山區(qū)油田數(shù)字化無線通訊方式應(yīng)用研究

楊峰

山區(qū)油田數(shù)字化無線通訊方式應(yīng)用研究

楊峰

(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高陵 710200)

[摘要]通過適應(yīng)于油田信息化無線通訊的關(guān)鍵技術(shù)推介，確定了山區(qū)油田數(shù)字化無線通訊構(gòu)架。油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊選擇Zigbee近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)；采油平臺RTU、視頻與就近站點(diǎn)之間的通訊選擇無線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。應(yīng)用表明，Zigbee無線通訊方式尤其適合油田叢式井場數(shù)據(jù)通訊的需求；無線網(wǎng)橋通訊方式適合存在大量山區(qū)的采油平臺和站點(diǎn)的跨山通訊需求。

[關(guān)鍵詞]山區(qū)；油田；采油平臺；井場；數(shù)字化；信息化；無線通訊

國內(nèi)油田隨著開采時間的增加，地下情況、穩(wěn)產(chǎn)條件也在逐步變化。井站地處偏遠(yuǎn)山區(qū)、覆蓋范圍廣，傳統(tǒng)人工巡視、駐井駐站的模式，存在生產(chǎn)參數(shù)采集難、突發(fā)性異常發(fā)現(xiàn)遲、井況分析診斷難、違法偷盜原油及破壞生產(chǎn)設(shè)備取證調(diào)查難、基層源頭原始數(shù)據(jù)資料無法實(shí)現(xiàn)共享等弊端。在油田企業(yè)減員增效、推進(jìn)扁平化管理、促進(jìn)企業(yè)自身競爭力的大趨勢下，進(jìn)一步發(fā)展油田自動化、信息化、數(shù)字化已成為當(dāng)務(wù)之急。生產(chǎn)信息化建設(shè)主要以視頻監(jiān)控、參數(shù)自動采集等為主要內(nèi)容，涉及大量設(shè)備、井站的數(shù)據(jù)通訊。由于現(xiàn)場環(huán)境、施工條件和材料成本的限制，使得方案設(shè)計無法全部采用傳統(tǒng)有線通訊的方式。因此，選用適合山區(qū)油田現(xiàn)場需求、可靠性高的無線通訊方式具有十分重要的意義。

1關(guān)鍵技術(shù)推介

油田數(shù)字化所需的無線通訊主要針對文字、視頻、語音數(shù)據(jù)的傳輸。21世紀(jì)初廣泛應(yīng)用的無線通訊技術(shù)主要有GPRS/CDMA、數(shù)傳電臺及衛(wèi)星通信技術(shù)等[1]。近幾年隨著通訊帶寬需求的增大和技術(shù)的發(fā)展，中長距離通訊上基于擴(kuò)頻微波的無線網(wǎng)橋技術(shù)迅速興起，短距離通訊上智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高帶寬的數(shù)傳電臺也不斷涌現(xiàn)，采用IEEE 802.15.4收發(fā)器技術(shù)(硬件技術(shù))與Zigbee聯(lián)盟的協(xié)議棧的組合產(chǎn)生的新技術(shù)Zigbee通訊也快速在市場上得以廣泛應(yīng)用[2,3]。筆者認(rèn)為，目前適應(yīng)于油田信息化無線通訊的關(guān)鍵技術(shù)有：

1)GPRS/CDMA無線通訊技術(shù)采用分組交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)報文數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。GPRS/CDMA通訊終端工作時將要發(fā)送的報文分組，每個分組都包含目的地信息，通過運(yùn)行商網(wǎng)絡(luò)基站獨(dú)立傳輸，到達(dá)指定的公網(wǎng)IP地址后重新組合以恢復(fù)完整的報文。分組交換無需長時間占用線路頻寬，資源利用性較高，實(shí)行性也得以保證，因此特別適用于間斷的、突發(fā)的、頻繁的中小流量數(shù)據(jù)傳輸。

