姚彬

中國(guó)石化西北油田分公司

新疆是我國(guó)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(dòng)信號(hào)；但由于距離、地形、成本和保密等原因，一些偏遠(yuǎn)油氣井開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)無(wú)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(diǎn)。雖然這類(lèi)油氣井的絕對(duì)數(shù)量不多，但其開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)新區(qū)勘探成果的再認(rèn)識(shí)及老油田的挖潛都占有舉足輕重的地位，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)油氣井開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高效、保密的雙向傳輸勢(shì)在必行。

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）建成及BDS短報(bào)文功能的不斷完善，為偏遠(yuǎn)油氣田數(shù)據(jù)傳輸與集中監(jiān)控提供了一個(gè)新的不受距離、地形、天氣等不利因素影響，且造價(jià)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(duì)偏遠(yuǎn)油氣井以及油氣田的勘探開(kāi)發(fā)和挖潛增效有著十分重大的意義。

1 BDS短報(bào)文開(kāi)發(fā)

1.1 BDS短報(bào)文功能

BDS具有定位、授時(shí)和短報(bào)文三種功能，BDS短報(bào)文是BDS所獨(dú)有的一項(xiàng)極具開(kāi)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)型用戶(hù)與管理型用戶(hù)間的雙向數(shù)據(jù)傳輸[6]。目標(biāo)型用戶(hù)為數(shù)據(jù)采集與控制的對(duì)象，BDS短報(bào)文的接收/發(fā)送由RDSS（衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)）/RNSS（衛(wèi)星無(wú)線電測(cè)定業(yè)務(wù)）用戶(hù)機(jī)來(lái)完成；而管理型用戶(hù)為目標(biāo)型用戶(hù)的管理方，BDS短報(bào)文的接收/發(fā)送由RDSS/RNSS指揮管理機(jī)來(lái)完成。

對(duì)于BDS短報(bào)文的數(shù)據(jù)傳輸，不需要申請(qǐng)專(zhuān)用信道，用戶(hù)可向航天集團(tuán)的BDS應(yīng)用管理辦公室申請(qǐng)辦理ID賬號(hào)，ID賬號(hào)分為目標(biāo)用戶(hù)ID和指揮用戶(hù)ID兩類(lèi)。BDS短報(bào)文業(yè)務(wù)對(duì)不同用戶(hù)開(kāi)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(duì)軍隊(duì)開(kāi)放的每次傳輸容量為240 Byte，對(duì)民用部分短報(bào)文免費(fèi)開(kāi)放的每次傳輸容量為78.5 Byte。民用BDS短報(bào)文的用戶(hù)ID號(hào)是北斗三級(jí)智能卡，免費(fèi)通信，數(shù)據(jù)傳輸周期為1 min，即每個(gè)目標(biāo)用戶(hù)每分鐘可收發(fā)1次78.5 Byte的數(shù)據(jù)，基本能夠滿(mǎn)足油氣田的1個(gè)井站或1套裝置的數(shù)據(jù)傳輸需求。

1.2 BDS短報(bào)文信息傳遞過(guò)程

BDS短報(bào)文的信息傳遞可分為多個(gè)目標(biāo)用戶(hù)與一個(gè)指揮用戶(hù)的“多對(duì)一”，和一個(gè)目標(biāo)用戶(hù)與另一個(gè)目標(biāo)用戶(hù)之間“一對(duì)一”的雙向數(shù)據(jù)傳輸，“多對(duì)一”是比較常見(jiàn)的通信方式。BDS短報(bào)文信息傳遞過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 BDS短報(bào)文信息傳遞過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of BDS short message information transfer process

由圖1可知，目標(biāo)型用戶(hù)使用的RDSS/RNSS用戶(hù)機(jī)與管理型用戶(hù)使用的RDSS/RNSS指揮管理機(jī)之間的BDS短報(bào)文的信息傳遞過(guò)程為：目標(biāo)型用戶(hù)的數(shù)據(jù)輸入用戶(hù)機(jī)后，用戶(hù)機(jī)先將數(shù)據(jù)編譯成符合北斗4.0接口規(guī)約的短報(bào)文，經(jīng)過(guò)一次編譯與加密后等待發(fā)送。接收到北斗衛(wèi)星詢(xún)問(wèn)信號(hào)，把短報(bào)文由用戶(hù)機(jī)傳送給2顆北斗衛(wèi)星，其接到信息分別把短報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給地面站；地面站接收到加密短報(bào)文，由地面站后臺(tái)的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行解析與解密，然后二次編譯與二次加密，二次加密的短報(bào)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(bào)文，直接轉(zhuǎn)發(fā)給管理型用戶(hù)的指揮管理機(jī)，經(jīng)指揮管理機(jī)的解密與編譯，通過(guò)3個(gè)Modbus接口傳送給管理型用戶(hù)的DCS（分布式控制系統(tǒng)）組態(tài)系統(tǒng)，反向通信過(guò)程亦然。對(duì)于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的BDS短報(bào)文的信息傳輸與“多對(duì)一”的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程也是完全一致的[7]。

