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任公司，西安 710018；2.陜西科技大學鎬京學院，陜西 咸陽 712046；3.長慶油田第五采氣廠，西安 710018)

在油田數字化發展趨勢下，油氣田開發、生產過程中需要將分散在一定區域內的多個生產點(如抽油井或采氣井)的工況數據傳送到監控中心，以便進行集中監控或數據處理[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境比較復雜，存在無線通信設備易被偷盜及破壞等問題。為此，根據油田發展需要，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數據的傳輸。

1 管道通信方法的基本原理①

利用單管道進行數據傳輸的基本設計思想是用管道和大地作為通信介質來傳輸信號。管道通信線路前端機和終端機均有兩個端口：D口(數字口)和A口(模擬口)。線路前端機的D口接SCADA系統或DCS系統的計算機數據端口；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大于30m的接地極上。線路終端機的D口接現場RTU的數字端口；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大于30m的接地極上。前端機和終端機A口的接地極接地電阻要求小于3Ω。抽油機數據采集監控系統中，利用管道通信機進行數據通信的安裝接線如圖1所示。

圖1 管道通信機的數據通信安裝接線示意圖

將圖1簡化為圖2，闡述其通信原理。監控室計算機或現場RTU發送信號時，線路端機將D口切換為輸入端，A口切換為輸出端，數字信號經處理調制成載頻信號[2]，自A口發送到管線和接地極上。A口的負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口發送出的電流被埋地管道吸收，電流密度在管道的發送端最大。假設在管道埋地的地域內地電阻是均勻的，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的A口上有一個微小的信號壓降，這個信號壓降經線路終端機濾波放大、解調、整形后，

從數字端口D輸出，完成數字信號的傳輸。這種傳輸和接收是雙向的，受數字設備的端口協議控制。設計線路端機時，前端機和終端機只是安裝位置不同，功能是相同和對稱的，同一個線路端機既可安裝在線路前端又可安裝在線路終端，信號的發送和接收是雙向的。當現場監測點是多點時(如多個油井的信號采集和監控)，可用RS-485協議完成多個站場的數據采集和監控。

圖2 管道通信機進行數據通信時 安裝接線簡化示意圖

2 管道通信實現方式

按照常規工程設計思想，管道與接地極同時埋地時，工程上認為兩者之間是短路的。但理論上兩者之間存在微小的阻抗，其集中參數等效電路如圖3所示。

圖3 集中參數等效電路

圖3中，L是把管道看作明線時的電感，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個參數中L比明線時小；C隨管道的粗細而定，一般均比明線時大[3]。如果合理選擇傳輸系統的載波頻率，則L和C可忽略不計，起決定作用的參數是R。R是接地極的接地電阻RJ和管道的接地電阻RG的串聯，即：

R=RJ+RG

管道的接地電阻RG在數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沿管道長度l方向上積分的倒數，即：

其中，ρ(x)是一個非常復雜的函數，與土壤性質、天氣、管道直徑、管道長度、地下管網結構、管道是否防腐處理以及施工質量等因素有關。經粗略估算R值很小，因此當管道前端與接地極間發送一個一定功率的信號時，在管道末端信號電平是相當小的。經試驗分析，對于DN60mm的無縫鋼管，在甘肅黃土高原地區，管道無防腐處理深1m、管道長度為2km時，管道前端信號為1W·h，管道末端能獲得大約2mV 的信號。

前端機與終端機的工作原理如圖4所示，前端機與終端機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、解調電路、整形放大電路、模擬量電子開關、數字量電子開關、功率放大器、調制電路、載頻發生電路和收發控制電路。模擬量電子開關輸入端一方面經管道和大地接收管道送來的信息，另一方面向管道發送經功率放大器放大的調制信號。調制信號由載頻發生電路和整形放大電路控制；接收與發送由收發控制電路控制。從管道上接收的信息經限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調電路和整形放大電路分別處理后，送入數字量電子開關輸入端。數字電子開關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：一路控制收發控制電路打開模擬電子開關用于向管道發送數字信號，另一路由調制電路、載頻發生電路和功率放大器處理，并通過模擬電子開關向管道發送命令和信息[4]。

圖4 前端機與終端機電路工作原理框圖

在油田抽油井數據采集監控系統中，地下管道連在一起，且管網龐大，因此接地電阻比單管的小，故需增大發送數據時的發送功率。對于特定的管網系統，使用地下管道和地作為通信介質時，要進行現場測試以確定端機的發送功率。

3 結束語

利用單管道進行數據傳輸的通信方式，解決了偏遠地區油氣田井站數據的傳輸問題，實現了偏遠地區油氣田的數字化管理。由于設備可埋地處理，避免了無線通信設備被偷盜及破壞等問題，節省了儀表控制系統的投資，提高了油氣田數字化管理水平。管道通信機不但可用于油氣田，還可用于具有地下管網系統且地面情況復雜的城市、企業及生活小區等。