5G在油氣田智慧勘探井場建設中的應用探討

任澤坤*，許勤，張雷，姜姝，楊眉，徐維，王舒遲，錢林華

（1.中國石油天然氣集團有限公司川慶鉆探地質勘探開發研究院；2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司集輸工程技術研究所）

0 引言

作為油氣田開發前期的主要工作，油氣田勘探是一套復雜的工藝技術流程，是物探、鉆探、測井、錄井、地質評價及相關配套工作技術的綜合應用，是一套大型的、完整的工程機械作業組合。其目的是通過物探及工程鉆探，在地表以下的地層尤其是深層地層發現潛在油氣藏，為地質工程師和油氣田開發工程師獲取各種地質資料和勘探數據。國內各大油氣田“十三五”“十四五”都提出了數字化油田、數字化井場的概念，并進行著各種實踐應用［1］，也取得了一系列建設成果。

1 基于4G移動通信技術的數字化井場建設現狀

相較于前三代移動通信網絡，4G具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信方式靈活、支持的終端設備多、功能強等特點。

自 4G技術在油氣田勘探行業應用以后，鉆井作業生產管理軟件、自動化數據采集系統、遠程數據傳輸系統、錄井數據采集軟件、地質綜合應用軟件、油料管理系統等一大批信息系統應運而生。這些應用不斷推動油氣田勘探鉆探技術向著自動化方向發展，鉆探設備自動化、智能化及自動控制技術方面也都獲得新的突破，形成了一整套鉆井計算機控制系統與網絡。來自勘探鉆井作業過程中的各種生產數據大都可以通過 4G遠程傳輸或實時同步至大型服務器集中存儲以供生產管理人員、工程技術人員和科研人員隨時使用。因此 4G在油氣田勘探領域的應用已經比較廣泛，并且取得了重要的應用成果，如數字化油氣田、數字化井場、井場物聯網等概念的實施和實踐。

由于油氣田鉆探是多專業復合的大型系統工程，4G本身存在的技術缺陷，如：穩定性差、通信結構復雜、容易受到信號干擾，尤其是在偏遠山區更容易受到地理環境偏僻、通信環境條件差的影響，通信質量會因為障礙、通信距離遠而大打折扣；無法突破容量極限，網絡資源的瀏覽、訪問，以及資源上傳、下載速度遠遠低于理論值，用戶體驗感較差。這些都使數字化井場、物聯網的建設和應用受到限制。面對現代大數據處理和物聯網構建中暴漲的移動數據流量的挑戰，4G通信技術的缺陷更是越來越明顯，在基于 4G通信技術的條件下，智慧井場、智慧鉆井、智慧監控、無人值守井場、萬物互聯的油氣田勘探井場離成熟應用尚有距離。

2 5G移動通信技術及其技術優勢

從移動通信發展歷程看，從最初的模擬語音（1G）開始，經歷了數字語音（2G）、移動寬帶（3G）到更快、更好的4G LTE再到5G（第五代移動通信技術），移動通信從簡單功能到復雜功能，從速度慢、質量差、應用領域小到速度更快、質量更好、應用領域更廣泛。5G代表著最新一代移動通信技術，其正式投入商用后，許多行業對 5G技術的應用研究也逐漸增多，并希望借力于 5G的技術優勢促進本行業邁向新的發展階段。

相較于上一代通信技術，5G具有更多、更大的技術優勢，其在小區峰值速率、用戶體驗速率等關鍵技術指標上存在著質的飛躍。其優勢具體體現為：

（1）具有更強大的穩定性和更快的數據傳輸和訪問速率。與4G通信相比，5G將可以承載更多的數據流量和吞吐量，具有超高的流量密度和連接密度，小區峰值速率將達10～20 Gbit/s，是4G技術峰值速率的一千倍以上，而用戶體驗速率可以達100～1 000 Mbit/s，是4G技術的2倍以上，網絡延時從4G的50 ms級下降到1 ms級。憑借這些優勢，在5G網絡進行數據上傳、下載活動將更加快捷，訪問更加高效，網絡延時幾乎可以忽略不計，基于 5G通信技術的移動網絡穩定性將顯著增強。

