4G通信技術(shù)在數(shù)字油田建設(shè)中的應(yīng)用

劉曉壘 張濱榮 劉衛(wèi)華 杜敏

[摘 要] 在目前已經(jīng)實(shí)施的油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分主要采用GPRS和ZIGBEE的方式實(shí)現(xiàn)，這兩種技術(shù)都存在數(shù)據(jù)延遲大、傳輸帶寬窄、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題。TD-LTE是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，具有扁平化結(jié)構(gòu)，時(shí)延小，頻譜效率高、上下行靈活調(diào)度等特點(diǎn)，可滿足油田多種高帶寬業(yè)務(wù)的發(fā)展需要。

[關(guān)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(hào)] F272.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）16- 0039- 01

1 引 言

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

油水井物聯(lián)網(wǎng)，又稱油水井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，是將采油工程技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合到一起的生產(chǎn)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油井的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)液量計(jì)算、工況診斷，以及水井的注水量控制等多種功能。

目前的無(wú)線傳輸技術(shù)非常豐富，使用較廣泛的無(wú)線通信技術(shù)有藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee、數(shù)傳電臺(tái)、GPRS、WCDMA、TD-LTE等。雖然數(shù)傳電臺(tái)、Zigbee、GPRS、Wi-Fi等無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)非常成熟，并在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域中被廣泛使用，但這些技術(shù)普遍存在投資成本大、數(shù)據(jù)保密差、維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，在當(dāng)前的油水井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中存在瓶頸。

TD-LTE作為我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的第四代移動(dòng)通信技術(shù)，具有扁平化結(jié)構(gòu)、時(shí)延小、頻譜效率高、上下行靈活調(diào)度特點(diǎn)，可提供多種業(yè)務(wù)的高帶寬服務(wù)，同時(shí)建網(wǎng)成本低且未來(lái)技術(shù)演進(jìn)方向明確，隨著技術(shù)的發(fā)展而演進(jìn)，長(zhǎng)期投資可以得到有效保護(hù)。

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

數(shù)據(jù)采集：鉆、錄、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；

視頻監(jiān)控：重要井口、站場(chǎng)、卡口、作業(yè)區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)督；

應(yīng)急指揮：突發(fā)事件的應(yīng)急通信和集群調(diào)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(dòng)辦公：隨時(shí)隨地安全生產(chǎn)辦公。

結(jié)合TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和大港油田油水井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的現(xiàn)狀及需求，嚴(yán)格遵循中石油A11建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求，循序漸進(jìn)地開(kāi)展油水井物聯(lián)網(wǎng)的升級(jí)改造，最終實(shí)現(xiàn)全部油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、作業(yè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警信息與控制指令的秒級(jí)傳送等。

2 油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)及框架設(shè)計(jì)

油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由3個(gè)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(wú)線變送器及采集器組成，負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類油水井的油壓、套壓、載荷、電參等工況信息，同時(shí)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和指令進(jìn)行控制。

2.1.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

該系統(tǒng)負(fù)責(zé)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(chǎng)到后臺(tái)服務(wù)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(fù)載現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的接收、處理、分析和展示，同時(shí)服務(wù)器通過(guò)與A2、A4等生產(chǎn)信息系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)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(zhǔn)確、可靠的判斷依據(jù)。

在油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集以單井為對(duì)象，每口油水井均有對(duì)應(yīng)的工況屬性，RTU將井口采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴a(chǎn)網(wǎng)的組態(tài)軟件和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)由生產(chǎn)管理子系統(tǒng)為各級(jí)生產(chǎn)管理人員提供油氣生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、分析診斷、預(yù)測(cè)預(yù)警等服務(wù)。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)

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

2.3 組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)及部署

組態(tài)軟件在整個(gè)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(gè)方面：

（1）將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀況信息集中處理，然后存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，供采集控制平臺(tái)和生產(chǎn)管理平臺(tái)調(diào)用；

（2）將采集控制平臺(tái)對(duì)前端設(shè)備的控制指令需要通過(guò)組態(tài)軟件下達(dá)到井場(chǎng)RTU。

因此，組態(tài)軟件的作用在整個(gè)系統(tǒng)中十分關(guān)鍵，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中要充分考慮業(yè)務(wù)發(fā)展需要、數(shù)據(jù)吞吐量、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及日常運(yùn)維管理等具體內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警信息處理、設(shè)備添/刪/改等功能。

2.4 生產(chǎn)業(yè)務(wù)測(cè)試檢驗(yàn)

通過(guò)為期3個(gè)月的實(shí)際投產(chǎn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)區(qū)的所有油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)都能及時(shí)、完整、安全、可靠地回傳到標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)系統(tǒng)，驗(yàn)證了基于4G無(wú)線通信技術(shù)的油水井物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，完全滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。實(shí)際業(yè)務(wù)測(cè)試結(jié)果如下：

①油、套壓生產(chǎn)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集；②功圖可實(shí)現(xiàn)6組/小時(shí)數(shù)據(jù)采集；③報(bào)警延遲控制時(shí)間控制在5s內(nèi)；④數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中丟包率<0.1%；⑤設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可實(shí)時(shí)監(jiān)控；⑥井場(chǎng)巡檢實(shí)現(xiàn)智能化管理；⑦井場(chǎng)監(jiān)控圖像可實(shí)時(shí)傳送。

3 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試及應(yīng)用，驗(yàn)證了TD-LTE無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于油水井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)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(wú)線解決方案，具有高安全、高可靠、易擴(kuò)展和可持續(xù)升級(jí)等特點(diǎn)。為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，為智慧油田的建設(shè)提供了寶貴的理論依據(jù)和實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，具有很高的應(yīng)用推廣價(jià)值，值得其他油田借鑒和學(xué)習(xí)。

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