低功耗無線儀表在天然氣采集輸場站使用案例分析

李俊秋 王克瓊 李海莉 劉婷 胡洋 羊映 鄧啟志

（西南油氣田分公司川西北氣礦）

目前我國油氣井分布具有點多面廣、環境惡劣、交通不便、生產成本高、員工勞動強度大等特點。在推進油氣田全面數字化的進程中最難解決的也就是偏遠井站和閥室的數據采集、傳輸監測的問題。傳統的數據傳輸方式為“單井—中心站—作業區”租用鏈路+自建光纖傳輸的模式，與此同時，傳統的管理方式為“中心站值守+單井周期人工巡檢”。因此，急需通過建設油氣生產物聯網系統來改變現有的生產管理模式。若偏遠低效井仍采用傳統物聯網“儀表-RTU-遠傳模塊-基站（網關）”的建設方式，勢必會增大建設費用，因此通過對低功耗無線儀表的投用，打造“儀表- 基站（網關）”的數據透傳新模式，不僅能夠優化鏈路層級，減少中間傳輸環節，進一步提高數據的傳輸效率，還能夠大幅降低油氣田數字化建設成本。

1 低功耗儀表概述

隨著微電子和無線通信技術的迅猛發展，目前無線通訊方式由于簡單易行、成本低、功耗低等特點，比起傳統的儀表，無線儀表更能贏得的市場的喜愛，且因融合了越來越多的先進無線通信技術[1]，無線儀表開始被引入到各個行業領域中。比較常見的無線通訊技術主要有RFID、NFC、Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、LoRa 等 等。其 中RFID、NFC 多用于電子標簽，現已在油氣田場站廣泛使用；Wi-Fi 技術使用頻率最高，具有覆蓋面大、功耗高、數據傳輸速率高、部署和操作簡單的特點，更適用于有IP 入網需求和傳輸速率較高的無線通訊場景；Zigbee 與Bluetooth 具有短距離傳輸、成本低、時延短、傳輸速率和復雜度低的特點[2]，適用于近距離和傳輸率較低的雙向容錯無線通訊場景；3G/4G、光纖運用也很廣泛，但功耗和建設成本過高，可以用于油氣田相對集中重點高產井的數據采集和監測。若用這些傳統的通訊技術用來解決油氣田偏遠低產井的數字化問題就顯得捉襟見肘，這樣看來似乎遠距離傳輸和功耗成本二者不可兼顧。此時，新一代物聯網技術中的低功耗廣域網的誕生可以有效解決以上矛盾。接下來，主要通過LoRa 和NB-IoT 兩種低功耗無線通訊技術分析，來驗證其是否在油氣田能夠適用[3-6]。

從低產井信息化建設業務需求及數據傳輸特點出發，結合物聯網技術要求，提出了以下14 項技術需求指標，通訊技術要求見表1。其中包含了通信距離、平均功耗等關鍵技術需求指標。為后續低功耗儀表形成技術方案提供了有效支撐。

表1 通訊技術需求

1.1 LoRa（Long Range）技術介紹

LoRa 是一種新型的基于1 GHz 以下的長距離、低功耗數據傳輸技術，是一種使用擴頻調制機制的無線通信技術。LoRa 技術融合了數字擴頻、數字信號處理和向前糾錯編碼技術，通過使用線性調頻擴頻調制技術，既保持了像FSK（頻移鍵控）調制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網絡效率并消除了干擾，即不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾，因此在此基礎上研發的集中器/網關能夠并行接受并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。LoRa 技術有以下特點：遠距離，164 dB 鏈路預算，傳輸距離大于8 km；易部署，快速、靈活的基礎設施易組網且投資成本較少；低功耗，LoRa 節點模塊僅用于通訊，電池壽命長達5 年；低成本，免牌照的頻段，網關、路由器建設和運營、節點、終端成本低。

1.2 NB-IoT技術介紹

NB-IoT 整體網絡架構主要分為了5部分：NBIoT 終端、基站、核心網、IoT 平臺、應用服務器。低功耗是NB-IoT 技術的重要技術特性之一，使得基于NB 通信模塊的終端可以保證長時間的運作，不用頻繁更換電池來進行供電操作，省時省力。該技術通過以下幾種方式保持低功耗：降低芯片復雜度，從而減少工作電流；簡化空口信號命令，減少單次傳輸功耗；PSM 省電模式；eDRX 節電技術；長周期TAU 減少發送位置更新，降低功耗，不同通訊技術對比見表2。

表2 不同通信技術對比

2 低功耗儀表在井站實際應用效果分析

將以XX 油田的偏遠低產井為例，將LoRa、NB-IoT 兩種通訊方式設備投用半年的實際效果進行分析。

2.1 建設成本對比

以實現低效井油、套壓數據采集為例，采用A公司建設費用1.5萬元，B公司建設費用3萬元，傳統模式則需要15 萬元。無線低功耗儀表建設方案與傳統建設方案相比，平均可節約80%的建設成本。

2.2 網絡租賃費對比

以實現低效井油、套壓數據采集為例（不含視頻監控，1個一體化終端），網絡租賃費用A公司需要0.04 萬元/a，B 公司需要0.005 萬元/a，傳統光纖模式則需要5.2 萬元/a。可見采用無線低功耗儀表網絡租賃費與傳統光纖租賃模式相比，平均可節約90%以上的網絡租賃費。

2.3 電費對比

經統計分析，該油田信息化遠傳的低產無人值守井用電費用一般在200元以下，改造后，無電能消耗。綜合計算低產無人值守井使用無線低功耗儀表每年每站可節約用電量約3 025 kWh，節約電費約130元。

2.4 維護成本

以XX14 井為例，網絡運維單位每年例行對網絡設備進行檢測維護4次，因設備、系統故障臨時檢修每年約2～4次，自控運維單位每年對站控系統檢測維護2～3次，本單位內部儀表班、電工班、信息化管理員每年對數據采集儀表檢定維護4～6 次，平均來看各專業單位對傳統數據采集、傳輸模式的信息化系統每年需維護10～14次。采用低功耗儀表后因不需要市電供電系統，檢測儀表、網絡設備數量大幅度減少，各工種對設備維護工作量也相應大幅度降低，每年4～6次檢測、維護就能滿足生產數據的采集、傳輸要求，通過無線低功耗儀表的使用可減少維護工作量60%以上[7-8]。

3 結論

隨著物聯網技術的發展和無線儀表技術的逐漸成熟，全面啟動數字化建設、實施數字化管理，是油氣田企業上游業務提高生產效率、加強安全環保、促進節能減排、改善工作條件、優化生產組織方式、控制生產用工的有效途徑，是加快發展方式轉變、提高油氣田開發管理水平和綜合效益的必然選擇。根據來自不同廠家的LoRa、NB-IoT 等幾種無線技術設備在天燃氣偏遠低產井的實際應用對比分析可見，低功耗儀表不僅保障了油氣田偏遠地產井生產數據傳輸及時、完整、安全可靠的同時，大大降低了建設運維費用，使得低成本物聯網通訊成為可能。低功耗無線儀表的全面推廣應用為油田信息化和工業化的深度融合提供了有力的支撐[9-11]。