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摘要：介紹基于光纖通信的水下生產控制系統的主要構成，對水下光纖通信網絡的開放式架構進行分析，同時分析計算了某油田水下光纖通信系統的信號衰減，為深水油氣田水下光纖通信系統的設計提供借鑒。

關鍵詞：水下生產控制系統；光纖通信；深水油氣田；信號衰減

隨著陸地石油產量的日趨萎縮，石油開采轉向海洋已成為必然趨勢。近十年來發現的超過億噸級的大型油氣田中，60%～70%都來自海洋，其中約40%位于深水區。隨著深水油氣田開發建設的提速，水下生產系統開發模式得到了廣泛應用。水下生產系統相對于導管架平臺的建設而言更為經濟，也是深水開發的主要模式之一［1］。基于光纖通信的水下生產控制系統突破了傳統水下電纜通信中控制信號和監測數據的傳輸速率瓶頸，使得遠距離水下生產系統的回接成為可能。筆者以某油田水下光纖通信系統為背景，研究其水下光纖通信網絡的開放式架構，并計算其通信系統的信號衰減值，為深水油氣田水下光纖通信系統的設計提供借鑒。

1水下生產系統

典型的水下生產系統開發模式如圖1所示，水下區塊通過臍帶纜和立管回接到深水浮式生產設施，水下生產狀態信息通過臍帶纜中的光纖上傳至深水浮式生產設施的中控系統，控制信號也通過光纖下達。水下生產控制系統相當于整個水下生產系統的“大腦”，包括上部設備和水下設備。上部設備的主要作用是向水下設備提供電力和液壓動力，同時下達水下控制信號;水下設備包括水下控制模塊(SCM)、水下閥門及其執行機構、水下傳感器和多向流量計，水下設備主要負責執行控制邏輯、采集數據等。上部設備與水下設備通過臍帶纜連接，共同保障水下生產系統的安全運營。水下通信系統為水下油氣生產提供大數據傳輸服務，對保障油氣田長期、穩定、安全運營至關重要。在圖1所示的水下生產系統中，光纖是大數據上傳下達的關鍵路由。相對于電纜通信而言，光纖通信具有以下優點:a．頻帶寬、容量大。頻帶寬約200THz，常用1．31、1．55μm波長窗口的頻帶寬20THz以上。b．損耗低、無中繼距離長。目前廣泛使用的石英光纖損耗約0．2dB/km，國際上實際應用的水下生產控制系統遠距離光纖通信回接距離已達160km。c．抗電磁干擾。光纖是絕緣材料，不受周圍環境電磁場的干擾，因此可以將它與高壓輸電線制成復合電纜，也可以將它與增壓泵等泵類輸電線一起合并在臍帶纜中。d．無串音干擾、保密性好。光波在光纜中傳輸，很難從光纖中泄漏出來，即使在彎曲半徑很小的情況下，輻射出的光波也十分微弱，即使光纜內光纖總數很多，也可以實現無串音干擾。e．光纖線徑細、重量輕、原材料豐富。八芯光纜的橫截面直徑僅為10mm左右，所占空間很小，重量也要比電纜輕很多。原材料豐富，使用光纜可以節約大量的金屬材料。

