一种基于油田输油管道的通信方法

杨 充 王艳丽 杨 鹏 郄海霞 李京子 李亚萍

(1.西安长庆科技工程有限责任公司，西安 710018；2.陕西科技大学镐京学院，陕西 咸阳 712046；3.长庆油田第五采气厂，西安 710018)

在油田数字化发展趋势下，油气田开发、生产过程中需要将分散在一定区域内的多个生产点(如抽油井或采气井)的工况数据传送到监控中心，以便进行集中监控或数据处理[1]。目前多以有线或无线通信方式为主，但由于油气田地处环境比较复杂，存在无线通信设备易被偷盗及破坏等问题。为此，根据油田发展需要，笔者提出了一种新型管道通信方法——利用各井站到集输站的埋地管道完成生产数据的传输。

1 管道通信方法的基本原理①

利用单管道进行数据传输的基本设计思想是用管道和大地作为通信介质来传输信号。管道通信线路前端机和终端机均有两个端口：D口(数字口)和A口(模拟口)。线路前端机的D口接SCADA系统或DCS系统的计算机数据端口；A口接管道前端和大地，即A口的一端接在管道上，另一端接在距管道埋地点大于30m的接地极上。线路终端机的D口接现场RTU的数字端口；A口接管道和大地，即A口的一端接管道末端，另一端接距管道埋地点大于30m的接地极上。前端机和终端机A口的接地极接地电阻要求小于3Ω。抽油机数据采集监控系统中，利用管道通信机进行数据通信的安装接线如图1所示。

图1 管道通信机的数据通信安装接线示意图

将图1简化为图2，阐述其通信原理。监控室计算机或现场RTU发送信号时，线路端机将D口切换为输入端，A口切换为输出端，数字信号经处理调制成载频信号[2]，自A口发送到管线和接地极上。A口的负载电阻是埋地管线和接地极间的地电阻，由于管道埋地，其接地电阻是很小的，A口发送出的电流被埋地管道吸收，电流密度在管道的发送端最大。假设在管道埋地的地域内地电阻是均匀的，则管道上的电流密度在管道的长度方向上按一定的梯度下降，那么在管道末端线路终端机的A口上有一个微小的信号压降，这个信号压降经线路终端机滤波放大、解调、整形后，

从数字端口D输出，完成数字信号的传输。这种传输和接收是双向的，受数字设备的端口协议控制。设计线路端机时，前端机和终端机只是安装位置不同，功能是相同和对称的，同一个线路端机既可安装在线路前端又可安装在线路终端，信号的发送和接收是双向的。当现场监测点是多点时(如多个油井的信号采集和监控)，可用RS-485协议完成多个站场的数据采集和监控。

图2 管道通信机进行数据通信时 安装接线简化示意图

2 管道通信实现方式

按照常规工程设计思想，管道与接地极同时埋地时，工程上认为两者之间是短路的。但理论上两者之间存在微小的阻抗，其集中参数等效电路如图3所示。

图3 集中参数等效电路

图3中，L是把管道看作明线时的电感，C是管道与接地极之间的电容，R是管道与接地极之间的电阻。3个参数中L比明线时小；C随管道的粗细而定，一般均比明线时大[3]。如果合理选择传输系统的载波频率，则L和C可忽略不计，起决定作用的参数是R。R是接地极的接地电阻RJ和管道的接地电阻RG的串联，即：

R=RJ+RG

管道的接地电阻RG在数值上等于从管道埋地端开始与接地极之间单位长度上的接地电导沿管道长度l方向上积分的倒数，即：

其中，ρ(x)是一个非常复杂的函数，与土壤性质、天气、管道直径、管道长度、地下管网结构、管道是否防腐处理以及施工质量等因素有关。经粗略估算R值很小，因此当管道前端与接地极间发送一个一定功率的信号时，在管道末端信号电平是相当小的。经试验分析，对于DN60mm的无缝钢管，在甘肃黄土高原地区，管道无防腐处理深1m、管道长度为2km时，管道前端信号为1W·h，管道末端能获得大约2mV 的信号。

前端机与终端机的工作原理如图4所示，前端机与终端机均包括限幅放大电路、滤波电路、选频放大电路、自动增益控制电路、解调电路、整形放大电路、模拟量电子开关、数字量电子开关、功率放大器、调制电路、载频发生电路和收发控制电路。模拟量电子开关输入端一方面经管道和大地接收管道送来的信息，另一方面向管道发送经功率放大器放大的调制信号。调制信号由载频发生电路和整形放大电路控制；接收与发送由收发控制电路控制。从管道上接收的信息经限幅放大电路、滤波电路、选频放大电路、自动增益控制电路、解调电路和整形放大电路分别处理后，送入数字量电子开关输入端。数字电子开关接收外部控制装置的命令或信息，并将其通过整形放大电路整形后分两路：一路控制收发控制电路打开模拟电子开关用于向管道发送数字信号，另一路由调制电路、载频发生电路和功率放大器处理，并通过模拟电子开关向管道发送命令和信息[4]。

图4 前端机与终端机电路工作原理框图

在油田抽油井数据采集监控系统中，地下管道连在一起，且管网庞大，因此接地电阻比单管的小，故需增大发送数据时的发送功率。对于特定的管网系统，使用地下管道和地作为通信介质时，要进行现场测试以确定端机的发送功率。

3 结束语

利用单管道进行数据传输的通信方式，解决了偏远地区油气田井站数据的传输问题，实现了偏远地区油气田的数字化管理。由于设备可埋地处理，避免了无线通信设备被偷盗及破坏等问题，节省了仪表控制系统的投资，提高了油气田数字化管理水平。管道通信机不但可用于油气田，还可用于具有地下管网系统且地面情况复杂的城市、企业及生活小区等。