作為其他通訊方式的備用通訊。

電力載波通訊在水下通訊系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)：①不需要額外的通訊電纜，直接將信號(hào)加載到電力電纜；②水下不需要增加通訊設(shè)備；③通訊距離遠(yuǎn)，低速通訊能達(dá)到100km 以上。電力載波通訊的缺點(diǎn)：①通訊速率慢，通常小于100kb/s，距離大于40km 時(shí)，小于20kb/s；②輸電過(guò)程中如有變壓器等設(shè)備，需要增加橋接設(shè)備。

3 種通訊方式的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 3種通訊方式對(duì)比Table 1 Comparison of 3 communication types

3 水下通訊系統(tǒng)方案

水下通訊系統(tǒng)通常為一種通訊方式或多種通訊方式的組合。以圖1 所示的系統(tǒng)為例，適用的通訊方案包括：

方案一：通訊系統(tǒng)全部采用一種通訊方式。

方案二：主臍帶纜和內(nèi)部臍帶纜采用光纖通訊，跨接纜采用DSL/電力載波通訊。

方案三：主臍帶纜通訊采用光纖通訊，內(nèi)部臍帶纜和跨接纜采用DSL/電力載波通訊。

3.1 方案一：?jiǎn)我煌ㄓ嵎绞?/h3>

方案一的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 方案一通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Scheme 1 communication system structure diagram

整個(gè)系統(tǒng)使用相同的通訊方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要不同通訊方式之間的轉(zhuǎn)換設(shè)備。根據(jù)通訊方式不同，方案一又可分為以下幾種方案：

1）通訊方式為光纖通訊。需要在采油樹(shù)上設(shè)置光纖濕式插拔接頭，若由于修井等原因進(jìn)行多次光纖接頭插拔，將導(dǎo)致光纖接頭可靠性大幅降低。另外，由于光纖接頭價(jià)格昂貴，整個(gè)通訊系統(tǒng)的投資將大幅提高。因此，在工程中很少采用光纖直接到采油樹(shù)的通訊方式，目前這種方式亦沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。

2）通訊方式為電力載波。這種方式通訊速率最低，多見(jiàn)于回接到已有依托設(shè)施的邊際油田，井口數(shù)較少，通訊數(shù)據(jù)較少。

3）通訊方式為DSL。這種方式通訊速率高，適應(yīng)性較強(qiáng)，但是通訊距離較短。適用于井口數(shù)適中，通訊量較大，通訊距離短的項(xiàng)目。

3.2 方案二：光纖通訊至水下

方案二的結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 方案二通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Scheme 2 communication system structure diagram

該方案中，通訊距離最長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量最大的主臍帶纜通訊采用了光纖通訊，通訊距離較短、通訊量較少的部分采用了DSL/電力載波通訊。這種方式只使用了少量的光纖接頭，且光纖接頭僅在SDU 中使用，插拔次數(shù)很少，并且滿足了長(zhǎng)距離、大數(shù)據(jù)量的要求，是工程實(shí)踐中常用的通訊方式。

該方案的缺點(diǎn)是要使用多種傳輸介質(zhì)、通訊協(xié)議，不同通訊方式直接需要轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)接，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

3.3 方案三：光纖通訊至井口群

方案三的結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 方案三通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Scheme 3 communication system structure diagram

該方案與方案二類似，只是該方案的光纖通訊進(jìn)一步延伸到內(nèi)部臍帶纜。由于水下儀表系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的智能儀表被用于水下生產(chǎn)，同時(shí)水下與水上的通訊數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，在DSL 不能滿足單個(gè)井群的通訊量時(shí)，應(yīng)考慮使用光纖作為內(nèi)部臍帶纜通訊方式。

該方案與方案二比較，增加了較多的光纖接頭，投資成本提高，但是光纖接頭位于SDU，生產(chǎn)期內(nèi)幾乎不需要插拔，可靠性有保證。

4 水下通訊系統(tǒng)的初步計(jì)算

在項(xiàng)目的方案選擇或可行性研究階段，通常需對(duì)通訊方案進(jìn)行初步的計(jì)算，以確保通訊系統(tǒng)能夠滿足項(xiàng)目要求。

