單立柱系泊生產(chǎn)平臺通信系統(tǒng)研究

王東，朱為全，劉超，申輝，劉波

（1.北京高泰深海技術(shù)有限公司天津分公司，天津 300451；2.北京高泰深海技術(shù)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(yuǎn)、采用傳統(tǒng)開發(fā)模式經(jīng)濟(jì)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(fā)模式，并實現(xiàn)了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)有的已使用的邊際油田采油系統(tǒng)或在設(shè)計中并沒有一種系統(tǒng)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(tǒng)能夠同時具備修井、生產(chǎn)、動力、儲油、外輸、生活所有功能，同時設(shè)施數(shù)量盡可能少，投入成本盡可能低；2）正常工作狀態(tài)下可同時進(jìn)行修井，而不需要停產(chǎn)；3）儲油的空間足夠大，可達(dá)到1～3萬t；4）抵抗惡劣海洋環(huán)境能力強(qiáng)，能夠抵擋50年一遇海況，并且在一年一遇的海況下不停產(chǎn)；5）面對100年一遇的極端惡劣海況時，可進(jìn)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(chǎn)儲卸油系統(tǒng)的概念，即單立柱式井口單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，專門針對單個孤立的淺水邊際油田的開發(fā)。通信系統(tǒng)作為單立柱系泊生產(chǎn)平臺的神經(jīng)系統(tǒng)，對整個系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，通信系統(tǒng)的實時性、安全性、穩(wěn)定性也受到了極大的關(guān)注。

1 單立柱系泊生產(chǎn)平臺簡介

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

圖1 總體方案示意圖

圖2 SCM單點(diǎn)系泊系統(tǒng)

2 單立柱系泊生產(chǎn)平臺通信系統(tǒng)

單立柱系泊生產(chǎn)平臺屬于海上邊際油田開發(fā)設(shè)施，其通信系統(tǒng)具有海洋石油平臺通信系統(tǒng)的所有功能，海洋石油平臺應(yīng)有的通信系統(tǒng)及功能如表1所示。在本項目中考慮到SCM屬于無人設(shè)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(shè)置所需完整的通信系統(tǒng)，SCM和FPSO的通信系統(tǒng)可共用，實現(xiàn)SCM和FPSO之間的內(nèi)部通信即可滿足單立柱系泊生產(chǎn)平臺的通信需求。

表1 海洋石油平臺通信系統(tǒng)一覽表[1]

傳統(tǒng)系泊系統(tǒng)中FPSO和海洋平臺之間的通信是通過光纖來實現(xiàn)的，海洋平臺的海底光纜從底部進(jìn)入單點(diǎn)系統(tǒng)，在滑環(huán)堆棧系統(tǒng)設(shè)置光纖滑環(huán)，通過滑環(huán)進(jìn)入FPSO的通信系統(tǒng)，實現(xiàn)信號的實時傳輸。本系統(tǒng)中的滑環(huán)堆棧系統(tǒng)位于SCM下方，滑環(huán)支腿的內(nèi)部空間用于井口生產(chǎn)，光纜無法進(jìn)入支腿內(nèi)部，同時因為滑環(huán)內(nèi)徑超過φ2500 mm，現(xiàn)有技術(shù)無法完成光纖滑環(huán)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?shù)陌踩浴⒎€(wěn)定性、實時性，本實例設(shè)置了信號滑環(huán)，信號滑環(huán)采用8芯的CAT-5網(wǎng)線傳輸信號，在滑環(huán)堆棧系統(tǒng)的定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)分別設(shè)置網(wǎng)線接線箱，為保證網(wǎng)絡(luò)信號經(jīng)過滑環(huán)時的穩(wěn)定性，需在網(wǎng)線接線箱中設(shè)置信號放大器（發(fā)送器，接收器），網(wǎng)線從SCM接入滑環(huán)定子上的接線箱，相關(guān)信號經(jīng)過放大后進(jìn)入信號滑環(huán)，經(jīng)滑環(huán)后進(jìn)入轉(zhuǎn)子網(wǎng)線接線箱的信號放大器，經(jīng)二次放大后進(jìn)入FPSO的通信系統(tǒng)。FPSO上的信號也可通過此路徑進(jìn)入到SCM的通信系統(tǒng)。

但由于滑環(huán)的質(zhì)量較大，在保證支腿安全的條件下僅能設(shè)置1套信號滑環(huán)，無法實現(xiàn)信號傳輸?shù)娜哂唷閷崿F(xiàn)信號傳輸?shù)娜哂啵赟CM與FPSO之間設(shè)置一套獨(dú)立的無線通信系統(tǒng)。

3 通信系統(tǒng)無線傳輸技術(shù)的選用

本實例通信系統(tǒng)還有自己的獨(dú)有特點(diǎn)：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(shù)據(jù)量大、傳輸速率要求高，閉路電視監(jiān)控信號、電話信號、廣播報警信號、儀表監(jiān)控信號、火氣監(jiān)控信號等都要傳輸?shù)紽PSO的中控室，同時FPSO的中控室還能對SCM上的設(shè)備進(jìn)行啟動、關(guān)停等操作，因此信號傳輸?shù)纳闲屑跋滦袔捑苄∮?0 MB/s；3）傳輸終端位置不固定，F(xiàn)PSO圍繞著SCM不停地旋轉(zhuǎn)。

圖3 SCM 通信系統(tǒng)框圖

針對以上通信特點(diǎn)，對常用的無線通信技術(shù)的傳輸速率、傳輸距離、功耗、安全性和價格進(jìn)行了比較。微波通信（Microwave Communication）是目前海洋平臺最常用的技術(shù)，但由于FPSO是圍繞SCM旋轉(zhuǎn)的，導(dǎo)致其無法實現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足本項目需求。藍(lán)牙（Bluetooth）、紫蜂協(xié)議（ZigBee）和超寬頻（Ultra WideBand）3種技術(shù)的傳輸速率太低，不能滿足本項目需求。第六代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wi-Fi 6）和第四代的移動信息技術(shù)（4G）在技術(shù)上滿足本項目需求，但經(jīng)調(diào)研，一套基于第四代的移動信息技術(shù)（4G）的接收和發(fā)射設(shè)備費(fèi)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為無線信號傳輸方案。

表2 常見無線傳輸技術(shù)比較

4 結(jié)語

單立柱系泊生產(chǎn)平臺作為一種新型的海洋石油生產(chǎn)裝置，其通信系統(tǒng)必須滿足國際海上人命安全公約和固定平臺安全規(guī)則等多種規(guī)范的要求。通信系統(tǒng)作為單立柱系泊生產(chǎn)平臺信號傳輸?shù)耐ǖ溃哂幸?guī)模小、種類多、系統(tǒng)控制關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn)，因此要求在FPSO上設(shè)置全套通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星地球站、電話系統(tǒng)、廣播娛樂報警系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、全向無線電信標(biāo)機(jī)、海事衛(wèi)星、甚高頻調(diào)頻無線電話（VHF-FM）、甚高頻調(diào)幅無線電話（VHF-AM）、特高頻調(diào)頻無線電話（UHF-FM）、短波單邊帶無線電臺、應(yīng)急無線電設(shè)備、氣象系統(tǒng)等系統(tǒng)，單立柱系泊生產(chǎn)平臺通過網(wǎng)線和Wi-Fi 6與FPSO進(jìn)行雙向通信，這樣既符合了相關(guān)規(guī)范，又能大大節(jié)省成本。