山區油田數字化無線通訊方式應用研究

楊峰

山區油田數字化無線通訊方式應用研究

楊峰

(中石油長慶油田分公司第五采油廠，陜西 高陵 710200)

[摘要]通過適應于油田信息化無線通訊的關鍵技術推介，確定了山區油田數字化無線通訊構架。油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊選擇Zigbee近程無線網絡通信技術；采油平臺RTU、視頻與就近站點之間的通訊選擇無線網橋遠程無線網絡通信技術。應用表明，Zigbee無線通訊方式尤其適合油田叢式井場數據通訊的需求；無線網橋通訊方式適合存在大量山區的采油平臺和站點的跨山通訊需求。

[關鍵詞]山區；油田；采油平臺；井場；數字化；信息化；無線通訊

國內油田隨著開采時間的增加，地下情況、穩產條件也在逐步變化。井站地處偏遠山區、覆蓋范圍廣，傳統人工巡視、駐井駐站的模式，存在生產參數采集難、突發性異常發現遲、井況分析診斷難、違法偷盜原油及破壞生產設備取證調查難、基層源頭原始數據資料無法實現共享等弊端。在油田企業減員增效、推進扁平化管理、促進企業自身競爭力的大趨勢下，進一步發展油田自動化、信息化、數字化已成為當務之急。生產信息化建設主要以視頻監控、參數自動采集等為主要內容，涉及大量設備、井站的數據通訊。由于現場環境、施工條件和材料成本的限制，使得方案設計無法全部采用傳統有線通訊的方式。因此，選用適合山區油田現場需求、可靠性高的無線通訊方式具有十分重要的意義。

1關鍵技術推介

油田數字化所需的無線通訊主要針對文字、視頻、語音數據的傳輸。21世紀初廣泛應用的無線通訊技術主要有GPRS/CDMA、數傳電臺及衛星通信技術等[1]。近幾年隨著通訊帶寬需求的增大和技術的發展，中長距離通訊上基于擴頻微波的無線網橋技術迅速興起，短距離通訊上智能化、網絡化、高帶寬的數傳電臺也不斷涌現，采用IEEE 802.15.4收發器技術(硬件技術)與Zigbee聯盟的協議棧的組合產生的新技術Zigbee通訊也快速在市場上得以廣泛應用[2,3]。筆者認為，目前適應于油田信息化無線通訊的關鍵技術有：

1)GPRS/CDMA無線通訊技術采用分組交換技術實現報文數據發送和接收。GPRS/CDMA通訊終端工作時將要發送的報文分組，每個分組都包含目的地信息，通過運行商網絡基站獨立傳輸，到達指定的公網IP地址后重新組合以恢復完整的報文。分組交換無需長時間占用線路頻寬，資源利用性較高，實行性也得以保證，因此特別適用于間斷的、突發的、頻繁的中小流量數據傳輸。

2)數傳電臺用于點對點或點對多點的工作環境，能夠提供標準RS-232接口，可直接與計算機、RTU、PLC等數據終端連接，實現透明傳輸。數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、接收靈敏度高等特點。數傳電臺技術比較成熟，標準統一。

3)衛星通信是地球上(包括地面、水面和低壓大氣中)的無線電通信站通過人造衛星作為中繼站轉發或反射無線電波，以此實現2個或多個地球站之間的通信，可以承載多種通信業務(INTERNET接入、IP電話、視頻會議/監控、數據采集、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。

4)無線網橋是遵循擴頻微波技術的產物，為使用無線(微波)進行遠距離數據傳輸的點對點、點對多互聯而設計。它是一種在鏈路層實現LAN互聯的存儲轉發設備，用于設備之間的遠距離(可達50km)、高速率(可達百MB/s)無線組網，尤其適合對帶寬要求極高的視頻監控等大數據量信號傳輸業務。擴頻微波技術是近幾年興起的一門數據傳輸技術。擴頻微波最大優點在于較強的抗干擾能力，以及保密、多址、組網、抗多徑等，同時具有傳輸距離遠、覆蓋面廣等特點，特別適合野外聯網應用。

5)Zigbee是一種嶄新的，專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術。Zigbee技術主要針對低數據速率、電池供電為主的應用，Zigbee設備持續處于活動狀態的時間是有限的，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年以上。

2無線通訊構架

目前國內油田的信息化建設主要以視頻監控、參數自動采集等為主要內容。油田采油平臺多為叢式井，即一個平臺具有多口油井、水井，數字化建設需安裝RTU和傳感器采集其生產動態，采油平臺的生產數據和視頻歸屬就近增壓點(或注水站、接轉站)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

油水井實施數字化升級改造，主要監測的內容包括井口油壓、套壓、示功圖(通過載荷和位移同步采集的數據生成)、抽油機啟停狀態及遙控等，數據通過油水井RTU采集后由采油平臺主RTU集中后統一上傳至上級平臺。從技術原理上篩選，GPRS/CDMA、衛星通信、無線網橋屬于中遠距離通訊，數傳電臺和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。數傳電臺技術起源早、技術成熟，在工業控制領域應用廣泛；然而Zigbee作為新興技術較之具有可靠性高、使用方便安全、抗干擾力強、保密性好、誤碼率低、頻段免費、價格低等優勢。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技術的產品。

