低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)LoRa技術(shù)在稠油蒸汽驅(qū)采油井中的應(yīng)用分析

宋晨 王曉東 韓光 仇雨薇

[摘 要]油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警等功能，支持油氣生產(chǎn)過程管理。數(shù)據(jù)采集和傳輸是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，以采油井為例，其數(shù)據(jù)采集流程為無線儀表通過ZigBee技術(shù)將數(shù)據(jù)傳至RTU，而RTU通過有線方式與遠(yuǎn)傳模塊進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。此方式存在數(shù)據(jù)傳輸鏈路節(jié)點(diǎn)多、故障發(fā)生概率大等問題，從而增加了后期設(shè)備維護(hù)難度。低功耗窄帶LoRa技術(shù)具有低成本、低功耗、長(zhǎng)距離和安全性高等優(yōu)點(diǎn)，通過應(yīng)用在油井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，可取消傳輸側(cè)的RTU設(shè)備，從而能夠減少傳輸鏈路層級(jí)，降低投資。

[關(guān)鍵詞]油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；采油井；低功耗窄帶；LoRa技術(shù)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2018.16.032

[中圖分類號(hào)]TP393；TE357.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1673-0194（2018）16-00-02

新疆紅山油田位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣紅車斷裂帶北段，距離克拉瑪依市西南約20 km，主要以蒸汽驅(qū)和吞吐的稠油開采方式為主，生產(chǎn)成本高，管理方式為“現(xiàn)場(chǎng)值守、人工巡檢”模式，員工勞動(dòng)強(qiáng)度大，與此同時(shí)，工作對(duì)象大部分為高溫高壓設(shè)備，安全生產(chǎn)壓力大，因此，急需通過建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)改變現(xiàn)有的生產(chǎn)管理模式。采用傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)“儀表-RTU-遠(yuǎn)傳模塊-基站（網(wǎng)關(guān)）”的建設(shè)方式，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生投資費(fèi)用高、鏈路管理難度大等難題，因此通過對(duì)低功耗窄帶LoRa無線通信技術(shù)進(jìn)行研究，本文創(chuàng)新地提出了“儀表-基站（網(wǎng)關(guān)）”的數(shù)據(jù)透?jìng)髂Ｊ?，能夠降低?shù)據(jù)中間傳輸環(huán)節(jié)，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)鏈路，大幅降低物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的傳輸效率。

1 LoRa技術(shù)概述

LoRa（Long Range）技術(shù)是一種新型的基于1 GHz以下的長(zhǎng)距離、低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是一種使用擴(kuò)頻調(diào)制機(jī)制的無線通信技術(shù)。LoRa技術(shù)融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和向前糾錯(cuò)編碼技術(shù)，通過使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK（頻移鍵控）調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，因此在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠并行接受并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。LoRa技術(shù)有以下特點(diǎn)：①遠(yuǎn)距離，164 dB鏈路預(yù)算，傳輸距離大于8 km；②易部署，快速、靈活的基礎(chǔ)設(shè)施易組網(wǎng)且投資成本較少；③低功耗，LoRa節(jié)點(diǎn)模塊僅用于通訊，電池壽命長(zhǎng)達(dá)5年；④低成本，免牌照的頻段，網(wǎng)關(guān)、路由器建設(shè)和運(yùn)營(yíng)、節(jié)點(diǎn)、終端成本低。

2 低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，如圖1所示。

低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸層應(yīng)用LoRa無線通信技術(shù)，在數(shù)據(jù)采集層取消RTU設(shè)備，將前端儀表內(nèi)集成一個(gè)LoRa通信模塊，并通過485協(xié)議實(shí)現(xiàn)模塊和儀表之間進(jìn)行通信，如圖2所示。

在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)過程中，最為基礎(chǔ)和典型的方式就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，扮演中繼網(wǎng)關(guān)，能夠更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)通信以及服務(wù)器數(shù)據(jù)通信的作用，使LoRaWAN協(xié)議與TCP/IP協(xié)議間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，在這里所有的節(jié)點(diǎn)都屬于雙向通信。網(wǎng)關(guān)能夠通過多通道實(shí)時(shí)接收信號(hào)，然后對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行處理。若是在一定特殊的條件下，此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用也不是非常復(fù)雜，在手持終端和設(shè)備之間可以實(shí)現(xiàn)信息的交換作業(yè)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行更好地配置，由此保障短距離內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)雙向通信。同時(shí)，開發(fā)基于LoRa儀表端的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，通過接入油井實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)全廠進(jìn)行統(tǒng)一集中監(jiān)控。

在紅山油田選取部分汽驅(qū)采油單井安裝LoRa壓力變送器1塊、LoRa溫度變送器1塊、LoRa一體化示功儀1臺(tái)和LoRa電參模塊1臺(tái)，對(duì)油井杠點(diǎn)壓力、溫度、功圖、電參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如表1所示。

3 低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果

LoRa無線傳輸技術(shù)在保障紅山油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、完整、安全和可靠的同時(shí)，大大降低了建設(shè)投資費(fèi)用，使得低成本稠油物聯(lián)網(wǎng)成為可能，將單井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)成本從數(shù)萬(wàn)元降至1萬(wàn)元左右。同時(shí)，由于LoRa儀表具有功耗低的優(yōu)勢(shì)，大幅延長(zhǎng)了現(xiàn)場(chǎng)無線儀表電池的壽命，結(jié)合太陽(yáng)能技術(shù)，使無線儀表的電池壽命從原來的3年延長(zhǎng)到了4.5年。該技術(shù)的應(yīng)用為紅山油田生產(chǎn)發(fā)展、應(yīng)用和推廣更先進(jìn)的智能裝置提供了可靠、高效的傳輸通道，為油田信息化和工業(yè)化的深度融合提供了有力的支撐，后期也將在智能油田建設(shè)中進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。

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