王海亭 郝颖祥 饶浩 郑朝阳 李智洁

摘 要： 海上油气田井口平台一般都远离陆地，平台自投入生产后，大部分时间处于无人值守状态，尤其是处于平台生产的间歇期，长时间的无人值守，完全失去对井口情况的了解和掌控。由于各个油气井的井口压力是处于变化过程中，过高的压力容易导致井口事故发生，存在极大的安全隐患，因此，利用现代技术手段，研究一套自动监控系统对平台井口压力进行远程监控具有十分重要的意义。本文结合某海上油田井口平台分布情况，把距离陆地最近的三个平台（7-15Km）的井口压力数据和平台视频远传到陆地进行集中监控，真正达到平台无人值守、远程监控之目的。

关键词：海上油气田;井口平台;井口压力;远程监控;无线传输;无人值守

前言

海上油气田井口平台多种多样，但浅海区域基本采用固定式井口平台，其形式有桩式平台（如导管架平台）、拉索塔式平台、重力式平台等，其中桩式平台最为常用，本文涉及到的无人值守平台就是导管架平台。

随着生产间歇期时间的不断延长，井口压力随着地下油气田的变化而变化，部分油气井压力不断恢复上升，这种不稳定压力的上升积累，给井口平台造成极大的安全隐患。而消除这种安全隐患的最好手段就是对平台进行必要的井口压力监控。

在井口平台上要建立一套自动化远程监控系统，首先要解决供电问题。目前成熟的供电方式一般采用太阳能、风能和风光互补三种方式，由于海上风力变化太大，小型风力发电很难抵御暴风袭击，所以本项目没有采用风力发电的方式，而采用相对稳定的太阳能发电。

1 监控系统架构

1.1 系统架构

本文中对三个井口平台的井口压力和视频进行采集，通过无线网桥传输到岸上监控中心进行数据和视频监控。

三个海上井口平台把PLC采集到压力数据和摄像机的视频信号，通过无线网桥发送到岸上接收端，三路信号接入岸上监控中心交换机，监控计算机通过ForceControl监控组态软件接收每个井口平台的压力数据，并对数据进行实时显示、报警和存储;监控计算机通过视频监控软件对井口平台进行实时监控和操作，硬盘录像机对三个井口平台视频信号进行不间断录像。

1.2 关键设备--无线网桥

本项目的关键设备之一是解决远距离通讯问题的无线网桥，信号链路的畅通与否决定项目的成败。三个井口平台距离最近的监控中心在7Km-15Km之间，虽然海上没有大型遮挡物，但海上经常出现的大雾和雨天多少会给雷达波造成一定的衰减，所以无线网桥选型时必须给予足够的重视。由于岸上监控中心与三个井口平台处于不同的方位，所以采用点对点的无线网桥。

在无线网桥天线的选择上，应该考虑满足通讯距离的前提下，井口平台端尽量考虑功耗低、占用空间小、抗强风的天线。综合考虑网桥两端具体情况确定，监控中心采用功率大、增益高的定向外置天线（32dBi），而井口平台端考虑到是太阳能供电，可用的功率非常有限，则采用功率低、占空间小的板状内置天线（23dBi）。这种天线搭配可满足20Km之内的正常通信。

本无线网桥设备配置为点对点方式，理论带宽为天线的125MHz带宽。由于链路中数据流基本都是井口平台向监控中心发送数据，即上行数据，而下行数据只有极少的摄像机操作控制数据。在上行数据流中，视频图像占据百分之九十五以上的流量，每个平台配置一台200万像素的摄像机，其正常流量为4M左右，峰值达到8M左右，加上压力变送器的测量数据，总流量不超过10M。考虑到远距离通讯造成微波衰减，带宽也存在不同程度的缩减，按照初期设计指标要求，30Km的无线网桥用在20Km范围内通讯，通讯距离缩减了三分之一，带宽也做了同样比例的缩减，则总带宽为83M左右，上下行带宽各为40M左右，由于每个井口平台需求带宽不超过10M，40M带宽完全能满足极端天气下通讯要求。

2 井口平台数据采集和视频监控系统架构

由于平台面积较小，新上的自动化监控设备不应占用过大的通道空间，以免影响生产操作和维修维护等。基于这个原则，本文中的井口压力变送器采用电池供电的无线智能压力变送器，变送器与PLC系统之间没有线缆连接。

无线采集器采用ASC4000无线智能RTU设备，其470MHz频段的无线射频信号可达300米，轻松覆盖整个井口平台。无线压力变送器的测量数据通过无线链路发送给无线采集器，无线采集器把采集到的数据以Modbus RTU的通信方式传输给PLC。最终压力数据和摄像机的视频信号通过交换机、无线网桥发送出去。

3 井口平台电源系统

3.1 电源系统架构

井口平台电源系统是整套系统的核心装备，本文中采用太阳能系统供电方式，电源系统架构见图1所示，系统由太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成的，太阳能电池板把太阳能转化为电能，经太阳能控制器向蓄电池充電。太阳能控制器和逆变器组成220VAC外供电，给无线网桥和PLC以及开关电源提供220VAC电源，开关电源输出24VDC给其它设备提供电源。