2基于光纖通信的水下生產控制系統

不同于傳統的水下生產控制系統，基于光纖通信的水下生產控制系統可以采用標準通信協議和數據接口，從而形成擴展性極強的開放式架構［2］，如圖2所示。水上部分包括工作站(OWS)、緊急關斷系統(ESD)、主控站(MCS)、應急電源(UPS)、水下供電與通信單元(SPCU)、化學藥劑注入單元(CIU)及液壓單元(HPU)等。水上設施通過上部臍帶纜終端總成(TUTA)，經由臍帶纜與水下生產系統建立連接。水下部分包括水下臍帶纜終端單元(UTA)、水下路由模塊(SRM)、水下控制模塊(SCM)及與SCM連接的采油樹/管匯閥門、水下溫度/壓力傳感器、多相流量計、直接連接到SRM的可擴展水下視頻監測系統(CCTV)、水聽器、水下井口頭振動監測及水下結構物應力應變監測等傳感監測設備。增加的SRM能夠將SCM從繁重的數據傳輸和網絡管理任務中解放出來，并擴展水下光纖通信網絡對水下生產系統運營狀態的監測和管理功能。基于光纖通信的水下生產控制系統允許MCS和水下多個監測設備直接通信，完成視頻信號、水下聲波探測信號、振動信號及應力應變信號等數據的高速傳輸，傳輸過程中的網絡管理和沖突檢測均由專門的網絡設備處理，這種開放式的架構還可以為其他相關傳感器在未來的接入預留電氣接口與機械接口，在一定程度上減輕項目初期的設計和采購復雜度。水下路由模塊(SRM)有兩個關鍵作用:其一，經過光電轉換，將臍帶纜中光纖傳送而來的光信號轉換為電信號，并通過電飛線將它傳輸至采油樹和管匯的SCM，或直接通過光纖與CCTV等設備建立直接握手通信;其二，將臍帶纜傳輸來的電力配送至水下生產系統中的各個用電設備。可見，SRM是基于光纖通信的水下生產控制系統核心部件之一，應加大SRM的國產化研發力度。此外，基于光纖通信的水下生產控制系統有助于實現水下控制系統數據傳輸與管理的標準化，它的應用將加速水下生產控制系統的發展，很多新型水下監測設備不會再因為數據量過大或速率要求過高而無法在水下油氣田中應用，光纖通信本身的高可靠性也將使水下生產控制系統的功能性增強。

3某油田水下光纖通信系統的信號衰減分析

某油田設計采用水下光纖通信系統實現MCS與SRM之間的通信，從SRM到SCM采用電纜通信。對該油田水下光纖通信系統的信號衰減情況進行計算。水下光纖通信系統包含:a．23．1km主臍帶纜，從TUTA至UTA;b．一根光纖飛線(OFL)，從UTA至水下分配單元(SDU);c．SDU中包含SRM，SRM中含有光/電轉換單元和電開關功能;d．還包含10根EFL電飛線，分別將10個SCM連接到SRM。不同于水下電力載波通信信道的頻率選擇性衰減特性［3］，水下光纖通信的衰減曲線隨光信號波長變化，如圖3所示。光纖通信波長范圍在0．8～2．0μm，屬電磁波譜中的近紅外區，同時也是光纖的低損耗區域，或稱為低損耗窗口。其中0．8～1．0μm為短波長段，1．0～2．0μm為長波長段。常用的光纖通信中心波長有0．85、1．31、1．55μm。需要注意的是，0．8～2．0μm波段內有3個氫氧根離子(OH－)的吸收峰，會增大光信號的衰減，對于水下光纖通信來說，光纜的外護套和水下光纖接頭需做防水處理。某油田水下光纖通信的中心波長為1550nm，其光纖通信系統衰減分析見表1。通過對表1中的衰減進行合并計算，得到某油田水下光纖通信系統最小衰減8．33dB，最大衰減9．03dB。按照38．00dB的水下光纖通信接收機靈敏度分析，該油田光纖通信信號衰減完全滿足通信質量要求。該油田的SRM到SCM采用電纜通信，由于電力飛線(EFL)較短(約50m)，電纜通信質量可以得到很好的保證。

4結束語

對基于光纖通信的水下生產控制系統的開放式架構進行了研究，借助于可擴展的水下路由模塊(SRM)，實現水下控制系統大數據傳輸和管理的標準化。同時對某油田水下光纖通信系統光信號的衰減進行計算分析，為未來深水油氣田采用基于光纖通信的水下生產控制系統的設計與分析提供重要參考。

參考文獻

［1］吳永鵬．水下生產系統的設計和應用［J］．船海工程，2015，44(5):25～27．

［2］劉太元，郭宏，閆嘉鈺．基于光纖的開放式架構水下生產控制系統研究與應用［J］．化工自動化及儀表，2012，39(2):209～211，235．

［3］田佳，洪毅，郭宏，等．水下電力載波通信系統線路衰減分析［J］．電力信息與通信技術，2015，13(7):32～37．

作者：田佳 洪毅 徐正海 尹豐 朱春麗 單位：中海油研究總院有限責任公司