無線通信技術在油田信息化建設中的應用

王鶴

大慶油田工程有限公司

石油石化行業是國民經濟的支柱產業，為了適應日趨嚴峻的國際市場競爭，油田信息化建設已成為石油石化行業發展的重大戰略步驟，可推進油田從數字油田發展為智能油田、智慧油田的進程。

油氣田井場通信網絡建設在油田信息化建設中具有重要作用，同傳統的有線通信網絡相比，無線通信網絡技術在網絡建設簡易快捷、維護量小、成本低等方面的優異表現越來越受到油田信息化建設的青睞。本文將對幾種主流無線通信技術進行分析對比，對無線通信技術在油氣田井場信息化建設中的應用進行探討。

1 油氣田井場數據上傳需求

目前國內油氣田井場數據主要包括生產數據、安防數據等。

單井生產數據需求見表1[1]。

表1 單井生產數據無線傳輸數據量估算Tab.1 Estimation of wireless transmission data volume of single well production data

在安防監控系統行業內，前端攝像機按清晰度格式劃分為8K/4K/1080P/720P/D1/CIF/QCIF等多種清晰度，其中1080P為目前工業場所使用的主流清晰度。不同清晰度攝像機分辨率及采用不同編碼格式編碼后的傳輸帶寬需求情況見表2。

表2 攝像機清晰度及傳輸帶寬參數Tab.2 Definition and transmission bandwidth parameter of cameras

因視頻圖像數據量較大，帶寬要求較高，可根據油氣田井場管理要求，進行選配或者調整視頻數據上傳時長及清晰度。

2 無線通信技術特點

根據油氣田的數據上傳需求及無線應用環境，目前可適用于大規模組網的無線專網技術主要有TD-LTE、WLAN點對多點無線網橋、PMP點對多點微波、McWill、WIA-PA以及LoRa等6種，其參數及性能對比見表3。

表3 多種無線通信技術參數及性能對比Tab.3 Comparison of various wireless communication technique and performance

通過對各種無線通信技術對比可知，TDLTE、WLAN及PMP技術上行帶寬滿足井場視頻數據上傳需求。TD-LTE無線傳輸系統在鄰區加載情況下，20 MHz系統單基站數據上行可達20 Mbit/s以上，因帶寬限制只可實現圖片、臨時視頻數據上傳，并且在實施過程中需和有關部門溝通頻率使用情況；WLAN采用CSMA/CA技術，各遠端站設備搶占中心站信道，無法保證多個遠端站數據傳輸的穩定性和持續性，且密集部署時因相互干擾大，導致信號不穩定，只限于小型網絡組網；PMP采用TDMA技術，可有序分配時隙資源，確保多個遠端站都能建立持續可靠的連接，上行帶寬高，可滿足連續視頻數據的傳輸，但投資在以上3種方式中最高。

McWill、WIA-PA以及LoRa技術數據上行帶寬小，主要適用于單井生產數據上傳。McWill技術采用CS-OFDMA調制方式，能克服因擴頻產生的碼間干擾，且有較高可靠性，但終端設備成本較高。WIA-PA技術在2011年3月成為國際上工業物聯網領域標準化技術，2012年WIA-PA標準成為A11（油氣生產物聯網系統）項目井口數據采集、傳輸標準，先后在遼河油田、新疆油田、延長油田、吉林油田、勝利油田等大型油田實施千點規模的信息化系統中應用，多級自適應跳頻技術能有效克服工業環境中的干擾和信道衰減，實現與其他無線網絡的共存，Mesh路由技術支持路徑檢測[8]，系統擴容便利。LoRa技術是近幾年國內新興的低功耗廣域網技術，覆蓋廣、投資低，但由于系統丟包率較高，需建設多個基站接收數據，以提高數據傳輸效率，但因國家政策相關條款“470～510 MHz頻段可作為民用無線電計量儀表使用頻段，限單頻點使用，不能用于組網應用”，故LoRa技術不適合油田無線專網建設。

各井場可根據數據需求、組網規模、電源接入、周邊環境等多種因素綜合考慮，選擇經濟合理的無線接入方式。

3 公共無線網絡接入

油氣田無線專網接入方式需配備專業技術人員進行日常運維及擴容工作，需耗費大量資金建設無線通信網絡。

若采用公網LTE方式，每個月只需支付數據流量費即可實現數據上傳，不僅設備投資大幅減少，也可以精簡運行維護人員。但因數據需先上傳至運營商公共網絡服務器，數據傳輸安全性、保密性較差。若建設規模較大，可同運營商協商，為數據上傳提供APN專線通道，進行數據加密處理，并采用靜態IP分配原則，每個IMSI號對應一個固定的IP，有效防止非法IP入侵[9]。不過，公共LTE網絡還存在著很多盲點，部分井場的建設區域網絡覆蓋不夠完善。

我國自主研發的北斗衛星通信技術可以填補這部分空白。北斗衛星通信系統具有覆蓋面廣、功耗低且維護簡單的特點，并且是由我國獨立研發，在信息的保密性和安全性方面更有保障，且不受地理位置限制，該技術目前已廣泛應用于電網及海事等應用領域。但北斗衛星通信技術工作在物理層，存在數據丟包率高、信道不對稱等問題，目前，可通過特定協議封裝、拆組包，回執查詢等方式保證數據傳輸的可靠性[10]。

4 典型應用

目前國內部分油氣田常用的井場數據傳輸采用多種不同方式，具體情況見表4。

表4 部分油氣田井場數據無線傳輸方式Tab.4 Data wireless transmission methods of some oil and gas field well sites

多種無線通信技術已應用于各油田信息化建設中，滿足各油田生產管理的相關要求。大慶油田已全面開展信息化建設，大慶油田井場數量多，井位較密集，公網覆蓋范圍廣，可實現絕大部分井場覆蓋。目前，多個采油廠已同當地運營商協商，大大降低了數據上傳流量費用；擁有較完善的安防系統建設，臨時調用視頻圖像即可滿足日常生產、管理需求。公網LTE已成為大慶油田信息化建設的主要通信方式。

5 結束語

對無線通信專網及無線通信公網在油田信息化建設的應用進行了探討，根據油氣田井場信息化建設的規模及基本環境，合理選擇無線通信方式將大大降低投資成本及運行維護難度。

隨著5G時代的來臨，無線通信技術將具有更快的傳輸速度以及更高的穩定性，未來會成為油田信息化建設的主要通信方式，加快了油田向智慧油田發展的步伐。