3.2 太阳能控制器

本电源系统中的太阳能控制器是发电和用电的主控设备，太阳能电池板发电通过太阳能控制器给逆变器供电，如果发电的电流过小不够用，则太阳能控制器打开蓄电池与逆变器通路，由蓄电池补充电力;如果发电的电流过大，太阳能控制器把多余的电流向蓄电池充电。

太阳能电池板在夜间不发电时，则所有用电由蓄电池提供。当蓄电池充满电时，太阳能控制器自动切断太阳能电池板供电，以避免蓄电池过充电;而当蓄电池电压低于21.4VDC时，太阳能控制器自动切断蓄电池向外供电，以避免因蓄电池过放电造成损坏。

太阳能控制器自带蓄电池过压、欠压、过载和过热等报警和保护功能，而且可以设定蓄电池的放电截止电压和充电截止电压，通过自带的温度传感器，可以根据环境温度高低自动调整最高充电电压，以保证蓄电池容量的稳定。

3.3 负载功耗

井口平台数据采集系统、视频监控系统和供电系统消耗电能设备如下表：

按照设备标称功率计算，总功耗大约为60W左右，即最大功耗≤60W。

3.4 太阳能电池板

在选择太阳能电池板时，应该考虑电池板的安装方位角和倾角，只有最佳的方位角和倾角才能保证太阳能电池板最大的电能输出。由于井口平台四周都是钢管围栏，而且朝向也不是正南正北，都有不同方位偏向。考虑到井口平台空间狭窄，为了不占用井口平台内部空间，太阳能电池板只能沿西南方向的围栏外侧直立安装，基于这种安装方式，太阳能电池板的发电效率将有大约30%的损失，但好处是不影响采油平台或钻井平台作业，而且抗風暴能力增强。

3.5 蓄电池组

蓄电池组是由2块12V150AH蓄电池组成24V150AH电池组，负责存储多余的电能，在夜间和太阳能电池板发电不足的情况下对外供电。在极端天气如雾天、大雨天等无阳光情况下，要求蓄电池组能单独提供电能达48小时以上。

系统总功耗约为60W，由于是标称功耗，实际功耗按照75%进行计算，即为42W， 电池组的放电时间计算如下：

计算公式：

C=1.25x（WxT）/（VfxK）   C：额定容量=150AH Vf：终止电压=21.4V

150=1.25x（45xT）/（21.4x1）   W：负载功率=45W   T：放电时间（小时）

T=57（小时）K：放电效率=1（>10AH）

本计算按照环境温度25℃和蓄电池组充电到24V的条件下进行初步核算，忽略低温对电池放电的影响。考虑到海上冬季温度较低，按照冬季平均温度-7℃时对电池容量进行修正：

C实际容量=C额定容量x〔1+K1（t-25）〕，其中t=环境温度=-7℃，K1=温度系数=0.006/℃，

C实际容量=C额定容量x〔1+0.006（t-25）〕=C额定容量x0.81，放电时间T=57x0.81=46（小时）。

通过以上计算得知，蓄电池组的放电时间基本满足48小时供电要求，由于蓄电池组充满电的情况下，电池电压会远远超过24V，所以实际放电时间应大于以上计算值。

3.6 技术验证

3.6.1 实际功耗

整套系统开机运行后，在逆变器220VAC输出端测的交流0.17A，功耗为37.4W，逆变器功耗为3.7W，太阳能控制器微功耗忽略不计，则总功耗为41.1W，比预算功耗少0.9W。

3.6.2 蓄电池组放电时间

测试自然气候环境温度为-10℃--10℃，在蓄电池组充满电26.2V时切断太阳能电池板供电，系统全部由蓄电池组供电，直到电压降到21.4V时，太阳能控制器自动关闭，系统全部停电，放电时间达到106小时。从实测数据上可以看出，从26.2V开始放电到24V，用时47个小时，而从24V放电到21.4V用时59小时，这个数值与前面的计算57小时有点偏差，这主要原因是实际功耗与理论功耗偏差引起的，但能满足实际要求即可。

4 结论

通过太阳能供电和点对点的无线网络传输，三个平台可以在陆地上对平台井口压力和平台实景进行实时监视，真正实现了海上平台的无人值守。这种无人监控方案优点是：投入低、见效快！缺点是太阳能和无线网络传输均受天气的影响较大，存在一定的局限性！该方案适合新建的规模较小的海上平台。若想要选择比较稳定的海上平台远程监控系统，稳定的电源和稳定的网络依然是我们要考虑的关键点！一体化海缆投入成本较高，但绝对是较大海上平台的首选。

参考文献：

[1]王佳; 《天津地区地面逐时太阳辐射的模拟计算》 ;科学技术与工程;2012.12

作者简介：

王海亭， 女，1980年生，高级工程师，第四采油厂（滩海开发公司）自动化仪表三级工程师，毕业于郑州轻工业学院机械设计制造及其自动化专业。