光纤通信的水下生产控制系统研究范文

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摘要：介绍基于光纤通信的水下生产控制系统的主要构成，对水下光纤通信网络的开放式架构进行分析，同时分析计算了某油田水下光纤通信系统的信号衰减，为深水油气田水下光纤通信系统的设计提供借鉴。

关键词：水下生产控制系统；光纤通信；深水油气田；信号衰减

随着陆地石油产量的日趋萎缩，石油开采转向海洋已成为必然趋势。近十年来发现的超过亿吨级的大型油气田中，60%～70%都来自海洋，其中约40%位于深水区。随着深水油气田开发建设的提速，水下生产系统开发模式得到了广泛应用。水下生产系统相对于导管架平台的建设而言更为经济，也是深水开发的主要模式之一［1］。基于光纤通信的水下生产控制系统突破了传统水下电缆通信中控制信号和监测数据的传输速率瓶颈，使得远距离水下生产系统的回接成为可能。笔者以某油田水下光纤通信系统为背景，研究其水下光纤通信网络的开放式架构，并计算其通信系统的信号衰减值，为深水油气田水下光纤通信系统的设计提供借鉴。

1水下生产系统

典型的水下生产系统开发模式如图1所示，水下区块通过脐带缆和立管回接到深水浮式生产设施，水下生产状态信息通过脐带缆中的光纤上传至深水浮式生产设施的中控系统，控制信号也通过光纤下达。水下生产控制系统相当于整个水下生产系统的“大脑”，包括上部设备和水下设备。上部设备的主要作用是向水下设备提供电力和液压动力，同时下达水下控制信号;水下设备包括水下控制模块(SCM)、水下阀门及其执行机构、水下传感器和多向流量计，水下设备主要负责执行控制逻辑、采集数据等。上部设备与水下设备通过脐带缆连接，共同保障水下生产系统的安全运营。水下通信系统为水下油气生产提供大数据传输服务，对保障油气田长期、稳定、安全运营至关重要。在图1所示的水下生产系统中，光纤是大数据上传下达的关键路由。相对于电缆通信而言，光纤通信具有以下优点:a．频带宽、容量大。频带宽约200THz，常用1．31、1．55μm波长窗口的频带宽20THz以上。b．损耗低、无中继距离长。目前广泛使用的石英光纤损耗约0．2dB/km，国际上实际应用的水下生产控制系统远距离光纤通信回接距离已达160km。c．抗电磁干扰。光纤是绝缘材料，不受周围环境电磁场的干扰，因此可以将它与高压输电线制成复合电缆，也可以将它与增压泵等泵类输电线一起合并在脐带缆中。d．无串音干扰、保密性好。光波在光缆中传输，很难从光纤中泄漏出来，即使在弯曲半径很小的情况下，辐射出的光波也十分微弱，即使光缆内光纤总数很多，也可以实现无串音干扰。e．光纤线径细、重量轻、原材料丰富。八芯光缆的横截面直径仅为10mm左右，所占空间很小，重量也要比电缆轻很多。原材料丰富，使用光缆可以节约大量的金属材料。