（2）更廣泛的應用領域。5G具有增強型移動寬帶通信（eMBB）、超可靠低時延通信（URLLC）和海量機器類通信（mMTC）等三大應用場景，可應用于智慧城市、能源、物聯網、3D超高清視頻語音、智能家居、云辦公、邊緣計算、工業自動化、移動醫療、人工智能、移動互聯網、自動駕駛等領域。在油氣田勘探開發行業中，可以借助 5G技術建設勘探開發工程技術物聯網、油氣水井生產物聯網、油品銷售物聯網、智慧鉆探的應用等，大幅度提升油氣田勘探開發行業信息化水平。

（3）不受終端容量限制，可覆蓋面積更大。因為5G時代，每平方千米網絡流量密度可達10 TB，連接密度可達100萬個，因而具有超強的數據吞吐量承載。目前，國內最大井場面積是中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司在劍閣縣部署的雙探3井，占地約7 200 m2?；谝陨蠑祿烧鬯愠鲈谠摼畧隽髁棵芏瓤蛇_到約73.7 GB（0.072 TB），在該井場區域內足夠滿足0.72萬個終端用戶。因此，5G強大的流量密度和數據吞吐承載量對于一個不足200個井場終端用戶數量的井場，所受的流量密度限制完全可以忽略不計。

（4）更強大的安全性。5G技術在安全架構設計上分為接入域安全、網絡域安全、用戶域安全、安全可視化和配置安全、服務域安全等六層，具有統一認證框架，具有更完善的服務注冊、發現、授權安全機制及安全協議保障服務安全。相較于 4G技術的安全架構，5G技術進一步增強了用戶隱私保護、用戶數據和信息完整性保護，以及網間漫游安全，具有更強的安全性。

3 5G移動通信技術在油氣田勘探領域的應用方向

3.1 基于 5G+物聯網技術建設油氣田勘探井場工程技術物聯網系統

物聯網是互聯網技術的延伸，是信息科學技術不斷創新的成果。在保證網絡質量的前提下，理論上物聯網技術結合射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）和紅外掃描技術等就可以實現萬物互聯和互訪，只要連接入網絡的各物體或人具有合法且唯一的身份信息。反之，可以通過快速讀寫來解析互聯設備、物體、人的相關信息數據，如連接物和設備的身份信息、性質、個體屬性、功能、數量、存儲地點等各種參數數據，進而進行數據統計、物資調度等工作［2］。

油氣田勘探行業作業區域范圍廣、專業性強，數據量龐大且處理量大、技術復雜，4G條件下的帶寬受限，數據傳輸和同步存儲容易堵塞，無法保證數據及時率，給生產運行、科學決策、研究帶來了一定困難。因此，基于 4G的工程技術物聯網建設實踐還停留在概念性或初級應用階段。

但 5G憑借其技術優勢，傳輸理論速度將高達20 Gbit/s，并支持超大容量的用戶接入，支持千倍流量的增長，可以智能高效利用網絡資源和增強用戶網絡體驗感。因此，在油氣田勘探行業借助 5G技術，基于 4G技術的油氣田勘探工程技術物聯網在大數據存儲、傳輸處理速度和應用上的難題迎刃而解，使概念性井場“萬物互聯”向真正意義上的“萬物互聯”邁進?？梢哉f 5G通信技術與物聯網技術相結合，配合傳感器技術和 RFID應用，對井場現實存在的物理世界進行感知識別，使“萬物互聯”的油氣田勘探智慧井場物聯網時代來臨。

3.1.1 全面感知

通過二維碼、紅外掃描、射頻識別、傳感器技術等自動識別、感知捕獲測量技術可以對井場存在的物體、設備、人員進行自動化識別、信息采集和獲取。這些內容包括鉆井、錄井、地質、測井、鉆井液工程、鉆井作業配套、物資倉儲調度等一切和油氣田勘探工程有關的設備、人員、物資、工程作業數據、媒體信息、視頻語音等，而非僅僅停留在工程作業生產數據和信息層面的采集和集中存儲。

3.1.2 可靠傳輸

依托 5G技術優勢，將物體設備屬性數據、人員信息、物資倉儲調度信息、油氣田勘探工程生產作業數據等來自井場的數據信息接入信息網絡進行高速率、高可靠性采集、傳輸和一體化存儲，實現高速率、高質量數據訪問、共享和交互，可為管理人員、工程技術人員、科研工作者等提供所需數據服務。

