偏遠油氣井北斗短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建構(gòu)與應(yīng)用

姚彬

中國石化西北油田分公司

新疆是我國重要的油氣生產(chǎn)基地，其油氣生產(chǎn)區(qū)域主要集中在沙漠、戈壁、山地等環(huán)境惡劣的地區(qū)，為了保證油氣田生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的安全、高效與穩(wěn)定的通信，各油氣田都建設(shè)了光纜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，也有部分油氣田采用公眾網(wǎng)的移動信號；但由于距離、地形、成本和保密等原因，一些偏遠油氣井開發(fā)數(shù)據(jù)無法接入現(xiàn)有的光纜系統(tǒng)與GPRS（通用遙控傳感器）系統(tǒng)[1-2]，存在較多通信盲點。雖然這類油氣井的絕對數(shù)量不多，但其開發(fā)數(shù)據(jù)對新區(qū)勘探成果的再認識及老油田的挖潛都占有舉足輕重的地位，實現(xiàn)對偏遠油氣井開發(fā)數(shù)據(jù)的實時、高效、保密的雙向傳輸勢在必行。

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）建成及BDS短報文功能的不斷完善，為偏遠油氣田數(shù)據(jù)傳輸與集中監(jiān)控提供了一個新的不受距離、地形、天氣等不利因素影響，且造價低、使用方便的衛(wèi)星雙向數(shù)據(jù)傳輸方式[3-5]，該方式對偏遠油氣井以及油氣田的勘探開發(fā)和挖潛增效有著十分重大的意義。

1 BDS短報文開發(fā)

1.1 BDS短報文功能

BDS具有定位、授時和短報文三種功能，BDS短報文是BDS所獨有的一項極具開發(fā)與應(yīng)用潛力的功能，其數(shù)據(jù)傳輸方式采用L和S波段，實現(xiàn)目標型用戶與管理型用戶間的雙向數(shù)據(jù)傳輸[6]。目標型用戶為數(shù)據(jù)采集與控制的對象，BDS短報文的接收/發(fā)送由RDSS（衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)）/RNSS（衛(wèi)星無線電測定業(yè)務(wù)）用戶機來完成；而管理型用戶為目標型用戶的管理方，BDS短報文的接收/發(fā)送由RDSS/RNSS指揮管理機來完成。

對于BDS短報文的數(shù)據(jù)傳輸，不需要申請專用信道，用戶可向航天集團的BDS應(yīng)用管理辦公室申請辦理ID賬號，ID賬號分為目標用戶ID和指揮用戶ID兩類。BDS短報文業(yè)務(wù)對不同用戶開放程度有所不同，數(shù)據(jù)傳輸周期與信息容量也不同，如對軍隊開放的每次傳輸容量為240 Byte，對民用部分短報文免費開放的每次傳輸容量為78.5 Byte。民用BDS短報文的用戶ID號是北斗三級智能卡，免費通信，數(shù)據(jù)傳輸周期為1 min，即每個目標用戶每分鐘可收發(fā)1次78.5 Byte的數(shù)據(jù)，基本能夠滿足油氣田的1個井站或1套裝置的數(shù)據(jù)傳輸需求。

1.2 BDS短報文信息傳遞過程

BDS短報文的信息傳遞可分為多個目標用戶與一個指揮用戶的“多對一”，和一個目標用戶與另一個目標用戶之間“一對一”的雙向數(shù)據(jù)傳輸，“多對一”是比較常見的通信方式。BDS短報文信息傳遞過程見圖1。

圖1 BDS短報文信息傳遞過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of BDS short message information transfer process

