王 鵬，劉傳彬，牟啟同

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

隨著我國對石油的需求越來越旺盛，進口石油占比超過70%，國內(nèi)陸地油田的開發(fā)開采難度越來越大，所以海上油氣開發(fā)繼續(xù)快速擴張，石油公司比以往任何時候都更熱切希望從遠離陸地的海上獲取石油。海上鉆井平臺、移動式采油平臺、FPSO（浮式儲卸油裝置）等設(shè)施數(shù)量的增加，并繼續(xù)向深水區(qū)擴散。海上油氣開發(fā)生產(chǎn)正朝著一種名為“一體化運營”的新模式（又稱為數(shù)字油田、智能油田、e 油田、未來油田）發(fā)展。一體化運營（IO）是海上油氣勘探、開采和生產(chǎn)的一種新的工作形式[1]。顧名思義，一體化運營是通過信息與通信技術(shù)，將設(shè)施、專業(yè)知識、流程、業(yè)務(wù)單元、作業(yè)參與方以及其他資源和活動相互連接、整合。一體化運營可以簡化業(yè)務(wù)流程，提高作業(yè)效率，預計石油和天然氣采收率將提高2%～5%，產(chǎn)量將提高3%～8%，運營支出將減少15%～30% ，油井性能將提高2%～8% ，海上一線勞動力將減少25%。

一體化運營標志著海洋油氣行業(yè)的突破。它讓任何地點的人力資源為海上作業(yè)設(shè)施提供技術(shù)支持成為可能。它可以減少一線海上設(shè)施的勞動力，將熟練和有經(jīng)驗的專業(yè)人員轉(zhuǎn)移到更安全的陸地辦公室或控制中心。在那里他們可以訪問和分析來自海上設(shè)施遠傳回來的數(shù)據(jù)，并減少決策中的風險[2]。海上一體化運營通信如圖1 所示。

圖1 微波通信助力海洋油氣田一體化運營Fig.1 Integrated operation enabled by offshore microwave communication

海上移動設(shè)施與陸地終端或控制中心之間的通信聯(lián)絡(luò)需求大大增加。工業(yè)技術(shù)的進步，商業(yè)模式的變化和更嚴格的法律法規(guī)要求和監(jiān)管限制，要求對設(shè)備進行更嚴格地監(jiān)測、更遠程地控制和更智能地維護，甚至對傳統(tǒng)的組織模式帶來沖擊，將更多的工作任務(wù)和作業(yè)人員從海上轉(zhuǎn)移到陸地。這些趨勢大大增加了對海上通信能力的需求。

1 海上作業(yè)設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)需求和挑戰(zhàn)

1.1 海上設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)典型應用場景分析

海上油氣田的一體化運營，讓諸多應用場景對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬、穩(wěn)定性和可靠性等有更高的要求。典型的應用場景：（1）海上設(shè)施與陸地辦公室之間的不間斷視頻會議連線；（2）海上設(shè)施工藝流程和設(shè)備運行數(shù)據(jù)的收集和遠傳；（3）現(xiàn)場機電設(shè)備的遠程控制；（4）地質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸、建模及可視化；（5）通過數(shù)據(jù)遠傳，陸地專家對來自海上作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行不間斷監(jiān)測、記錄和分析；（6）為了海上一線作業(yè)人員提供互聯(lián)網(wǎng)接入、電視等娛樂方式。

1.2 法律、法規(guī)對通信的要求

隨著應急管理部門、生態(tài)環(huán)境部門的整合和成立，新的法律、法規(guī)進一步推動了安全、環(huán)保以及能效方面要求的巨大升級。海洋油氣行業(yè)意識到通過采用一體化運營模式，可以更好地管理緊急情況下的作業(yè)和風險，組織內(nèi)部可以更嚴格地監(jiān)測作業(yè)，并減少工人的健康風險以及對海洋環(huán)境的威脅。

1.3 構(gòu)建海上通信的需求及挑戰(zhàn)

一個高可靠性和彈性的通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)一體化運營目標的基礎(chǔ)。這個網(wǎng)絡(luò)中最困難的挑戰(zhàn)之一，是從海上設(shè)施到陸地、海上設(shè)施到其他海上設(shè)施的第1 km 連接。這種連接是通信鏈條中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此對連接有以下關(guān)鍵要求和挑戰(zhàn)。

（1）高可用性和可靠性

與海上油氣作業(yè)相關(guān)的高風險（商業(yè)、環(huán)境和安全）要求有一個高可用性、可靠性和彈性的通信連接。與海上設(shè)施失去聯(lián)系可能意味著對設(shè)施和作業(yè)風險失去控制，很可能因此不得不緊急停產(chǎn)或倉促撤離設(shè)施。這會給作業(yè)方帶來巨大的安全風險、環(huán)境危險，并因此損失作業(yè)時率。