2)數(shù)傳電臺用于點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的工作環(huán)境，能夠提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口，可直接與計算機(jī)、RTU、PLC等數(shù)據(jù)終端連接，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。數(shù)傳電臺的傳輸速率從1.2～19.2kB，傳輸距離20～50km。具有抗干擾能力強(qiáng)、接收靈敏度高等特點(diǎn)。數(shù)傳電臺技術(shù)比較成熟，標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

3)衛(wèi)星通信是地球上(包括地面、水面和低壓大氣中)的無線電通信站通過人造衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)或反射無線電波，以此實(shí)現(xiàn)2個或多個地球站之間的通信，可以承載多種通信業(yè)務(wù)(INTERNET接入、IP電話、視頻會議/監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、備份鏈路、廣播等)，信號覆蓋范圍廣，通信成本與傳輸距離無關(guān)。

4)無線網(wǎng)橋是遵循擴(kuò)頻微波技術(shù)的產(chǎn)物，為使用無線(微波)進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多互聯(lián)而設(shè)計。它是一種在鏈路層實(shí)現(xiàn)LAN互聯(lián)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，用于設(shè)備之間的遠(yuǎn)距離(可達(dá)50km)、高速率(可達(dá)百M(fèi)B/s)無線組網(wǎng)，尤其適合對帶寬要求極高的視頻監(jiān)控等大數(shù)據(jù)量信號傳輸業(yè)務(wù)。擴(kuò)頻微波技術(shù)是近幾年興起的一門數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。擴(kuò)頻微波最大優(yōu)點(diǎn)在于較強(qiáng)的抗干擾能力，以及保密、多址、組網(wǎng)、抗多徑等，同時具有傳輸距離遠(yuǎn)、覆蓋面廣等特點(diǎn)，特別適合野外聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

5)Zigbee是一種嶄新的，專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。Zigbee技術(shù)主要針對低數(shù)據(jù)速率、電池供電為主的應(yīng)用，Zigbee設(shè)備持續(xù)處于活動狀態(tài)的時間是有限的，大部分時間處于省電模式(也稱休眠模式)，其電池需要能夠工作數(shù)年以上。

2無線通訊構(gòu)架

目前國內(nèi)油田的信息化建設(shè)主要以視頻監(jiān)控、參數(shù)自動采集等為主要內(nèi)容。油田采油平臺多為叢式井，即一個平臺具有多口油井、水井，數(shù)字化建設(shè)需安裝RTU和傳感器采集其生產(chǎn)動態(tài)，采油平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻歸屬就近增壓點(diǎn)(或注水站、接轉(zhuǎn)站)管理，涉及如下通訊需求。

2.1油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊

油水井實(shí)施數(shù)字化升級改造，主要監(jiān)測的內(nèi)容包括井口油壓、套壓、示功圖(通過載荷和位移同步采集的數(shù)據(jù)生成)、抽油機(jī)啟停狀態(tài)及遙控等，數(shù)據(jù)通過油水井RTU采集后由采油平臺主RTU集中后統(tǒng)一上傳至上級平臺。從技術(shù)原理上篩選，GPRS/CDMA、衛(wèi)星通信、無線網(wǎng)橋?qū)儆谥羞h(yuǎn)距離通訊，數(shù)傳電臺和Zigbee為短距通訊。采油平臺一般方圓不超過200m，因此油水井RTU與采油平臺主RTU之間的無線通訊方式需從后兩者中篩選。數(shù)傳電臺技術(shù)起源早、技術(shù)成熟，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；然而Zigbee作為新興技術(shù)較之具有可靠性高、使用方便安全、抗干擾力強(qiáng)、保密性好、誤碼率低、頻段免費(fèi)、價格低等優(yōu)勢。因此，油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊方式選擇基于Zigbee技術(shù)的產(chǎn)品。

