4G通信技术在数字油田建设中的应用

刘晓垒 张滨荣 刘卫华 杜敏

[摘 要] 在目前已经实施的油水井物联网系统中，无线数据传输部分主要采用GPRS和ZIGBEE的方式实现，这两种技术都存在数据延迟大、传输带宽窄、网络不稳定、维护费用高等问题。TD-LTE是我国自主开发的第四代移动通信技术，具有扁平化结构，时延小，频谱效率高、上下行灵活调度等特点，可满足油田多种高带宽业务的发展需要。

[关键词] TD-LTE；油水井；RTU；组态软件

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 16. 024

[中图分类号] F272.7 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）16- 0039- 01

1 引 言

随着物联网技术的持续快速发展，油田数字化时代已经到来，油水井物联网的建设已经在国内各大油气田广泛开展，掀起一轮智慧油田建设的热潮。

油水井物联网，又称油水井远程监测与控制系统，是将采油工程技术、通信技术和计算机技术有机结合到一起的生产信息系统，实现油井的自动监测、实时数据采集、产液量计算、工况诊断，以及水井的注水量控制等多种功能。

目前的无线传输技术非常丰富，使用较广泛的无线通信技术有蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、数传电台、GPRS、WCDMA、TD-LTE等。虽然数传电台、Zigbee、GPRS、Wi-Fi等无线通信技术已经非常成熟，并在油气生产领域中被广泛使用，但这些技术普遍存在投资成本大、数据保密差、维护费用高等问题，在当前的油水井物联网建设中存在瓶颈。

TD-LTE作为我国自主开发的第四代移动通信技术，具有扁平化结构、时延小、频谱效率高、上下行灵活调度特点，可提供多种业务的高带宽服务，同时建网成本低且未来技术演进方向明确，随着技术的发展而演进，长期投资可以得到有效保护。

作为油气生产物联网建设中的无线通信解决方案，其主要承载以下业务：

数据采集：钻、录、测井数据的远程传输、生产井数据的实时采集；

视频监控：重要井口、站场、卡口、作业区的实时监督；

应急指挥：突发事件的应急通信和集群调度指挥；

集群通信：日常生产管理和协同施工作业；

移动办公：随时随地安全生产办公。

结合TD-LTE无线通信技术的优势和大港油田油水井物联网建设的现状及需求，严格遵循中石油A11建设标准要求，循序渐进地开展油水井物联网的升级改造，最终实现全部油水井生产数据的实时采集、作业区现场的实时监控、报警信息与控制指令的秒级传送等。

2 油水井物联网系统介绍

2.1 系统架构及框架设计

油水井物联网系统由3个子系统组成。

2.1.1 采集控制子系统

该系统由各类无线变送器及采集器组成，负责采集生产现场的各类油水井的油压、套压、载荷、电参等工况信息，同时对设备运行参数和指令进行控制。

2.1.2 数据传输子系统

该系统负责为工况信息、控制指令、视频图像提供从油水井生产现场到后台服务器之间的数据传输通道。

2.1.3 监控管理子系统

该系 统负载现场生产数据的接收、处理、分析和展示，同时服务器通过与A2、A4等生产信息系统对接，实现大数据的挖掘与分析，为油田生产决策者提供客观、准确、可靠的判断依据。

在油水井物联网系统中，对现场生产数据的采集以单井为对象，每口油水井均有对应的工况属性，RTU将井口采集到的生产数据通过4G无线网络传输到生产网的组态软件和实时数据库，经由生产管理子系统为各级生产管理人员提供油气生产监测、分析诊断、预测预警等服务。

2.2 数据传输网络的建设

RTU作为油水井生产数据的汇聚点，通过4G网络的通信终端（DTU），将井口采集到的生产数据和井场视频监控图像回传到油田公司生产网，并将来自生产管理子系统的控制指令通过4G网络下达给RTU。

2.3 组态软件的开发及部署

组态软件在整个油气生产物联网系统中起着枢纽作用，主要作用有以下两个方面：

（1）将生产现场采集到的生产数据和设备运行状况信息集中处理，然后存入实时数据库，供采集控制平台和生产管理平台调用；

（2）将采集控制平台对前端设备的控制指令需要通过组态软件下达到井场RTU。

因此，组态软件的作用在整个系统中十分关键，在开发过程中要充分考虑业务发展需要、数据吞吐量、系统稳定性以及日常运维管理等具体内容，实现生产运行状态监控、设备运行状态监控、实时报警信息处理、设备添/删/改等功能。

2.4 生产业务测试检验

通过为期3个月的实际投产测试，实验区的所有油水井生产数据都能及时、完整、安全、可靠地回传到标准组态系统，验证了基于4G无线通信技术的油水井物联网系统达到业内领先水平，完全满足实际生产需要。实际业务测试结果如下：

①油、套压生产数据可实时采集；②功图可实现6组/小时数据采集；③报警延迟控制时间控制在5s内；④数据传输过程中丢包率<0.1%；⑤设备运行状态可实时监控；⑥井场巡检实现智能化管理；⑦井场监控图像可实时传送。

3 结 论

经过实际生产测试及应用，验证了TD-LTE无线通信技术应用于油水井物联网建设的可行性。在油水井物联网系统中，TD-LTE作为生产数据采集与传输子系统的无线解决方案，具有高安全、高可靠、易扩展和可持续升级等特点。为油气生产物联网的发展，为智慧油田的建设提供了宝贵的理论依据和实战经验，具有很高的应用推广价值，值得其他油田借鉴和学习。

主要参考文献

[1]王芳.4G中的MIMO-OFDM原理及关键技术[J].中国新通信，2009（23）.

[2]杜加懂，林辉.多天线无线信道仿真与建模方法[J].电信网技术，2007（10）.

[3]王相平.IPv6技术——新一代网络技术[M].北京：电子工业出版社，2008.