水下生產控制系統(tǒng)通訊設計研究

譚壯壯，曲文星

（中國石油集團海洋工程有限公司，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%來自深水海域，隨著勘探技術的不斷提高，這一占比還會繼續(xù)提高。在深水海域的油氣田開發(fā)中，水下生產系統(tǒng)是主要的開發(fā)方式。設置于海底的水下油氣井采出物經過水下采油樹、水下管匯、海底管道以及立管等設施輸送到依托設施進行處理[1-3]。

在水下生產系統(tǒng)中，由于水下采油樹和水下管匯等設備位于水下，通常人員無法到達，日常操作以及緊急情況下的控制需要通過遠程控制系統(tǒng)來進行。水下生產系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，即水下生產控制系統(tǒng)（Subsea Production Control System,SPCS），是水下生產系統(tǒng)的重要組成部分，為水下生產提供安全、可靠、高效的數據采集和監(jiān)控功能，并提供了與依托設施控制系統(tǒng)的接口。SPCS 通過水下采油樹、水下管匯等水下設施上的水下控制模塊（Subsea Control Module，SCM）來完成對水下閥門的操作，并對水下儀表和各控制模塊進行監(jiān)控[4]。

SPCS 分為上部安裝的SPCS 設備和水下安裝的SPCS設備，通過水下通訊系統(tǒng)進行通訊。水下通訊系統(tǒng)指上部安裝的SPCS 設備和水下安裝的SPCS 設備之間的通訊，服務于SPCS，是水上和水下設備之間的數據連接。目前，水下通訊主要采用光纖通訊、數字用戶線路（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]。由于不同項目的通訊距離、通訊速率、控制系統(tǒng)結構不同，需要根據項目具體情況選擇不同的通訊方式。

1 水下通訊系統(tǒng)結構

水下通訊系統(tǒng)服務于SPCS，通過臍帶纜中的通訊線芯連接水上水下設備。如圖1 所示為典型的SPCS 系統(tǒng)結構圖。

圖1 典型SPCS結構圖Fig.1 Typical SPCS architecture diagram

如圖1 所示，上部依托設施通過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、化學藥劑通過內部臍帶纜分配到SDU B 和SDU C；SDU B 和SDU C 為井群內部分配單元，通過通訊將各種信號分配到附近的水下采油樹及管匯。

從圖1 中可以看出，水上到水下設備之間的通訊主要包括以下3 個部分：

1）上部設施和主SDU 之間的通訊，即主臍帶纜中的通訊。該部分通訊負責整個水下系統(tǒng)與水上依托設施的通訊，通訊量大。當依托設施與井口區(qū)距離較遠時，通訊距離長。

2）主SDU 和內部SDU 之間的通訊，即內部臍帶纜中的通訊。該部分通訊負責單個井群與主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。

3）SDU 和采油樹或管匯之間的通訊，即跨接纜中的通訊。該部分通訊負責單個采油樹或管匯的通訊，通訊量小，通訊距離較短，通常在100m 左右。

本文將根據3 個部分的通訊要求，結合不同通訊方案的特點，對水下通訊系統(tǒng)通訊方式進行了研究。

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，以適應不同項目對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將電信號轉換為光信號進行傳輸的通訊方式，具有通訊速度快、通訊距離遠及不受電磁干擾等優(yōu)點。目前，水下生產系統(tǒng)的通訊距離已超過150km，且大部分水下通訊系統(tǒng)要求無中繼通訊。因此，光纖通訊被廣泛應用于水下通訊系統(tǒng)。

光纖通訊在水下通訊系統(tǒng)中應用的優(yōu)點：①通訊距離遠，能夠適用于通訊距離遠的項目；②通訊速率快，在170km 的通訊距離下仍然能達到100Mb/s 的通訊速度。光纖通訊的缺點：①水下光纖濕式接頭價格昂貴，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、水下均需設置光纖調制解調器及交換設備，可能導致SDU 體積增大；④臍帶纜中需增加光纖線束。

2.2 DSL通訊

DSL 通訊即數字用戶線路，是近年來興起的通訊技術，目前已廣泛應用于水下通訊系統(tǒng)。DSL 通過特殊的調制技術，能夠實現(xiàn)遠距離、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，適合于水下通訊系統(tǒng)的應用。

DSL 通訊在水下通訊系統(tǒng)中應用的優(yōu)點：①通訊速率較快，15km 通訊距離時能達到192kb/s 的通訊速度；②可以使用雙絞電纜作為傳輸介質，通常臍帶纜中的電纜為4芯雙絞線，1 對作為供電電纜，另1 對作為DSL 通訊電纜。DSL 通訊的缺點：①水上、水下需要安裝DSL 調制解調器及交換設備；②需要單獨的通訊電纜；③通訊距離最遠只能到15km。

