單立柱系泊生產平臺通信系統研究

王東，朱為全，劉超，申輝，劉波

（1.北京高泰深海技術有限公司天津分公司，天津 300451；2.北京高泰深海技術有限公司，北京 102209；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

在我國的淺水海域（主要在渤海），已探明很多邊際油田。所謂邊際油田，是指那些探明儲量較小（單個油田可采儲量大約在10～200 萬t之間）、地理位置分散且與其他大油田的距離較遠、采用傳統開發模式經濟效益較差的油田。針對淺水邊際油田，我國已成功采用了“三一”和“蜜蜂式”兩種開發模式，并實現了很好的經濟效益。

現有的已使用的邊際油田采油系統或在設計中并沒有一種系統能夠同時滿足以下所有需求：1）針對單個孤立的淺水邊際油田，采用一套系統能夠同時具備修井、生產、動力、儲油、外輸、生活所有功能，同時設施數量盡可能少，投入成本盡可能低；2）正常工作狀態下可同時進行修井，而不需要停產；3）儲油的空間足夠大，可達到1～3萬t；4）抵抗惡劣海洋環境能力強，能夠抵擋50年一遇海況，并且在一年一遇的海況下不停產；5）面對100年一遇的極端惡劣海況時，可進行快速解脫。

針對這項需求，本文提出一種緊湊型淺水立柱式修井生產儲卸油系統的概念，即單立柱式井口單點系泊系統，專門針對單個孤立的淺水邊際油田的開發。通信系統作為單立柱系泊生產平臺的神經系統，對整個系統起到了至關重要的作用，通信系統的實時性、安全性、穩定性也受到了極大的關注。

1 單立柱系泊生產平臺簡介

單立柱系泊生產平臺（SCM）依托浮式液化天然氣生產儲卸裝置（FPSO）進行生產，單SCM與FPSO通過軟剛臂連接，FPSO以SCM為圓心，以軟剛臂為半徑，圍繞SCM旋轉。SCM共設有6口生產井，產出液經多路閥后進入多相流量計進行計量，計量后的流體通過管道輸送至FPSO進行下一步處理，總體方案示意圖如圖1所示，詳細的連接方式如圖2所示。

圖1 總體方案示意圖

圖2 SCM單點系泊系統

2 單立柱系泊生產平臺通信系統

單立柱系泊生產平臺屬于海上邊際油田開發設施，其通信系統具有海洋石油平臺通信系統的所有功能，海洋石油平臺應有的通信系統及功能如表1所示。在本項目中考慮到SCM屬于無人設施且與FPSO通過軟剛臂連接，所以SCM和FPSO可視為一個整體，在FPSO上設置所需完整的通信系統，SCM和FPSO的通信系統可共用，實現SCM和FPSO之間的內部通信即可滿足單立柱系泊生產平臺的通信需求。

表1 海洋石油平臺通信系統一覽表[1]

傳統系泊系統中FPSO和海洋平臺之間的通信是通過光纖來實現的，海洋平臺的海底光纜從底部進入單點系統，在滑環堆棧系統設置光纖滑環，通過滑環進入FPSO的通信系統，實現信號的實時傳輸。本系統中的滑環堆棧系統位于SCM下方，滑環支腿的內部空間用于井口生產，光纜無法進入支腿內部，同時因為滑環內徑超過φ2500 mm，現有技術無法完成光纖滑環的制造，因此本實例不能采用光纖傳輸信號。為解決FPSO與SCM的信號傳輸問題，保證信號傳輸的安全性、穩定性、實時性，本實例設置了信號滑環，信號滑環采用8芯的CAT-5網線傳輸信號，在滑環堆棧系統的定子和轉子內分別設置網線接線箱，為保證網絡信號經過滑環時的穩定性，需在網線接線箱中設置信號放大器（發送器，接收器），網線從SCM接入滑環定子上的接線箱，相關信號經過放大后進入信號滑環，經滑環后進入轉子網線接線箱的信號放大器，經二次放大后進入FPSO的通信系統。FPSO上的信號也可通過此路徑進入到SCM的通信系統。

但由于滑環的質量較大，在保證支腿安全的條件下僅能設置1套信號滑環，無法實現信號傳輸的冗余。為實現信號傳輸的冗余，在SCM與FPSO之間設置一套獨立的無線通信系統。

3 通信系統無線傳輸技術的選用

本實例通信系統還有自己的獨有特點：1）傳輸距離較近，從SCM頂層甲板面到FPSO的船頭約為50～80 m；2）傳輸數據量大、傳輸速率要求高，閉路電視監控信號、電話信號、廣播報警信號、儀表監控信號、火氣監控信號等都要傳輸到FPSO的中控室，同時FPSO的中控室還能對SCM上的設備進行啟動、關停等操作，因此信號傳輸的上行及下行帶寬均能小于50 MB/s；3）傳輸終端位置不固定，FPSO圍繞著SCM不停地旋轉。

圖3 SCM 通信系統框圖

針對以上通信特點，對常用的無線通信技術的傳輸速率、傳輸距離、功耗、安全性和價格進行了比較。微波通信（Microwave Communication）是目前海洋平臺最常用的技術，但由于FPSO是圍繞SCM旋轉的，導致其無法實現點對點的數據傳輸，不能滿足本項目需求。藍牙（Bluetooth）、紫蜂協議（ZigBee）和超寬頻（Ultra WideBand）3種技術的傳輸速率太低，不能滿足本項目需求。第六代無線網絡技術（Wi-Fi 6）和第四代的移動信息技術（4G）在技術上滿足本項目需求，但經調研，一套基于第四代的移動信息技術（4G）的接收和發射設備費用較高（約合人民幣100 萬元），最終本項目選擇價格低廉的第六代無線網絡技術作為無線信號傳輸方案。

表2 常見無線傳輸技術比較

4 結語

單立柱系泊生產平臺作為一種新型的海洋石油生產裝置，其通信系統必須滿足國際海上人命安全公約和固定平臺安全規則等多種規范的要求。通信系統作為單立柱系泊生產平臺信號傳輸的通道，具有規模小、種類多、系統控制關系復雜等特點，因此要求在FPSO上設置全套通信系統，包括衛星地球站、電話系統、廣播娛樂報警系統、監視系統、全向無線電信標機、海事衛星、甚高頻調頻無線電話（VHF-FM）、甚高頻調幅無線電話（VHF-AM）、特高頻調頻無線電話（UHF-FM）、短波單邊帶無線電臺、應急無線電設備、氣象系統等系統，單立柱系泊生產平臺通過網線和Wi-Fi 6與FPSO進行雙向通信，這樣既符合了相關規范，又能大大節省成本。