由圖1可知，目標型用戶使用的RDSS/RNSS用戶機與管理型用戶使用的RDSS/RNSS指揮管理機之間的BDS短報文的信息傳遞過程為：目標型用戶的數(shù)據(jù)輸入用戶機后，用戶機先將數(shù)據(jù)編譯成符合北斗4.0接口規(guī)約的短報文，經(jīng)過一次編譯與加密后等待發(fā)送。接收到北斗衛(wèi)星詢問信號，把短報文由用戶機傳送給2顆北斗衛(wèi)星，其接到信息分別把短報文轉(zhuǎn)發(fā)給地面站；地面站接收到加密短報文，由地面站后臺的信息管理系統(tǒng)進行解析與解密，然后二次編譯與二次加密，二次加密的短報文再轉(zhuǎn)發(fā)給北斗衛(wèi)星；北斗衛(wèi)星接收到二次加密的短報文，直接轉(zhuǎn)發(fā)給管理型用戶的指揮管理機，經(jīng)指揮管理機的解密與編譯，通過3個Modbus接口傳送給管理型用戶的DCS（分布式控制系統(tǒng)）組態(tài)系統(tǒng)，反向通信過程亦然。對于“點對點”的BDS短報文的信息傳輸與“多對一”的數(shù)據(jù)傳輸過程也是完全一致的[7]。

1.3 BDS短報文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

按照北斗2.1/4.0接口規(guī)約的規(guī)定，BDS短報文有發(fā)送信息和接收信息兩種格式，目標型用戶的DRSS（數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)）/DNSS（國防導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）用戶機發(fā)送的信息格式為：

用戶機按照上述信息格式把BDS短報文發(fā)送到2顆衛(wèi)星上，衛(wèi)星把短報文信息傳送給地面站；經(jīng)地面站后臺信息系統(tǒng)解密并再次加密后，地面站按照接收信息格式編譯加密短報文，并發(fā)送給北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星再次轉(zhuǎn)發(fā)給指定管理型用戶的指揮管理機，接收信息格式為：

BDS短報文除收發(fā)地址、信息長度、校驗和等定位與驗證信息外，民用短報文可傳輸?shù)碾娢膬?nèi)容為78.5 Byte。在油田DCS的底層PLC（可編程邏輯控制器）系統(tǒng)中，采集或控制所需的每個數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、液位、流量、含水或濃度等均為一個浮點數(shù)占用2 Byte；而每個開關(guān)量或運行狀態(tài)數(shù)據(jù)占用1 Byte，即每一個民用BDS短報文收發(fā)終端，每次收發(fā)可用的數(shù)據(jù)量不低于39組，基本能夠滿足一個中小型油氣生產(chǎn)場所PLC系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 系統(tǒng)建構(gòu)

把偏遠油氣井BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標型用戶和管理型用戶定義為油井操作層和管理控制層，這兩者之間用目標型用戶的ID和用戶機與管理型用戶的ID和指揮管理機之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，并由BDS來完成。偏遠油氣井BDS短報文雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)見圖2。

圖2 偏遠油氣井BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote oil and gas well BDS short message data transmission system

由圖2可知，在目標型用戶的油氣井操作層內(nèi)，其信息主要包括三大類：第一類是信息集中采集的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）；第二類為信息直接采集獨立傳感器；第三類為由PLC來實現(xiàn)的獨立采集與控制單元。第一類和第二類為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集的數(shù)據(jù)可以單向傳輸?shù)紻NSS和DNSS用戶機。通過用戶機編譯和加密，經(jīng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星將數(shù)據(jù)單向傳輸?shù)街笓]管理機，由其解密和編譯再轉(zhuǎn)發(fā)給DCS組態(tài)系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)可以直接為管理者所使用。

第三類通常為獨立的功能單元，如分離器、加熱爐、儲油罐及外輸系統(tǒng)等。這些不同的獨立功能單元依據(jù)一定的生產(chǎn)控制邏輯，由1套PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)各個功能單元的獨立控制，其控制邊界需要根據(jù)生產(chǎn)情況進行設(shè)置或調(diào)整。這些需要調(diào)整的分離器液位與調(diào)節(jié)閥、儲油罐液位與外輸泵變頻器，以及加熱爐出口溫度和大小火等的連鎖設(shè)置參數(shù)，需要依據(jù)生產(chǎn)變化對其進行調(diào)整，這類信息需要雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)應(yīng)用及效果