（2）遠距離

隨著石油儲量的消耗，作業(yè)地點逐漸由近海深入到更深的海洋，以發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的油藏。隨著海上設(shè)施間距離的增加，必須實現(xiàn)高可靠、長距離的通信。

（3）海洋環(huán)境中的耐久性

海洋作業(yè)的高鹽分、高濕度的腐蝕性環(huán)境對電氣和其他設(shè)備造成很大的壓力，通信設(shè)備必須經(jīng)受住海洋環(huán)境的長期惡劣環(huán)境條件。

（4）高容量（高帶寬）

向一體化運營轉(zhuǎn)型意味著更多的監(jiān)控，更多的計算機或移動設(shè)備端應用，更多的視頻，以及對更大帶寬的需求。過去每秒幾兆比特就足夠了，現(xiàn)在每個設(shè)施的數(shù)量級增長到了每秒幾十甚至幾百兆比特，使得微信通信等傳統(tǒng)通信方式不足以滿足需求。

（5）安全合規(guī)性

日益增加的安全法律法規(guī)要求電氣設(shè)備符合嚴格的安全標準，例如工作在高爆炸性環(huán)境中的防爆性能。

（6）網(wǎng)絡(luò)隔離

不同的應用場景使用共同的通信基礎(chǔ)設(shè)施，需要對通信質(zhì)量有高度的控制，并根據(jù)不同的場景動態(tài)提供服務(wù)，例如，將涉及關(guān)鍵作業(yè)任務(wù)的通信與員工娛樂系統(tǒng)通信分離，并設(shè)置不同的優(yōu)先級。

對于海洋油氣行業(yè)移動作業(yè)設(shè)施（比如移動式鉆井平臺和移動式試采平臺等），因其作業(yè)地點經(jīng)常變化，作業(yè)周期相對較短，而且其附近海域可能沒有固定平臺可以提供通信支持，這更增加了

2 海上常見通信技術(shù)對比

海上通信的3 項主要技術(shù): （1）無線傳輸技術(shù)（微波通信）；（2）衛(wèi)星通信；（3）海上光纖通信。3 種通信技術(shù)特點[3]對比如表1所示。

表1 海上通信技術(shù)特點對比Tab.1 Comparison of different media for offshore communications

由于現(xiàn)有的衛(wèi)星通信變得不足以滿足海上石油設(shè)施不斷增加的通信需求，而且海洋光纖通信的部署和運行成本高、耗時長，特別是在進入更深的水域時，微波是海上設(shè)施對岸和海上設(shè)施對海上設(shè)施連接的最兼具通信質(zhì)量和成本效益的方法[4]。然而，由于微波通信系統(tǒng)天生就容易受到多徑衰落、視線受阻和天線對準丟失的影響（尤其是漂浮在海面上的設(shè)施以及移動作業(yè)設(shè)施），標準的微波通信系統(tǒng)也無法完全滿足通信需求[5]。

3 基于PointLink 系統(tǒng)的海上微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建及應用

Ceragon 是一家以色列無線網(wǎng)絡(luò)方案解決公司，致力于海上通信的研究、制造、培訓和整體業(yè)務(wù)。Ceragon 公司研發(fā)的PointLink 通信解決方案是一個先進的微波無線連接系統(tǒng)，旨在為移動對象，如鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、浮式生產(chǎn)和儲存裝置（FPSO）等提供無線通信連接。該解決方案由Ceragon 公司先進的Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置連接到PointLink 陀螺儀穩(wěn)定天線，使海上設(shè)施和陸基設(shè)施的通信時刻保持穩(wěn)定連接。這個獨特的PointLink 解決方案克服了常規(guī)微波通信的技術(shù)和物理不足，為海上設(shè)施提供了高效率和低成本的通信服務(wù)[6]。

（1）滿足高可用性和可靠性要求

PointLink 將高可靠的微波設(shè)備與定制的天線穩(wěn)定技術(shù)以及彈性路徑和拓撲結(jié)構(gòu)集成在一起。Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置非?？煽浚?jīng)抗衰老測試，平均預估壽命超過70年。由于海平面如同鏡面，會反射微波信號，海上微波通信受到多徑衰落的影響，但通過標準空間分集技術(shù)，可以克服多徑衰落的影響[7]。PointLink采用混合頻率和四分集方案，在傳輸?shù)膬蓚?cè)各安裝兩個天線，每個天線以不同的頻率在空間上分離的天線發(fā)射兩個相同的信號，并通過空間上分離的天線接收這兩個信號[8]，如圖2所示。通過這種方式，減輕了海面上多徑衰落和視線暫時丟失的影響（由于直升機、起重機、鉆井機械等的影響） ，達到了任務(wù)關(guān)鍵 級 可 用 性（99.995% ——類似于陸上網(wǎng)絡(luò)的可用性水平）。同時，惡劣的海洋氣候和強降水也是一個挑戰(zhàn)。解決這些問題的方法包括實現(xiàn)高衰落邊緣的連接，以及采用Ceragon 公司的自適應編碼和調(diào)制（ACM）技術(shù)，即使在惡劣的氣候條件下也能保持連接穩(wěn)定[9]。