2.2采油平臺RTU、視頻與就近站點(diǎn)之間的通訊

采油平臺實(shí)施數(shù)字化升級改造，主要監(jiān)測的內(nèi)容包括油水井?dāng)?shù)據(jù)的集中轉(zhuǎn)發(fā)、采油平臺視頻圖像的監(jiān)控，數(shù)據(jù)經(jīng)過交換機(jī)匯聚后上傳至就近站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，通過主干光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至作業(yè)區(qū)、采油廠服務(wù)器。油田內(nèi)各個站點(diǎn)、采油平臺地處偏遠(yuǎn)山溝，平臺與平臺、平臺與站點(diǎn)之間除山體遮擋外基本無障礙物，直線間距一般為2～3km，可視條件較好。因此，采油平臺RTU、視頻與就近站點(diǎn)之間的通訊可以從GPRS/CDMA、衛(wèi)星通信、無線網(wǎng)橋3種通訊方式來選擇。GPRS/CDMA只要有信號基站即可完全不受通訊距離限制傳輸數(shù)據(jù)，但GPRS的峰值速率為115.2kB/s，CDMA 1X系統(tǒng)的峰值速率為153.6kB/s，僅能滿足數(shù)據(jù)通訊的需求，帶寬限制無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)清視頻圖像(704×576分辨率)的實(shí)時傳送；而其升級的3G、4G網(wǎng)絡(luò)因運(yùn)營商投資費(fèi)用限制在山區(qū)的覆蓋率極低，且按照流量計費(fèi)的方式運(yùn)營成本較高，無法實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)用。因此，在只做生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的偏遠(yuǎn)拉油井場可采用GPRS/CDMA的通訊方式。衛(wèi)星通信的傳輸環(huán)節(jié)少，除設(shè)備本身被其他大型建筑或山體遮蓋無信號外，不受地理?xiàng)l件和氣象的影響，可全天候獲得高質(zhì)量的通信信號。衛(wèi)星通信通常采用租賃的方式，然而在油田信息化監(jiān)控室即使租用一個轉(zhuǎn)發(fā)器，其帶寬也僅在600M左右，無法滿足大量的監(jiān)控需求，而且租賃費(fèi)用極高，因此衛(wèi)星通信最好是在其他通信方式無法實(shí)現(xiàn)的重要生產(chǎn)區(qū)域使用。無線網(wǎng)橋具有組網(wǎng)方式靈活、適應(yīng)性好、帶寬高，網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，建設(shè)周期較短，施工較為方便、容易的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是在大型建筑內(nèi)或山體等物體遮蓋住設(shè)備本身時通信信號無或閃爍不定，通過遮擋物后信號衰減嚴(yán)重，因此不能保證遠(yuǎn)距離可靠傳輸?shù)男Ч€(wěn)定性較差。對比判斷，采油平臺RTU、視頻與就近站點(diǎn)之間的通訊方式應(yīng)選擇無線網(wǎng)橋。

3無線通訊應(yīng)用性能分析

按照上述無線通訊構(gòu)架設(shè)計，在山區(qū)油田進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)過程中，Zigbee和無線網(wǎng)橋通訊技術(shù)得以大量的應(yīng)用。下面對這兩種無線通訊方式的應(yīng)用進(jìn)行性能分析。

3.1Zigbee近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

圖1　山區(qū)油田數(shù)字化Zigbee近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用

在油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊選擇了Zigbee近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。設(shè)計選用的Zigbee無線通訊模塊載頻頻率為2.4GHz，最大可提供16個信道，最大傳輸距離1000m，推薦傳輸距離200m以內(nèi)，物理帶寬250kB/s，有效數(shù)據(jù)速率約為100kB/s。應(yīng)用中，油水井RTU與采油平臺主RTU均安裝有RS232串口連接的Zigbee無線通訊模塊。設(shè)備上電后，主RTU對每個油水井RTU按照地址編碼逐個發(fā)送命令幀，油水井RTU收到數(shù)據(jù)廣播后自行解析；當(dāng)分析到幀中的地址與本機(jī)相同時，對消息幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)；若驗(yàn)證通過則向主RTU回復(fù)一個應(yīng)答幀，并按照預(yù)先約定的功能碼生成應(yīng)答數(shù)據(jù)幀發(fā)送至主RTU。從第一個油水井RTU到最后一個依次輪訓(xùn)，最終實(shí)現(xiàn)一個采油平臺主RTU對多個油水井RTU的數(shù)據(jù)采集(圖1)。