2019年6月，在塔里木油田克拉油氣開發(fā)部KeS2-1-11和KL2-10井上，開展了BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的試驗。這2口井均為試采井，其流程為：井口產(chǎn)出的油氣水經(jīng)高壓分離器分離，分離出的氣相經(jīng)流量計量后匯入天然氣高壓集輸管網(wǎng)并輸送到油氣處理廠；而分離出的液相經(jīng)流量計量與含水計量后進入儲油罐，儲油罐內(nèi)的液體經(jīng)離心泵加壓后進入低壓原油管網(wǎng)。KeS2-1-11和KL2-10井主要由高壓分離器PLC單元和儲液罐泵輸PLC單元控制。在高壓分離器PLC系統(tǒng)單元中，主要采集數(shù)據(jù)為油壓、套壓、油嘴后壓力與溫度、分離器進口壓力與溫度、分離器液位、日產(chǎn)氣量、日產(chǎn)液量和液相含水等，共為10個主要技術(shù)參數(shù)，占用40 Byte。根據(jù)生產(chǎn)情況，需要調(diào)整的技術(shù)指標為PLC系統(tǒng)中PID（按比例積分微分）調(diào)節(jié)模塊對高壓分離器液位調(diào)節(jié)閥的比例P、積分I和微分D的數(shù)值，共為3個參數(shù)，占用12 Byte。在儲液罐泵輸PLC系統(tǒng)單元中，主要采集數(shù)據(jù)為儲罐液位、離心泵電流與轉(zhuǎn)速、出口壓力等，共為4個主要技術(shù)參數(shù)，占用16 Byte。根據(jù)生產(chǎn)情況，需要調(diào)整的技術(shù)指標為PLC系統(tǒng)中用于液位與變頻器連鎖的液位值，占用4 Byte。

總共需要占用的短報文內(nèi)容的容量為72 Byte，符合北斗4.0接口規(guī)約的短報文信號電文內(nèi)容不超過78.5 Byte要求[8]。每口油井采用1臺TS8612型DRSS/DNSS目標型用戶機，2口油井共用1臺BNZ200型RDSS/RNSS指揮管理機。指揮管理機的1個Modbus RS-485接口，直接接入克拉處理廠的DCS組態(tài)系統(tǒng)中，用于偏遠油氣井的管理，所有硬件、軟件與服務(wù)均由巴州康菲能源科技有限公司提供。

為了進一步了解偏遠油氣井BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和誤報（漏報）情況，把管理型用戶的指揮管理機的另一個Modbus RS-485接口接入筆記本電腦上的組態(tài)系統(tǒng)，直接監(jiān)控高壓分離計量系統(tǒng)。

自2019年6月以來，對KeS2-1-11和KL2-10井上高壓分離計量部分的BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的檢測，沒有發(fā)現(xiàn)誤報、漏報等現(xiàn)象，完全滿足偏遠油氣井數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩9]。

4 技術(shù)特點

BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在KeS2-1-11和KL2-10井上的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）成本低。能實現(xiàn)特定油氣場所的遠傳遠控與數(shù)據(jù)采集，與常規(guī)光纜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸相比成本非常低，每套BDS短報文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的造價不足光纜系統(tǒng)的1/3。

（2）保密性好。每個目標用戶與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面站之間、地面站與衛(wèi)星和管理型用戶之間的傳輸通道均為軍用及保密通道，與公共網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)無關(guān)，具有極高的保密性。

（3）性能穩(wěn)定、準確性高、漏報誤報率低。BDS的漏報誤報率指標為0.001%，實際使用過程中未發(fā)現(xiàn)漏報誤報情況。

（4）適用范圍廣，不受環(huán)境條件影響。BDS目前已全部覆蓋我國的陸地、海洋等區(qū)域，所有目標用戶均不受距離、空間與環(huán)境的影響。

5 結(jié)束語

偏遠油氣井利用BDS短報文功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或遠傳遠控，為油氣田信息管理提供了一個新手段。該系統(tǒng)具有成本低、準確性高、保密性好、穩(wěn)定性強和適用范圍廣等優(yōu)點，不受距離、地形和環(huán)境的影響，可以作為油田的安全生產(chǎn)和實時準確的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾a充手段，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于偏遠沙漠、海洋等地區(qū)的油田。