2.3 電力載波通訊

電力載波通訊是將通訊信號加載在電力電纜上，不需要額外的通訊電纜即可實現(xiàn)信號傳輸。電力載波通訊能夠達到較遠的通訊距離，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)中應用的優(yōu)點：①不需要額外的通訊電纜，直接將信號加載到電力電纜；②水下不需要增加通訊設備；③通訊距離遠，低速通訊能達到100km 以上。電力載波通訊的缺點：①通訊速率慢，通常小于100kb/s，距離大于40km 時，小于20kb/s；②輸電過程中如有變壓器等設備，需要增加橋接設備。

3 種通訊方式的對比見表1。

表1 3種通訊方式對比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，內部臍帶纜和跨接纜采用DSL/電力載波通訊。

3.1 方案一：單一通訊方式

方案一的結構圖如圖2 所示。

圖2 方案一通訊系統(tǒng)結構圖Fig.2 Scheme 1 communication system structure diagram

整個系統(tǒng)使用相同的通訊方式，這種方式結構簡單，不需要不同通訊方式之間的轉換設備。根據通訊方式不同，方案一又可分為以下幾種方案：

1）通訊方式為光纖通訊。需要在采油樹上設置光纖濕式插拔接頭，若由于修井等原因進行多次光纖接頭插拔，將導致光纖接頭可靠性大幅降低。另外，由于光纖接頭價格昂貴，整個通訊系統(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的通訊方式，目前這種方式亦沒有現(xiàn)場應用的經驗。

2）通訊方式為電力載波。這種方式通訊速率最低，多見于回接到已有依托設施的邊際油田，井口數較少，通訊數據較少。

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

3.2 方案二：光纖通訊至水下

方案二的結構圖如圖3 所示。

圖3 方案二通訊系統(tǒng)結構圖Fig.3 Scheme 2 communication system structure diagram

該方案中，通訊距離最長、數據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，插拔次數很少，并且滿足了長距離、大數據量的要求，是工程實踐中常用的通訊方式。

該方案的缺點是要使用多種傳輸介質、通訊協(xié)議，不同通訊方式直接需要轉換設備進行轉接，增加了系統(tǒng)的復雜度。

3.3 方案三：光纖通訊至井口群

方案三的結構圖如圖4 所示。

圖4 方案三通訊系統(tǒng)結構圖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一步延伸到內部臍帶纜。由于水下儀表系統(tǒng)的不斷發(fā)展，越來越多的智能儀表被用于水下生產，同時水下與水上的通訊數據量越來越大，在DSL 不能滿足單個井群的通訊量時，應考慮使用光纖作為內部臍帶纜通訊方式。

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，生產期內幾乎不需要插拔，可靠性有保證。

4 水下通訊系統(tǒng)的初步計算

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

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

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

下面以第3 節(jié)中方案二為例進行計算，假設主臍帶纜長度為60km，為單模光纖通訊；最長的內部臍帶纜（SDU A 到SDU B）長度為10km，導體面積16mm2，通訊方式為DSL；最長跨接纜長度為0.1km，導體面積16mm2，通訊方式為DSL。

4.1 光纖通訊初步計算

首先，應確定光纜單位長度的信號衰減以及單個光纖接頭的信號衰減，一般可通過廠家資料或理論計算獲得，本例中采用以下數據：①光纖類別：單模光纖；②光纖信號衰減：0.25dB/km；③單個熔接衰減：0.05 dB/km；④熔接點數：假設每20km 一個；⑤單個干式接頭衰減：0.25dB/km；⑥單個濕式接頭衰減：0.5dB/km。其次，應確定光纖收發(fā)機的最大允許衰減，本例選擇為常用的38dB。

對各段衰減計算見表2。

表2 光纖信號衰減計算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通訊初步計算

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

對各段衰減計算見表3。

表3 DSL信號衰減計算Table 3 DSL signal attenuation calculation

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

應當注意，本文所述的計算方法只適用于初步計算，一般情況下所得結果較為保守，在后續(xù)設計中，還應結合具體的設備以及信道特征進行仿真模擬驗證方案。

5 結束語

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3 種通訊方式的優(yōu)缺點、適用范圍進行了討論，在此基礎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，得出如下結論：

1）水下通訊系統(tǒng)為SPCS 提供服務，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和適用范圍，工程設計中應根據項目特點進行選擇。

2）對于小型油田、邊際油田回接等數據量較少、通訊速率要求低的項目，可以采用電力載波通訊的方式。

3）對于通訊距離較短，通訊速率要求較高的項目，可以采用DSL 通訊方式。

4）對于通訊距離長、通訊量大的大型項目，應采用光纖和DSL/電力載波通訊結合的通訊方式。

5）電力載波可以作為其他通訊方式的備用通訊，在主通訊故障時可以傳輸關鍵數據。

6）通過計算可以初步驗證通訊系統(tǒng)方案的合理性。