無(wú)線通信技術(shù)在油田自動(dòng)化中的應(yīng)用探討

韋娜

摘要：無(wú)線通信技術(shù)主要運(yùn)用在遠(yuǎn)距離通訊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋可以將分離得比較遠(yuǎn)的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，不用考慮通信線路的修建問(wèn)題，這就為油氣田的勘探、開(kāi)采提供了便利。利用LTE無(wú)線通信技術(shù)能夠大幅度提升石油開(kāi)采過(guò)程中的自動(dòng)化程度，完善有線通訊無(wú)法顧及到的地方，同時(shí)降低通信組網(wǎng)設(shè)備等方面的成本，可以快速部署實(shí)施，非常便利且易推廣使用。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù);油田自動(dòng)化;應(yīng)用探討

目前重要石油生產(chǎn)區(qū)使用有線通信，主要應(yīng)用光纜傳輸系統(tǒng)完成通信，但是無(wú)線通信彌補(bǔ)了有線通信的不足之處，能夠在開(kāi)采地區(qū)地形復(fù)雜、建設(shè)有線通訊難度較大或者根本無(wú)法建設(shè)的石油開(kāi)采區(qū)域快速部署，在實(shí)際石油開(kāi)采中成為有線通信的最佳輔助，加之其成本較低，使無(wú)線通信技術(shù)在石油勘探開(kāi)發(fā)、油氣集采方面被廣泛運(yùn)用，下面就對(duì)此技術(shù)在開(kāi)采石油中的運(yùn)用進(jìn)行探討。

1 油田自動(dòng)化概述

自動(dòng)化是目前各個(gè)行業(yè)應(yīng)用中最廣泛的技術(shù)發(fā)展方向，也是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在石油開(kāi)采方面，自動(dòng)化應(yīng)用也日趨廣泛，各個(gè)油氣田在產(chǎn)區(qū)建設(shè)方面均向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，使得生產(chǎn)自動(dòng)化需求越來(lái)越高。其核心是利用通信技術(shù)、信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)等為依托，以各種自動(dòng)化的儀器儀表作為基礎(chǔ)，建立油氣生產(chǎn)所有環(huán)節(jié)，包括監(jiān)控、監(jiān)測(cè)、控制、調(diào)度與管理等統(tǒng)一工作平臺(tái)，使開(kāi)采石油過(guò)程中的各個(gè)步驟能夠?qū)崟r(shí)可控。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，在石油開(kāi)采過(guò)程中能夠節(jié)約很多人力與物力成本，降低發(fā)生危險(xiǎn)的概率。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行機(jī)制

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)引入石油的開(kāi)采，其主要目的是在開(kāi)采過(guò)程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，傳輸和整理，其基本組成是有傳感器、匯集與管理三個(gè)節(jié)點(diǎn)，在開(kāi)采石油的過(guò)程中，安裝無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)是在所采石油的監(jiān)控范圍中所使用到的傳感器的數(shù)量，然后傳感器會(huì)自己進(jìn)行配置與管理，進(jìn)一步形成多跳無(wú)線網(wǎng)，最終依靠傳感器的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。在整個(gè)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的處理，最終所有數(shù)據(jù)傳遞到匯聚點(diǎn)，再向上傳遞到各個(gè)管理節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集等過(guò)程，這整個(gè)過(guò)程都依托于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在各個(gè)管理節(jié)的數(shù)據(jù)可以有用戶進(jìn)行處理歸納和使用。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建的優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 組網(wǎng)簡(jiǎn)單快捷、移動(dòng)性強(qiáng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器以自組織的方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作探測(cè)、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的檢測(cè)信息，并進(jìn)行上報(bào)。目前在石油開(kāi)采中，應(yīng)用最多的傳感器就是溫度、流量和壓力變送器，實(shí)際應(yīng)用是將無(wú)線傳感器連接在接口處，同時(shí)對(duì)信道與地址等簡(jiǎn)單配置就可以進(jìn)行通信傳輸。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建不需要借助電纜、光纜等硬件系統(tǒng)來(lái)傳遞信息，所以且其構(gòu)建很方便，而且可以選擇合適的位置進(jìn)行移動(dòng)。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性好

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)來(lái)控制，因此當(dāng)其基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)完成之后，可以很方便的對(duì)其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)接收設(shè)備終端冗余端口進(jìn)行下聯(lián)完成擴(kuò)展，也可以通過(guò)增加設(shè)備完成，其擴(kuò)展規(guī)模可以根據(jù)實(shí)際需求確定，這種無(wú)線組網(wǎng)方式可以滿足多場(chǎng)景、多需求的油氣田生產(chǎn)。

2.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不足

2.3.1 實(shí)時(shí)性差

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)接收過(guò)程是通過(guò)接收端先接收無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)的信息，然后經(jīng)過(guò)所接受的地址按前后順序依次進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集整理，并完成上報(bào)。在這個(gè)過(guò)程中因?yàn)榘错樞蜻M(jìn)行，因此收集的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況會(huì)有一定時(shí)間差，在實(shí)時(shí)性方面會(huì)有一些不足，對(duì)于時(shí)間精度要求高的應(yīng)用場(chǎng)景不適用。

2.3.2供電性差

無(wú)線傳感器很多不支持用物理儀表和電纜等供電，在不能適用POE供電的情況下，需要依靠電池進(jìn)行供電，而電池存電有限，即使耗電功能低也會(huì)有用完的時(shí)候，需要及時(shí)的更換供電電池，因此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電性比較差，使得后期自動(dòng)化維護(hù)工作量較大，如果自動(dòng)化維護(hù)力量跟不上，直接會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集工作停止，給生產(chǎn)安全帶來(lái)隱患。