2.2采油平臺RTU、視頻與就近站點之間的通訊

采油平臺實施數字化升級改造，主要監測的內容包括油水井數據的集中轉發、采油平臺視頻圖像的監控，數據經過交換機匯聚后上傳至就近站點的網絡接入點，通過主干光纖網絡發送至作業區、采油廠服務器。油田內各個站點、采油平臺地處偏遠山溝，平臺與平臺、平臺與站點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、視頻與就近站點之間的通訊可以從GPRS/CDMA、衛星通信、無線網橋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據，但GPRS的峰值速率為115.2kB/s，CDMA 1X系統的峰值速率為153.6kB/s，僅能滿足數據通訊的需求，帶寬限制無法實現標清視頻圖像(704×576分辨率)的實時傳送；而其升級的3G、4G網絡因運營商投資費用限制在山區的覆蓋率極低，且按照流量計費的方式運營成本較高，無法實現大面積應用。因此，在只做生產數據監測的偏遠拉油井場可采用GPRS/CDMA的通訊方式。衛星通信的傳輸環節少，除設備本身被其他大型建筑或山體遮蓋無信號外，不受地理條件和氣象的影響，可全天候獲得高質量的通信信號。衛星通信通常采用租賃的方式，然而在油田信息化監控室即使租用一個轉發器，其帶寬也僅在600M左右，無法滿足大量的監控需求，而且租賃費用極高，因此衛星通信最好是在其他通信方式無法實現的重要生產區域使用。無線網橋具有組網方式靈活、適應性好、帶寬高，網絡的可擴展性強，建設周期較短，施工較為方便、容易的優點。缺點是在大型建筑內或山體等物體遮蓋住設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重，因此不能保證遠距離可靠傳輸的效果，穩定性較差。對比判斷，采油平臺RTU、視頻與就近站點之間的通訊方式應選擇無線網橋。

3無線通訊應用性能分析

按照上述無線通訊構架設計，在山區油田進行數字化建設過程中，Zigbee和無線網橋通訊技術得以大量的應用。下面對這兩種無線通訊方式的應用進行性能分析。

3.1Zigbee近程無線網絡通信技術

圖1　山區油田數字化Zigbee近程無線網絡通信技術應用

在油水井RTU與采油平臺主RTU之間的通訊選擇了Zigbee近程無線網絡通信技術。設計選用的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，物理帶寬250kB/s，有效數據速率約為100kB/s。應用中，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。設備上電后，主RTU對每個油水井RTU按照地址編碼逐個發送命令幀，油水井RTU收到數據廣播后自行解析；當分析到幀中的地址與本機相同時，對消息幀進行CRC校驗；若驗證通過則向主RTU回復一個應答幀，并按照預先約定的功能碼生成應答數據幀發送至主RTU。從第一個油水井RTU到最后一個依次輪訓，最終實現一個采油平臺主RTU對多個油水井RTU的數據采集(圖1)。

3.2無線網橋遠程無線網絡通信技術

圖2　山區油田數字化無線網橋遠程無線網絡通信技術應用

在采油平臺RTU、視頻與就近站點之間的通訊選擇了無線網橋遠程無線網絡通信技術。采油平臺主RTU及視頻數據流與就近站點的上位機通信采用的是以太網通信方式，除傳輸視距完全受限的區域必須采用敷設光纜實現通訊外，傳輸視距好，能夠直接、或者通過較少的中繼與所屬站點通信的情況優先采用無線網橋方式。應用中，網橋選用支持“點對點”、“點對多”通訊模式的產品。每個采用無線通訊的采油平臺在井場視頻監控用水泥桿的頂端安裝配有定向天線的無線網橋設備，通過調整網橋的對射角度實現采油平臺的作為通訊終端、中繼點的功能，站點內的通訊桿上安裝配有全向天線的無線網橋設備，用于接收各終端或中繼點的網絡數據(圖2)。一般無線網橋的最低理論傳輸速率在6MB/s左右，完全可以滿足現場帶寬的需要；當其作為中繼點時，需計算終端和其自身共計的數據帶寬。經過現場大量的應用和方案優化，分析無線網橋通信的性能可靠性：①采用5.725～5.850GHz工作頻段，提高了網橋在遠距離通訊下的實際可用帶寬；②采用正交頻分復用技術(OFDM)和非視距(NLOS)傳輸技術，降低了使用中安裝條件的限制，提高了覆蓋能力；③自適應調制解調技術和自動功率發送控制增強，保證了鏈路穩定性和可靠性。應用表明，無線網橋通訊的方式對于存在大量山區內跨山通訊需求的采油平臺和站點，極大解決了施工布線難題，并保證了大容量數據的通訊效果。

4結語

選擇合適的無線通訊方式和成熟可靠的產品，對于地理環境以山區為主的油田信息化建設中的網絡通訊，具有施工成本極低、使用和維護方便、穩定性高的優點，使得其能夠在整個油田內部的信息化建設中大面積的推廣應用，為現代化油田的智能化、信息化、網絡化管理提供可靠的技術保障。

[參考文獻]

[1]陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社，2003.

[2] 朱天壽. 油氣田數字化管理[M]. 北京：石油工業出版社，2011.

[3] 賈愛林，郭建林. 智能化油氣田建設關鍵技術與認識[J].石油勘探與開發，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

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-1409(2015)17-0080-03

[中圖分類號]TE46