3.2無線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

圖2　山區(qū)油田數(shù)字化無線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用

在采油平臺RTU、視頻與就近站點(diǎn)之間的通訊選擇了無線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。采油平臺主RTU及視頻數(shù)據(jù)流與就近站點(diǎn)的上位機(jī)通信采用的是以太網(wǎng)通信方式，除傳輸視距完全受限的區(qū)域必須采用敷設(shè)光纜實(shí)現(xiàn)通訊外，傳輸視距好，能夠直接、或者通過較少的中繼與所屬站點(diǎn)通信的情況優(yōu)先采用無線網(wǎng)橋方式。應(yīng)用中，網(wǎng)橋選用支持“點(diǎn)對點(diǎn)”、“點(diǎn)對多”通訊模式的產(chǎn)品。每個采用無線通訊的采油平臺在井場視頻監(jiān)控用水泥桿的頂端安裝配有定向天線的無線網(wǎng)橋設(shè)備，通過調(diào)整網(wǎng)橋的對射角度實(shí)現(xiàn)采油平臺的作為通訊終端、中繼點(diǎn)的功能，站點(diǎn)內(nèi)的通訊桿上安裝配有全向天線的無線網(wǎng)橋設(shè)備，用于接收各終端或中繼點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)(圖2)。一般無線網(wǎng)橋的最低理論傳輸速率在6MB/s左右，完全可以滿足現(xiàn)場帶寬的需要；當(dāng)其作為中繼點(diǎn)時，需計算終端和其自身共計的數(shù)據(jù)帶寬。經(jīng)過現(xiàn)場大量的應(yīng)用和方案優(yōu)化，分析無線網(wǎng)橋通信的性能可靠性：①采用5.725～5.850GHz工作頻段，提高了網(wǎng)橋在遠(yuǎn)距離通訊下的實(shí)際可用帶寬；②采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)和非視距(NLOS)傳輸技術(shù)，降低了使用中安裝條件的限制，提高了覆蓋能力；③自適應(yīng)調(diào)制解調(diào)技術(shù)和自動功率發(fā)送控制增強(qiáng)，保證了鏈路穩(wěn)定性和可靠性。應(yīng)用表明，無線網(wǎng)橋通訊的方式對于存在大量山區(qū)內(nèi)跨山通訊需求的采油平臺和站點(diǎn)，極大解決了施工布線難題，并保證了大容量數(shù)據(jù)的通訊效果。

4結(jié)語

選擇合適的無線通訊方式和成熟可靠的產(chǎn)品，對于地理環(huán)境以山區(qū)為主的油田信息化建設(shè)中的網(wǎng)絡(luò)通訊，具有施工成本極低、使用和維護(hù)方便、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，使得其能夠在整個油田內(nèi)部的信息化建設(shè)中大面積的推廣應(yīng)用，為現(xiàn)代化油田的智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化管理提供可靠的技術(shù)保障。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 朱天壽. 油氣田數(shù)字化管理[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2011.

[3] 賈愛林，郭建林. 智能化油氣田建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與認(rèn)識[J].石油勘探與開發(fā)，2012，39(1)： 118～122．

[編輯]帥群

80 Application of Wireless Communication in Oilfield Digitalization in the Mountain Areas

Yang Feng(Author’sAddress:No.5OilProductionPlant,ChangqingOilfieldCompany,PetroChina,Gaoling710200,Shaanxi,China)

Abstract:By the introduction of the key technology of wireless communication used for oilfield informationization, the frame work of wireless communication of oilfield digitalization in the mountain areas was determined, Zigbee short-range wireless network communication technology was selected for the communication between RTU in production well and main RTU in production platform, a wireless bridge remote wireless network communication technology was chosen for the communication between RTU in the production platform, video and the nearby stations.The application shows that Zigbee wireless communication can particularly meet the demands of oilfield data transfer for cluster well drillings, while the wireless bridge network communication can meet the demands of large scale of communications from production platforms in the mountain areas and communications from the stations crossing mountains.

Key words:mountain area; oilfield; production platform; well site; digitalization; informationization; wireless communication

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)17-0080-03

[中圖分類號]TE46