3 無(wú)線網(wǎng)橋的應(yīng)用

3.1 無(wú)線網(wǎng)橋運(yùn)行機(jī)制

在進(jìn)行石油開(kāi)采時(shí)，無(wú)線網(wǎng)橋通常所使用的通信頻段分為5.8G與2.4G兩種，在開(kāi)采石油時(shí)實(shí)際使用的是5.8G較為常見(jiàn)，此頻段使用是可以不用申請(qǐng)執(zhí)照，同時(shí)還具有無(wú)線網(wǎng)橋的功能。

進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)橋的搭建時(shí)，有三種方式進(jìn)行選擇，為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、中繼模式和點(diǎn)對(duì)多模式，這三種方式的具體使用是有各自的特點(diǎn)的，主要與開(kāi)采地的環(huán)境、地質(zhì)、油田的開(kāi)采對(duì)自動(dòng)化的要求和終端距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，其中影響最大的是終端距離，要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇。當(dāng)終端距離比較遠(yuǎn)的時(shí)候，可以選擇使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式，效果比較好;當(dāng)終端距離比較近時(shí)，可以選擇使用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的模式;當(dāng)這兩種距離都有事，采取中繼的模式是最好的，這樣的選擇是科學(xué)的。

3.2 無(wú)線網(wǎng)橋的優(yōu)勢(shì)

無(wú)線網(wǎng)橋與無(wú)線網(wǎng)橋相比，無(wú)線網(wǎng)橋最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是其移動(dòng)性比較強(qiáng)，沒(méi)有物理電纜，通過(guò)室內(nèi)外的接收與發(fā)射裝置、室內(nèi)單元等為媒介進(jìn)行通訊，因而具有較強(qiáng)的移動(dòng)性的，在實(shí)際使用時(shí)可以依據(jù)具體情況改變所處的位置。油氣田生產(chǎn)區(qū)由各個(gè)場(chǎng)站組成，一般會(huì)將各個(gè)場(chǎng)站的具體運(yùn)行狀況和實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面等信息通過(guò)中央控制器來(lái)集中處理，這些信息可以作為調(diào)控管理與工作調(diào)度的依據(jù)?；谏鲜鲆话愕膽?yīng)用場(chǎng)景，采用點(diǎn)對(duì)多的架設(shè)方式是在油氣田使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最佳模式。

4 LTE技術(shù)的應(yīng)用

4.1 LTE技術(shù)運(yùn)行機(jī)制

在油氣生產(chǎn)區(qū)的井場(chǎng)，安裝在油井或采氣樹(shù)上的傳感器實(shí)時(shí)采集所需的壓力、溫度等參數(shù)，數(shù)據(jù)通過(guò)DTU、CPE等多種無(wú)線終端UE上傳至本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)基站，基站采用分布式架構(gòu)，主要由基帶處理單元BBU和射頻拉遠(yuǎn)單元RRU以及配套智能天線組成;基站利用傳輸設(shè)備將大量數(shù)據(jù)通過(guò)油田骨干傳輸網(wǎng)傳送至核心網(wǎng)EPC，EPC完成TD-LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換和路由設(shè)備，負(fù)責(zé)基站的管理、無(wú)線終端的接入控制、認(rèn)證和用戶的移動(dòng)性管理等功能;EPC提供SGi接口為上層應(yīng)用提供與無(wú)線終端之間的數(shù)據(jù)通道，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、語(yǔ)音與多媒體集群調(diào)度和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)等多種應(yīng)用功能，同時(shí)使用OMC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理。

4.2 LTE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

4.2.1 正交頻分復(fù)用OFDM

將高速的數(shù)據(jù)流分解為N個(gè)并列的低速數(shù)據(jù)流，在N個(gè)子載波上同時(shí)進(jìn)行傳輸。這些在N子載波上同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)符號(hào)，構(gòu)成一個(gè)OFDM符號(hào)。子載波窄帶傳輸特性，使OFDM可以采用簡(jiǎn)單的頻域均衡技術(shù)，同時(shí)采用混疊的正交子載波并行傳輸數(shù)據(jù)，有效利用頻帶資源。

4.2.2多天線分集技術(shù)MIMO

多個(gè)輸入和多個(gè)輸出既可以來(lái)自于多個(gè)數(shù)據(jù)流，也可以來(lái)自于一個(gè)數(shù)據(jù)流的多個(gè)版本，多流MIMO能夠提高系統(tǒng)峰值速率。

4.2.3流波束賦形技術(shù)

TD-LTE多天線增強(qiáng)型技術(shù)，采用8天線的雙流波束賦形技術(shù)可以顯著提升單站覆蓋半徑和系統(tǒng)平均吞吐量。

在技術(shù)方面，OFDM正交頻分復(fù)用、MIMO多天線分集和流波束賦形技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)油氣田面積廣袤、井場(chǎng)分布離散、無(wú)線環(huán)境復(fù)雜，均可實(shí)現(xiàn)安全可靠的組網(wǎng)，充分體現(xiàn)了TD-LTE技術(shù)在油田組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與信息技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線通信有廣闊的研發(fā)前景。在石油的自動(dòng)化開(kāi)采中，無(wú)線通信具有很多有線通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，在今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日趨完善，油氣田開(kāi)發(fā)建設(shè)時(shí)將越來(lái)越廣泛的使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為通信依托，無(wú)線技術(shù)和石油行業(yè)的深度融合有著廣泛的探索空間。

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