2基于光纤通信的水下生产控制系统

不同于传统的水下生产控制系统，基于光纤通信的水下生产控制系统可以采用标准通信协议和数据接口，从而形成扩展性极强的开放式架构［2］，如图2所示。水上部分包括工作站(OWS)、紧急关断系统(ESD)、主控站(MCS)、应急电源(UPS)、水下供电与通信单元(SPCU)、化学药剂注入单元(CIU)及液压单元(HPU)等。水上设施通过上部脐带缆终端总成(TUTA)，经由脐带缆与水下生产系统建立连接。水下部分包括水下脐带缆终端单元(UTA)、水下路由模块(SRM)、水下控制模块(SCM)及与SCM连接的采油树/管汇阀门、水下温度/压力传感器、多相流量计、直接连接到SRM的可扩展水下视频监测系统(CCTV)、水听器、水下井口头振动监测及水下结构物应力应变监测等传感监测设备。增加的SRM能够将SCM从繁重的数据传输和网络管理任务中解放出来，并扩展水下光纤通信网络对水下生产系统运营状态的监测和管理功能。基于光纤通信的水下生产控制系统允许MCS和水下多个监测设备直接通信，完成视频信号、水下声波探测信号、振动信号及应力应变信号等数据的高速传输，传输过程中的网络管理和冲突检测均由专门的网络设备处理，这种开放式的架构还可以为其他相关传感器在未来的接入预留电气接口与机械接口，在一定程度上减轻项目初期的设计和采购复杂度。水下路由模块(SRM)有两个关键作用:其一，经过光电转换，将脐带缆中光纤传送而来的光信号转换为电信号，并通过电飞线将它传输至采油树和管汇的SCM，或直接通过光纤与CCTV等设备建立直接握手通信;其二，将脐带缆传输来的电力配送至水下生产系统中的各个用电设备。可见，SRM是基于光纤通信的水下生产控制系统核心部件之一，应加大SRM的国产化研发力度。此外，基于光纤通信的水下生产控制系统有助于实现水下控制系统数据传输与管理的标准化，它的应用将加速水下生产控制系统的发展，很多新型水下监测设备不会再因为数据量过大或速率要求过高而无法在水下油气田中应用，光纤通信本身的高可靠性也将使水下生产控制系统的功能性增强。

3某油田水下光纤通信系统的信号衰减分析

某油田设计采用水下光纤通信系统实现MCS与SRM之间的通信，从SRM到SCM采用电缆通信。对该油田水下光纤通信系统的信号衰减情况进行计算。水下光纤通信系统包含:a．23．1km主脐带缆，从TUTA至UTA;b．一根光纤飞线(OFL)，从UTA至水下分配单元(SDU);c．SDU中包含SRM，SRM中含有光/电转换单元和电开关功能;d．还包含10根EFL电飞线，分别将10个SCM连接到SRM。不同于水下电力载波通信信道的频率选择性衰减特性［3］，水下光纤通信的衰减曲线随光信号波长变化，如图3所示。光纤通信波长范围在0．8～2．0μm，属电磁波谱中的近红外区，同时也是光纤的低损耗区域，或称为低损耗窗口。其中0．8～1．0μm为短波长段，1．0～2．0μm为长波长段。常用的光纤通信中心波长有0．85、1．31、1．55μm。需要注意的是，0．8～2．0μm波段内有3个氢氧根离子(OH－)的吸收峰，会增大光信号的衰减，对于水下光纤通信来说，光缆的外护套和水下光纤接头需做防水处理。某油田水下光纤通信的中心波长为1550nm，其光纤通信系统衰减分析见表1。通过对表1中的衰减进行合并计算，得到某油田水下光纤通信系统最小衰减8．33dB，最大衰减9．03dB。按照38．00dB的水下光纤通信接收机灵敏度分析，该油田光纤通信信号衰减完全满足通信质量要求。该油田的SRM到SCM采用电缆通信，由于电力飞线(EFL)较短(约50m)，电缆通信质量可以得到很好的保证。

4结束语

对基于光纤通信的水下生产控制系统的开放式架构进行了研究，借助于可扩展的水下路由模块(SRM)，实现水下控制系统大数据传输和管理的标准化。同时对某油田水下光纤通信系统光信号的衰减进行计算分析，为未来深水油气田采用基于光纤通信的水下生产控制系统的设计与分析提供重要参考。

参考文献

［1］吴永鹏．水下生产系统的设计和应用［J］．船海工程，2015，44(5):25～27．

［2］刘太元，郭宏，闫嘉钰．基于光纤的开放式架构水下生产控制系统研究与应用［J］．化工自动化及仪表，2012，39(2):209～211，235．

［3］田佳，洪毅，郭宏，等．水下电力载波通信系统线路衰减分析［J］．电力信息与通信技术，2015，13(7):32～37．

作者：田佳 洪毅 徐正海 尹丰 朱春丽 单位：中海油研究总院有限责任公司