3.1.3 智能處理

利用包括輔助決策、數據挖掘、云計算、5G時代的邊緣計算、切片技術等各種智能計算技術，對井場采集產生的海量勘探數據和信息進行分析處理，實現設備物資數據自動識別、智能調度、智慧鉆井作業、井筒工程信息智慧采集、智慧地質工程、油氣水層自動判別、巖屑自動化識別等，最終達到井場技術人員、遠端工程師對井場進行智能化決策和控制。

3.2 基于 5G+無人機技術建設井場無人值守和巡航監控系統

無人機技術已被廣泛應用于軍事、航拍、巡航監控、災難救援、遙感測繪等眾多領域。它利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全或間歇地自主飛行操作，本身并不依靠移動通信進行數據交互。因為4G網絡延時長，無法滿足無人機高可靠、低延時的通訊需求。而5G技術實現了低于1 ms級的移動通信，且具備高速率上傳、下載、雙向數據交互和互訪，同時具有高可靠性、高穩定性，為未來無人機技術在油氣田勘探領域的應用提供了網絡條件。

未來利用 5G技術與無人機技術，建設一套井場無人值守和巡航監控系統，將實現井場無人機值守和巡航，使井場內的巡檢部署方便，應用靈活，能夠減少人員的投入，避免巡檢人員在危險區域內發生傷亡事故，并可以杜絕巡檢過程中的人為失誤。

3.2.1 井場遠程監控

基于5G的增強型移動寬帶通信和GB/s的高速移動通信技術優勢，可以輕松實現現有遠程傳輸系統或工程監控系統等的應用升級，在基地端建立起井場 3D或超高清視頻監控系統，實現油氣田勘探無延時監控信息展示［3］。

3.2.2 井場設備巡檢

通過 5G與無人機技術的綜合應用，井場技術人員、遠端工程師可以在不駐井場情況下開展與油氣田勘探井場設備的生產運行狀態巡檢、設備巡查等工作，真正達到井場“無人值守”的效果［4］。

3.3 基于5G+建設“智慧勘探”輔助工程技術作業系統

“智慧勘探”是“智慧鉆井”“智慧井筒”和“智慧地質”等的綜合應用?；?5G高速率、高可靠性、低延時的地面、地下、井筒的工程數據、傳感器數據、地質分析數據進行采集整理，再結合邊緣計算技術、云計算技術、大數據分析等的綜合應用，可以將集中收集的各種信息數據進行分析處理，充分挖掘數據價值，提供最優化、最高效、最安全的無人鉆探作業方案，以指導無人鉆井設備開展鉆井工程作業，對可能存在的鉆井工程事故進行分析預警和監控，實現“智慧鉆井”的應用。在地質錄井工程上，可以將來自傳感器、各種監控儀、參數儀等的數據進行綜合應用，自動識別和進行地下油氣水層分析判斷，輔助錄井工程師、地質工程師進行巖性自動化分析、發現潛在油氣層和油氣藏等“智慧地質”工程應用。通過井筒數據開展油氣井井漏分析和診斷、事故復雜處理最優化決策等“智慧井筒”工程應用等。

3.4 基于5G+VR技術建設井場超高清計算機仿真系統

VR技術即虛擬現實技術，囊括計算機、電子信息、仿真技術于一體，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感?；?5G海量機器類通信技術和 VR技術，可建設一套高速、可靠、低延時的油氣田勘探井場超高清計算機仿真系統。借助部署于井場鉆井平臺、鉆井液罐區、泵區、配電區域、值班區域、錄井地質區域、鉆井液出口區域以及其他配套工作重點區域等的不低于 4K高清攝像設備為近端作業技術工程師、輔助決策人員、監控人員仿真模擬出360°無死角、高清的虛擬3D立體井場，使遠端井場在近端全景虛擬化再現。進而將參與油氣田勘探作業的各種輸入、輸出設備，結合使其轉化為能夠被油氣田勘探人員感受到的現象。這些現象可以是現實井場中真真切切的物體、設備、人員，還可以是肉眼無法看到的地面以下的井筒世界，通過井筒大數據分析以三維模型的形式表現出來。這些都將更方便管理人員、科研人員、工程技術人員等進行遠程決策輔助和生產技術支持，提升決策輔助的及時性和準確性。該技術可以基于低于1 ms級的實時高清視頻圖像分析，通過各種算法規則的設定來檢測圖像中的某種不安全行為、設備不穩定工作狀態，并為遠、近端技術發出產生工程預警。