1.3 BDS短報(bào)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(bào)文有發(fā)送信息和接收信息兩種格式，目標(biāo)型用戶(hù)的DRSS（數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)）/DNSS（國(guó)防導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）用戶(hù)機(jī)發(fā)送的信息格式為：

用戶(hù)機(jī)按照上述信息格式把BDS短報(bào)文發(fā)送到2顆衛(wèi)星上，衛(wèi)星把短報(bào)文信息傳送給地面站；經(jīng)地面站后臺(tái)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(bào)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(hù)的指揮管理機(jī)，接收信息格式為：

BDS短報(bào)文除收發(fā)地址、信息長(zhǎng)度、校驗(yàn)和等定位與驗(yàn)證信息外，民用短報(bào)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(gè)數(shù)據(jù)，如壓力、溫度、液位、流量、含水或濃度等均為一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)占用2 Byte；而每個(gè)開(kāi)關(guān)量或運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)占用1 Byte，即每一個(gè)民用BDS短報(bào)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(mǎn)足一個(gè)中小型油氣生產(chǎn)場(chǎng)所PLC系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

2 系統(tǒng)建構(gòu)

把偏遠(yuǎn)油氣井BDS短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的目標(biāo)型用戶(hù)和管理型用戶(hù)定義為油井操作層和管理控制層，這兩者之間用目標(biāo)型用戶(hù)的ID和用戶(hù)機(jī)與管理型用戶(hù)的ID和指揮管理機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，并由BDS來(lái)完成。偏遠(yuǎn)油氣井BDS短報(bào)文雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

圖2 偏遠(yuǎn)油氣井BDS短報(bào)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(biāo)型用戶(hù)的油氣井操作層內(nèi)，其信息主要包括三大類(lèi)：第一類(lèi)是信息集中采集的DTU（數(shù)據(jù)傳輸單元）；第二類(lèi)為信息直接采集獨(dú)立傳感器；第三類(lèi)為由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立采集與控制單元。第一類(lèi)和第二類(lèi)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(hù)機(jī)。通過(guò)用戶(hù)機(jī)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(jī)，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(lèi)通常為獨(dú)立的功能單元，如分離器、加熱爐、儲(chǔ)油罐及外輸系統(tǒng)等。這些不同的獨(dú)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(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能單元的獨(dú)立控制，其控制邊界需要根據(jù)生產(chǎn)情況進(jìn)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(chǔ)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(duì)其進(jìn)行調(diào)整，這類(lèi)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(kāi)發(fā)部KeS2-1-11和KL2-10井上，開(kāi)展了BDS短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的試驗(yàn)。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(jì)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(jì)量與含水計(jì)量后進(jìn)入儲(chǔ)油罐，儲(chǔ)油罐內(nèi)的液體經(jīng)離心泵加壓后進(jìn)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(chǔ)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(jìn)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(gè)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(biāo)為PLC系統(tǒng)中PID（按比例積分微分）調(diào)節(jié)模塊對(duì)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(gè)參數(shù)，占用12 Byte。在儲(chǔ)液罐泵輸PLC系統(tǒng)單元中，主要采集數(shù)據(jù)為儲(chǔ)罐液位、離心泵電流與轉(zhuǎn)速、出口壓力等，共為4個(gè)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(biāo)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(bào)文內(nèi)容的容量為72 Byte，符合北斗4.0接口規(guī)約的短報(bào)文信號(hào)電文內(nèi)容不超過(guò)78.5 Byte要求[8]。每口油井采用1臺(tái)TS8612型DRSS/DNSS目標(biāo)型用戶(hù)機(jī)，2口油井共用1臺(tái)BNZ200型RDSS/RNSS指揮管理機(jī)。指揮管理機(jī)的1個(gè)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(yuǎn)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(jìn)一步了解偏遠(yuǎn)油氣井BDS短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和誤報(bào)（漏報(bào)）情況，把管理型用戶(hù)的指揮管理機(jī)的另一個(gè)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(jì)量系統(tǒng)。

自2019年6月以來(lái)，對(duì)KeS2-1-11和KL2-10井上高壓分離計(jì)量部分的BDS短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，完全滿(mǎn)足偏遠(yuǎn)油氣井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩9]。

4 技術(shù)特點(diǎn)

BDS短報(bào)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(shì)：

（1）成本低。能實(shí)現(xiàn)特定油氣場(chǎng)所的遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)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(bào)文數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的造價(jià)不足光纜系統(tǒng)的1/3。

（2）保密性好。每個(gè)目標(biāo)用戶(hù)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(hù)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(wú)關(guān)，具有極高的保密性。

（3）性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確性高、漏報(bào)誤報(bào)率低。BDS的漏報(bào)誤報(bào)率指標(biāo)為0.001%，實(shí)際使用過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)漏報(bào)誤報(bào)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(guó)的陸地、海洋等區(qū)域，所有目標(biāo)用戶(hù)均不受距離、空間與環(huán)境的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

偏遠(yuǎn)油氣井利用BDS短報(bào)文功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控，為油氣田信息管理提供了一個(gè)新手段。該系統(tǒng)具有成本低、準(zhǔn)確性高、保密性好、穩(wěn)定性強(qiáng)和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾a(bǔ)充手段，具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其適用于偏遠(yuǎn)沙漠、海洋等地區(qū)的油田。