圖2 PointLink 系統(tǒng)現(xiàn)場安裝Fig.2 PointLink system installation

PointLink 穩(wěn)定平臺可以容納直徑從0.3 m/1 ft（1 ft=0.348 m）到3.0 m/10 ft 的拋物面天線，根據(jù)天線的不同頻段。獨創(chuàng)的PointLink 軟件系統(tǒng)可以控制天線連續(xù)360°度旋轉(zhuǎn)，并且滾轉(zhuǎn)/俯仰值高達±17°。結(jié)合無間隙伺服電機，確保天線指向精度保持在±0.2°。與其他天線跟蹤系統(tǒng)不同，這套創(chuàng)新的系統(tǒng)基于蠻力算法，即使在高振動環(huán)境下也能提供可靠的跟蹤記錄[10]。

在旋轉(zhuǎn)平臺（例如FPSO）上，可用的天線通常不能覆蓋360°的范圍，因此系統(tǒng)設(shè)計必須設(shè)計多個天線。當一個扇區(qū)可以連接兩個或更多的天線時，PointLink 系統(tǒng)可以通過補償算法，使通信無縫切換，確保通信360°準確無誤連續(xù)連接。PointLink 系統(tǒng)配備了自研的GPS 陀螺儀，包括一個用于位置航向和運動監(jiān)測的運動傳感器，使得PointLink 天線獨立于任何高度依賴環(huán)境的速率和角度傳感器[11]。PointLink 天線如圖3所示。

圖3 PointLink陀螺穩(wěn)定天線Fig.3 Gyro stabilized pointlink antenna

（2）滿足長距離通信要求

Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置是PointLink系統(tǒng)解決方案的一部分。它設(shè)計用于長距離通信場景，具有大功率發(fā)射機和高系統(tǒng)增益天線，使長距離的可靠通信成為可能。比如連接挪威大陸和位于北海YME 石油鉆井平臺的PointLink系統(tǒng)，該系統(tǒng)的連接長度為123 km。

（3）滿足海洋環(huán)境中的耐久性要求

為海洋通信環(huán)境設(shè)計的Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置經(jīng)過特殊涂層處理，以抵抗惡劣的海洋環(huán)境，并且整個系統(tǒng)被密封在一個保護性的天線罩里，如圖4所示。

圖4 Evolution 系列長距離微波信號發(fā)射裝置Fig.4 Evolution series long haul radio unit

（4）滿足高容量（高帶寬）要求

Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置可提供非常高的容量。它們使用1024QAM 調(diào)制來增加頻譜效率，并在一個28 MHz 的信道上傳輸超過250 Mb/s 的數(shù)據(jù)流量?；蛘?，同樣的裝置，采用多載波技術(shù)，也可以實現(xiàn)STM-1S （155 Mb/s） 或 者 甚 至STM-4 （622 Mb/s） 的SDH傳輸。

（5）安滿足全合規(guī)性要求

PointLink 系統(tǒng)經(jīng)認證符合ATEX1 區(qū)和2 區(qū)的要求，能夠在高度爆炸環(huán)境中安全工作。

（6）滿足網(wǎng)絡(luò)隔離要求

Evolution 系列長距離微波信號收發(fā)裝置具有內(nèi)置的QoS 網(wǎng)絡(luò)安全機制，可以按優(yōu)先級順序處理通信請求，支持通信服務(wù)差異化，它保證帶寬和適當?shù)难舆t為優(yōu)先關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。

4 結(jié)束語

獨特的環(huán)境和通信需求對海上油氣生產(chǎn)作業(yè)者和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者提出了許多挑戰(zhàn)。海洋油氣行業(yè)向更深、離岸更遠海域的趨勢，海上作業(yè)裝備的可移動化、采油平臺的無人化、油氣田的一體化運營以及更嚴格的安全和環(huán)境法規(guī)等原因，提高了對高靈活性、高安全性、高可靠性和高容量的通信系統(tǒng)的需求[12]?；赑ointLink 系統(tǒng)的海上微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建及應用可以為海上作業(yè)設(shè)施和陸地，海上作業(yè)設(shè)施之間提供兼具可靠性與成本效益的通信支持，為海洋油氣田的開發(fā)提供可靠的通訊保障。