無線通信系統(tǒng)WiMAX在油田中的應用分析

李樹昊

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司 北京 100085

1 通信需求分析

1.1 組網需求

BAB油田新增井口在整個油田范圍內分布較廣，計劃開發(fā)采油井、注水井、注氣井共計二百余口。其中有58口各類井未分布在含計量撬或測試分離器等場站上，為站外單井。站外單井的工藝儀表數據（壓力，溫度）需經各脫水站或集輸站傳輸到位于中央處理站(BCDS)的控制室儀表控制系統(tǒng)，對所有油田單井的產量和狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

1.2 組網分析

1.2.1 傳輸介質與速率。常規(guī)的數據傳輸方式是使用信號電纜或光纜。使用多對線的信號電纜時，傳輸速率可滿足需求。但由于信號衰減導致的失真，通?？煞笤O長度僅在幾百米的范圍內。

使用光纜時，分為單模光纜與多模光纜，多模光纜的有效傳輸距離也僅為幾百米。在長距離高可靠性的數據傳輸要求下，通常使用單模光纜作為數據傳輸的介質，其數據傳輸速度可達10Gb/S。

在站外單井井口處常用的儀表包括有壓力表，溫度表，火氣探頭，緊急關斷控制等（具體的儀表類型由現場情況和油田情況決定）。在油田實際使用的情況中，所有站外單井的單井遠傳信號占用總帶寬不超過10Mbps，即使用帶寬量極低。從數據傳輸量角度，使用光纜作為單井傳輸介質能滿足要求。

1.2.2 施工條件。在BAB廠區(qū)里，由于站外單井分布的范圍較廣，且位于沙漠地區(qū)，直接在地面上敷設光纜可能會因野生動物活動和沙漠環(huán)境的影響導致光纜損壞。而將光纜埋地敷設的施工量也較大，為保證光纜不損壞，需要至少700毫米埋深。無論是使用機械還是人工開挖，在沙漠地形中進行施工難度都較大，工期較長，即從成本角度進行考慮并不推薦。

1.2.3 安全性與可靠性。除了以上兩點，安全性同樣也是需要考慮的重點。常規(guī)的井口光纖分配為2芯用于分布控制系統(tǒng)，2芯用于緊急關斷系統(tǒng)，2芯用于火氣系統(tǒng)。在數據傳輸的過程中，一用一備，以保證系統(tǒng)數據傳輸的安全性。與安全性直接相關的火氣和緊急關斷系統(tǒng)，通常是要求使用硬線進行連接，以保障系統(tǒng)的可靠性。在BAB油田中，依照其常規(guī)做法，井口僅向中央處理站發(fā)送井口的溫度和壓力數據。對站外單井井口的關斷控制為就地控制邏，從就地控制盤使用硬線連接到井口的火氣設備和關斷閥，并不接受從中央處理站發(fā)送的控制信號，僅在井口狀態(tài)變化后向BCDS的控制系統(tǒng)發(fā)送狀態(tài)信號。即安全系統(tǒng)就地使用硬線連接，并不違背對安全系統(tǒng)使用線纜的要求。

綜合以上幾點，需要提供一種具備高可靠性，便于施工，布置便捷的數據通信系統(tǒng)以滿足BAB油田中的通信需求。

2 無線通信(WlMAX)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)說明

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)作為一項高速無線數據網絡標準，提供了基于無線數據傳輸的組網解決方案。同其他無線通信系統(tǒng)一樣，通過利用特定頻段的電磁波，由發(fā)射端和接收端對電信號和光信號進行編譯和解碼，完成數據傳輸。其理論傳輸距離可達50公里，最大數據傳輸速度可達100Mbps[1]。在阿聯酋油田市場中使用時，僅需到當地電信管理局(TelecommunicationsRegulatoryAuthority, TRA)進行登記并使用許可頻段即可，更高的頻段意味著更高的傳輸速率和更低的傳輸距離。

實際使用中，需根據油田單井和對應主站的海拔高度建設通信塔，保證收發(fā)端兩者間的電磁波可被直接接收，高度不足或有遮擋處需增加通信塔高度。

2.2 系統(tǒng)結構與設備選型

井口數據傳輸到就地控制盤后，遠傳數據上行到井口無線系統(tǒng)的前端設備，編譯后通過雷達發(fā)送信號回主站的通信基站，接受相應信號并解析后再經各站間埋地光纜網絡發(fā)送到BCDS服務器上，并轉發(fā)給相應系統(tǒng)。

除去各站及井口的通信塔為系統(tǒng)的附加組成部分外，在BAB油田中使用的WiMAX系統(tǒng)還包含以下核心部分：系統(tǒng)服務器，系統(tǒng)用交換機，無線基站，無線前端設備，雷達等，其余如機柜，浪涌保護器等均根據實際需要提供。

對于設備的選用，對存在已建系統(tǒng)的盡量使用同品牌，同型號，規(guī)格相似或優(yōu)于已存設備的。選擇支持當地電信管理局審批的無線通信頻段終端設備。無已建系統(tǒng)的情況下，需要基于最終的技術需求對廠家和產品進行篩選，以保證在油田廠區(qū)實際應用中的效果。

2.3 無線覆蓋研究報告

該報告通常為供貨商使用基于產品開發(fā)的軟件或是第三方軟件，以油田廠區(qū)中的無線基站坐標，站外單井的前端設備坐標，設備高度，傳輸頻段及地形等參數作為輸入條件，經過軟件計算后導出無線通信中的各基站與前端的帶寬覆蓋和可靠性情況。如使用CelPlan, OPNET Modeler等軟件進行模擬[2]。使用支持批準頻段的設備對現場情況進行模擬和仿真。在模擬前應盡量確定所需的所有參數，依照仿真和結果修改諸如通信塔高度，天線角度等。

該報告還應包含對系統(tǒng)可靠性的計算。每個站外單井設備同主站上的無線設備間的可靠性應單獨進行計算，通常要滿足99.99%的可靠性，部分油田要求滿足99.999%的可靠性。

3 結束語

基于WIMAX的無線傳輸系統(tǒng)可以較好地在大范圍內滿足油田單井數據傳輸的需求，部署便捷，可拓展性高，相比于常規(guī)的敷設埋地光纜或電纜的工作量有極大的減少，是一種油田廠區(qū)單井信號傳輸的可選方案。但同時也有著受廠區(qū)海拔高度變化，天氣情況影響等缺點，極端天氣下存在不能滿足可靠性的可能，且僅在安全系統(tǒng)只上傳狀態(tài)信號情況下可用，在實際使用中仍有較多局限。