4 應用前景分析

（1）利用5G通信超高可靠、低時延通信技術［5］在未來的油氣田勘探工程作業中開展相關應用研究。憑借著 5G的超低時延、功耗低、高穩定性和安全性等優勢，可實現大寬帶、低時延采集傳輸、雙向高速率互訪等技術優勢。對于油氣田井場勘探開發生產所有傳感器、儀表、分析儀器、監控等設備，可借助數據采集、射頻識別、紅外掃描、遠程傳輸、三維可視化等技術的綜合應用，獲取全面感知、智能識別、高速可靠傳輸、數據智能處理等應用效果，使井場“萬物互聯”的真正物聯網時代來臨。未來可以以“單井‘井場物聯網’”為基本單元，借助 5G高速傳輸將多個油氣田勘探井場數據回傳至公司大數據中心，搭建起地區公司級的“數字化勘探物理網平臺”，在集團公司層級又可以以“數字化勘探物理網平臺”為單元構建更高層級的高速“物聯網平臺”，為建立高效穩定的專家決策支持系統提供技術保障，促進前后端資源的快速協調與遠程支持。

（2）憑借5G技術低于1 ms的超低延時和增強型移動寬帶通信技術［5］，可借助全井場部署安裝的多維度 4K高清設備、攜帶可移動高清攝像頭的無人機設備輔助，開展5G eMBB技術在油氣田勘探井場的應用研究，建設無人機巡航與超高清監控系統，從而實現井場360°、3D超高清、無任何死角的遠程監控。一方面，井場值班人員可在井場外操控無人機設備進行全井巡檢和視頻監控，及時發現問題并及時處理。另一方面，基地遠程實時控制中心（RTOC）也可以通過遠距離操控無人機進行井場巡檢，實現在異地、多井場實時同步在線高清視頻展示和監控。基于 5G的超低延時優勢，可以達到與井場生產狀態實時同步的效果，使遠程工程技術人員、決策層、專家層能第一時間掌控井場生產動態，第一時間發現井場問題，并有針對性地開展研究和討論，及時作出決策和措施指導井場開展相關工作。

（3）5G通信的海量機器類通信技術與 VR虛擬現實結合，并開展相關方向的研究和應用，建設超高清計算機仿真系統，將填補國內油氣田井場VR全景虛擬技術應用的空白。借助于兩項技術的完美結合，可以完成井場遠程監控系統的功能應用升級，拉近油氣田勘探井場遠端與基地監控、生產管理及研究近端的距離，實現逼真的360°、3D立體物理作業環境的全景虛擬，真實再現井場生產場景，更方便遠程終端工程人員和相關用戶開展設備運行監控、井場數據發布、動態分析、油氣藏評價、應急搶險等工作，減少人員投入，避免不安全事故發生，大大提升生產輔助決策的效率和準確性。

（4）基于5G技術建設的“智慧勘探”輔助工程技術作業系統將地面、地下、井筒工程數據、傳感器數據、綜合錄井數據、地質分析數據等進行一體化采集整理，再結合先進的大數據挖掘分析，結合 5G邊緣計算、切片技術等功能應用，充分挖掘數據價值，從而指導工程技術人員、生產管理人員以及科研人員開展井筒工程評價、隨鉆地質精準導向、地層結構分析、精細化錄井、隨鉆精細化油氣水資源研究，為相關用戶提供最優化、最高效、最安全的無人鉆探作業方案，以指導鉆井技術人員、地質工程人員開展“智慧鉆井”“智慧地質”和“智慧井筒”輔助分析應用，達到準確發現潛在油氣層和油氣藏等資源、充分保護壞油氣層、不遺漏任何一個油氣資源儲層的目的。還可以及時監控地面以下的鉆探過程中的工程作業狀態，第一時間發現鉆具脫落、鉆具損壞、井漏、油氣井涌、油氣水侵等井筒工程故障，做出第一時間預警，便于工程技術人員及時響應、及時應對、及時采取措施控制，避免鉆探事故，尤其是類似井噴的重大安全事故，確保井場生產人員人身安全。

5 結束語

5G移動通信技術將給油氣田勘探工程領域的信息化發展帶來巨大發展機遇，帶動整個行業的改變，憑借其超低延時、超高速訪問速率、高可靠性和高穩定性等技術優勢，結合邊緣計算、大數據分析挖掘技術等新技術和新應用，未來井場信息化和數字化的整體水平將呈現質的飛躍。