4G通信技術在數(shù)字油田建設中的應用

劉曉壘 張濱榮 劉衛(wèi)華 杜敏

[摘 要] 在目前已經(jīng)實施的油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)傳輸部分主要采用GPRS和ZIGBEE的方式實現(xiàn)，這兩種技術都存在數(shù)據(jù)延遲大、傳輸帶寬窄、網(wǎng)絡不穩(wěn)定、維護費用高等問題。TD-LTE是我國自主開發(fā)的第四代移動通信技術，具有扁平化結構，時延小，頻譜效率高、上下行靈活調度等特點，可滿足油田多種高帶寬業(yè)務的發(fā)展需要。

[關鍵詞] TD-LTE；油水井；RTU；組態(tài)軟件

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 16. 024

[中圖分類號] F272.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）16- 0039- 01

1 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的持續(xù)快速發(fā)展，油田數(shù)字化時代已經(jīng)到來，油水井物聯(lián)網(wǎng)的建設已經(jīng)在國內(nèi)各大油氣田廣泛開展，掀起一輪智慧油田建設的熱潮。

油水井物聯(lián)網(wǎng)，又稱油水井遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)，是將采油工程技術、通信技術和計算機技術有機結合到一起的生產(chǎn)信息系統(tǒng)，實現(xiàn)油井的自動監(jiān)測、實時數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)液量計算、工況診斷，以及水井的注水量控制等多種功能。

目前的無線傳輸技術非常豐富，使用較廣泛的無線通信技術有藍牙、Wi-Fi、Zigbee、數(shù)傳電臺、GPRS、WCDMA、TD-LTE等。雖然數(shù)傳電臺、Zigbee、GPRS、Wi-Fi等無線通信技術已經(jīng)非常成熟，并在油氣生產(chǎn)領域中被廣泛使用，但這些技術普遍存在投資成本大、數(shù)據(jù)保密差、維護費用高等問題，在當前的油水井物聯(lián)網(wǎng)建設中存在瓶頸。

TD-LTE作為我國自主開發(fā)的第四代移動通信技術，具有扁平化結構、時延小、頻譜效率高、上下行靈活調度特點，可提供多種業(yè)務的高帶寬服務，同時建網(wǎng)成本低且未來技術演進方向明確，隨著技術的發(fā)展而演進，長期投資可以得到有效保護。

作為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設中的無線通信解決方案，其主要承載以下業(yè)務：

數(shù)據(jù)采集：鉆、錄、測井數(shù)據(jù)的遠程傳輸、生產(chǎn)井數(shù)據(jù)的實時采集；

視頻監(jiān)控：重要井口、站場、卡口、作業(yè)區(qū)的實時監(jiān)督；

應急指揮：突發(fā)事件的應急通信和集群調度指揮；

集群通信：日常生產(chǎn)管理和協(xié)同施工作業(yè)；

移動辦公：隨時隨地安全生產(chǎn)辦公。

結合TD-LTE無線通信技術的優(yōu)勢和大港油田油水井物聯(lián)網(wǎng)建設的現(xiàn)狀及需求，嚴格遵循中石油A11建設標準要求，循序漸進地開展油水井物聯(lián)網(wǎng)的升級改造，最終實現(xiàn)全部油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、作業(yè)區(qū)現(xiàn)場的實時監(jiān)控、報警信息與控制指令的秒級傳送等。

2 油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)架構及框架設計

油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成。

2.1.1 采集控制子系統(tǒng)

該系統(tǒng)由各類無線變送器及采集器組成，負責采集生產(chǎn)現(xiàn)場的各類油水井的油壓、套壓、載荷、電參等工況信息，同時對設備運行參數(shù)和指令進行控制。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

該系統(tǒng)負責為工況信息、控制指令、視頻圖像提供從油水井生產(chǎn)現(xiàn)場到后臺服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.1.3 監(jiān)控管理子系統(tǒng)

該系 統(tǒng)負載現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析和展示，同時服務器通過與A2、A4等生產(chǎn)信息系統(tǒng)對接，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的挖掘與分析，為油田生產(chǎn)決策者提供客觀、準確、可靠的判斷依據(jù)。

在油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集以單井為對象，每口油水井均有對應的工況屬性，RTU將井口采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過4G無線網(wǎng)絡傳輸?shù)缴a(chǎn)網(wǎng)的組態(tài)軟件和實時數(shù)據(jù)庫，經(jīng)由生產(chǎn)管理子系統(tǒng)為各級生產(chǎn)管理人員提供油氣生產(chǎn)監(jiān)測、分析診斷、預測預警等服務。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡的建設

RTU作為油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的匯聚點，通過4G網(wǎng)絡的通信終端（DTU），將井口采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和井場視頻監(jiān)控圖像回傳到油田公司生產(chǎn)網(wǎng)，并將來自生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的控制指令通過4G網(wǎng)絡下達給RTU。

2.3 組態(tài)軟件的開發(fā)及部署

組態(tài)軟件在整個油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中起著樞紐作用，主要作用有以下兩個方面：

（1）將生產(chǎn)現(xiàn)場采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設備運行狀況信息集中處理，然后存入實時數(shù)據(jù)庫，供采集控制平臺和生產(chǎn)管理平臺調用；

（2）將采集控制平臺對前端設備的控制指令需要通過組態(tài)軟件下達到井場RTU。

因此，組態(tài)軟件的作用在整個系統(tǒng)中十分關鍵，在開發(fā)過程中要充分考慮業(yè)務發(fā)展需要、數(shù)據(jù)吞吐量、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及日常運維管理等具體內(nèi)容，實現(xiàn)生產(chǎn)運行狀態(tài)監(jiān)控、設備運行狀態(tài)監(jiān)控、實時報警信息處理、設備添/刪/改等功能。

2.4 生產(chǎn)業(yè)務測試檢驗

通過為期3個月的實際投產(chǎn)測試，實驗區(qū)的所有油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)都能及時、完整、安全、可靠地回傳到標準組態(tài)系統(tǒng)，驗證了基于4G無線通信技術的油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)達到業(yè)內(nèi)領先水平，完全滿足實際生產(chǎn)需要。實際業(yè)務測試結果如下：

①油、套壓生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實時采集；②功圖可實現(xiàn)6組/小時數(shù)據(jù)采集；③報警延遲控制時間控制在5s內(nèi)；④數(shù)據(jù)傳輸過程中丟包率<0.1%；⑤設備運行狀態(tài)可實時監(jiān)控；⑥井場巡檢實現(xiàn)智能化管理；⑦井場監(jiān)控圖像可實時傳送。

3 結 論

經(jīng)過實際生產(chǎn)測試及應用，驗證了TD-LTE無線通信技術應用于油水井物聯(lián)網(wǎng)建設的可行性。在油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，TD-LTE作為生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)的無線解決方案，具有高安全、高可靠、易擴展和可持續(xù)升級等特點。為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為智慧油田的建設提供了寶貴的理論依據(jù)和實戰(zhàn)經(jīng)驗，具有很高的應用推廣價值，值得其他油田借鑒和學習。

主要參考文獻

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