無線通信系統(tǒng)WiMAX在油田中的應(yīng)用分析

李樹昊

中國石油工程建設(shè)有限公司北京設(shè)計分公司 北京 100085

1 通信需求分析

1.1 組網(wǎng)需求

BAB油田新增井口在整個油田范圍內(nèi)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(shù)據(jù)（壓力，溫度）需經(jīng)各脫水站或集輸站傳輸?shù)轿挥谥醒胩幚碚?BCDS)的控制室儀表控制系統(tǒng)，對所有油田單井的產(chǎn)量和狀態(tài)進行實時監(jiān)控。

1.2 組網(wǎng)分析

1.2.1 傳輸介質(zhì)與速率。常規(guī)的數(shù)據(jù)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(dǎo)致的失真，通常可敷設(shè)長度僅在幾百米的范圍內(nèi)。

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(shù)據(jù)傳輸要求下，通常使用單模光纜作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)，其數(shù)據(jù)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(guān)斷控制等（具體的儀表類型由現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸量角度，使用光纜作為單井傳輸介質(zhì)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(shè)光纜可能會因野生動物活動和沙漠環(huán)境的影響導(dǎo)致光纜損壞。而將光纜埋地敷設(shè)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(guān)斷系統(tǒng)，2芯用于火氣系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，一用一備，以保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｅc安全性直接相關(guān)的火氣和緊急關(guān)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(shù)據(jù)。對站外單井井口的關(guān)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(shè)備和關(guān)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)標準，提供了基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)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(shù)據(jù)傳輸。其理論傳輸距離可達50公里，最大數(shù)據(jù)傳輸速度可達100Mbps[1]。在阿聯(lián)酋油田市場中使用時，僅需到當?shù)仉娦殴芾砭?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(jù)油田單井和對應(yīng)主站的海拔高度建設(shè)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(jié)構(gòu)與設(shè)備選型

井口數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄偷乜刂票P后，遠傳數(shù)據(jù)上行到井口無線系統(tǒng)的前端設(shè)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(yīng)信號并解析后再經(jīng)各站間埋地光纜網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到BCDS服務(wù)器上，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)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(wù)器，系統(tǒng)用交換機，無線基站，無線前端設(shè)備，雷達等，其余如機柜，浪涌保護器等均根據(jù)實際需要提供。

對于設(shè)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(shè)備的。選擇支持當?shù)仉娦殴芾砭謱徟臒o線通信頻段終端設(shè)備。無已建系統(tǒng)的情況下，需要基于最終的技術(shù)需求對廠家和產(chǎn)品進行篩選，以保證在油田廠區(qū)實際應(yīng)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(chǎn)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(shè)備坐標，設(shè)備高度，傳輸頻段及地形等參數(shù)作為輸入條件，經(jīng)過軟件計算后導(dǎo)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(shè)備對現(xiàn)場情況進行模擬和仿真。在模擬前應(yīng)盡量確定所需的所有參數(shù)，依照仿真和結(jié)果修改諸如通信塔高度，天線角度等。

該報告還應(yīng)包含對系統(tǒng)可靠性的計算。每個站外單井設(shè)備同主站上的無線設(shè)備間的可靠性應(yīng)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(jié)束語

基于WIMAX的無線傳輸系統(tǒng)可以較好地在大范圍內(nèi)滿足油田單井數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅渴鸨憬荩赏卣剐愿撸啾扔诔Ｒ?guī)的敷設(shè)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?shù)目蛇x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。