水下通訊系統(tǒng)的初步計(jì)算主要是計(jì)算整個(gè)通訊線路的衰減，通過(guò)與收發(fā)器最大允許的衰減范圍進(jìn)行比較來(lái)初步確定方案是否可行。衰減計(jì)算采用如下公式：

式（1）中：Lt為總的信號(hào)衰減，dB；Lcablei為第i 段線纜的單位長(zhǎng)度信號(hào)衰減，dB/km；lcablei為第i 段線纜的長(zhǎng)度，km；Lconj為信號(hào)在第j 個(gè)接頭上的衰減，dB。

下面以第3 節(jié)中方案二為例進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)主臍帶纜長(zhǎng)度為60km，為單模光纖通訊；最長(zhǎng)的內(nèi)部臍帶纜（SDU A 到SDU B）長(zhǎng)度為10km，導(dǎo)體面積16mm2，通訊方式為DSL；最長(zhǎng)跨接纜長(zhǎng)度為0.1km，導(dǎo)體面積16mm2，通訊方式為DSL。

4.1 光纖通訊初步計(jì)算

首先，應(yīng)確定光纜單位長(zhǎng)度的信號(hào)衰減以及單個(gè)光纖接頭的信號(hào)衰減，一般可通過(guò)廠家資料或理論計(jì)算獲得，本例中采用以下數(shù)據(jù)：①光纖類別：?jiǎn)文９饫w；②光纖信號(hào)衰減：0.25dB/km；③單個(gè)熔接衰減：0.05 dB/km；④熔接點(diǎn)數(shù)：假設(shè)每20km 一個(gè)；⑤單個(gè)干式接頭衰減：0.25dB/km；⑥單個(gè)濕式接頭衰減：0.5dB/km。其次，應(yīng)確定光纖收發(fā)機(jī)的最大允許衰減，本例選擇為常用的38dB。

對(duì)各段衰減計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 光纖信號(hào)衰減計(jì)算Table 2 Optical fiber signal attenuation calculation

從表2 中可以看出，光纖衰減為18.3625 dB，小于38 dB，并具有19.6375 dB 的裕量，光纖方案合理可靠。

4.2 DSL通訊初步計(jì)算

首先，應(yīng)確定通訊電纜單位長(zhǎng)度的信號(hào)衰減，通常接頭處的接觸電阻很小，引起的衰減可忽略不計(jì)，本例中采用以下數(shù)據(jù)：①通訊方式：DSL；②通訊頻率：100 kHz～450 kHz；③通訊電纜導(dǎo)體截面積：16mm2；④信號(hào)衰減：0.9 dB/km。其次，應(yīng)確定DSL 收發(fā)機(jī)的最大允許衰減，本例選擇為常用的50 dB。

對(duì)各段衰減計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 DSL信號(hào)衰減計(jì)算Table 3 DSL signal attenuation calculation

從表3 中可以看出，DSL 信號(hào)衰減為9.18 dB，小于50 dB，并具有40.82 dB 的裕量，方案合理可靠。

應(yīng)當(dāng)注意，本文所述的計(jì)算方法只適用于初步計(jì)算，一般情況下所得結(jié)果較為保守，在后續(xù)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)結(jié)合具體的設(shè)備以及信道特征進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了目前常用的3 種水下通訊方式，包括光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊，并對(duì)3 種通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍進(jìn)行了討論，在此基礎(chǔ)上提出了水下通訊系統(tǒng)的常用方案及各方案的適用范圍，得出如下結(jié)論：

1）水下通訊系統(tǒng)為SPCS 提供服務(wù)，主要通訊方式有光纖通訊、DSL 通訊和電力載波通訊，各種方式有各自的特點(diǎn)和適用范圍，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

2）對(duì)于小型油田、邊際油田回接等數(shù)據(jù)量較少、通訊速率要求低的項(xiàng)目，可以采用電力載波通訊的方式。

3）對(duì)于通訊距離較短，通訊速率要求較高的項(xiàng)目，可以采用DSL 通訊方式。

4）對(duì)于通訊距離長(zhǎng)、通訊量大的大型項(xiàng)目，應(yīng)采用光纖和DSL/電力載波通訊結(jié)合的通訊方式。

5）電力載波可以作為其他通訊方式的備用通訊，在主通訊故障時(shí)可以傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

6）通過(guò)計(jì)算可以初步驗(yàn)證通訊系統(tǒng)方案的合理性。