山区油田数字化无线通讯方式应用研究

杨峰

山区油田数字化无线通讯方式应用研究

杨峰

(中石油长庆油田分公司第五采油厂，陕西 高陵 710200)

[摘要]通过适应于油田信息化无线通讯的关键技术推介，确定了山区油田数字化无线通讯构架。油水井RTU与采油平台主RTU之间的通讯选择Zigbee近程无线网络通信技术；采油平台RTU、视频与就近站点之间的通讯选择无线网桥远程无线网络通信技术。应用表明，Zigbee无线通讯方式尤其适合油田丛式井场数据通讯的需求；无线网桥通讯方式适合存在大量山区的采油平台和站点的跨山通讯需求。

[关键词]山区；油田；采油平台；井场；数字化；信息化；无线通讯

国内油田随着开采时间的增加，地下情况、稳产条件也在逐步变化。井站地处偏远山区、覆盖范围广，传统人工巡视、驻井驻站的模式，存在生产参数采集难、突发性异常发现迟、井况分析诊断难、违法偷盗原油及破坏生产设备取证调查难、基层源头原始数据资料无法实现共享等弊端。在油田企业减员增效、推进扁平化管理、促进企业自身竞争力的大趋势下，进一步发展油田自动化、信息化、数字化已成为当务之急。生产信息化建设主要以视频监控、参数自动采集等为主要内容，涉及大量设备、井站的数据通讯。由于现场环境、施工条件和材料成本的限制，使得方案设计无法全部采用传统有线通讯的方式。因此，选用适合山区油田现场需求、可靠性高的无线通讯方式具有十分重要的意义。

1关键技术推介

油田数字化所需的无线通讯主要针对文字、视频、语音数据的传输。21世纪初广泛应用的无线通讯技术主要有GPRS/CDMA、数传电台及卫星通信技术等[1]。近几年随着通讯带宽需求的增大和技术的发展，中长距离通讯上基于扩频微波的无线网桥技术迅速兴起，短距离通讯上智能化、网络化、高带宽的数传电台也不断涌现，采用IEEE 802.15.4收发器技术(硬件技术)与Zigbee联盟的协议栈的组合产生的新技术Zigbee通讯也快速在市场上得以广泛应用[2,3]。笔者认为，目前适应于油田信息化无线通讯的关键技术有：

1)GPRS/CDMA无线通讯技术采用分组交换技术实现报文数据发送和接收。GPRS/CDMA通讯终端工作时将要发送的报文分组，每个分组都包含目的地信息，通过运行商网络基站独立传输，到达指定的公网IP地址后重新组合以恢复完整的报文。分组交换无需长时间占用线路频宽，资源利用性较高，实行性也得以保证，因此特别适用于间断的、突发的、频繁的中小流量数据传输。

2)数传电台用于点对点或点对多点的工作环境，能够提供标准RS-232接口，可直接与计算机、RTU、PLC等数据终端连接，实现透明传输。数传电台的传输速率从1.2～19.2kB，传输距离20～50km。具有抗干扰能力强、接收灵敏度高等特点。数传电台技术比较成熟，标准统一。

3)卫星通信是地球上(包括地面、水面和低压大气中)的无线电通信站通过人造卫星作为中继站转发或反射无线电波，以此实现2个或多个地球站之间的通信，可以承载多种通信业务(INTERNET接入、IP电话、视频会议/监控、数据采集、备份链路、广播等)，信号覆盖范围广，通信成本与传输距离无关。

4)无线网桥是遵循扩频微波技术的产物，为使用无线(微波)进行远距离数据传输的点对点、点对多互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发设备，用于设备之间的远距离(可达50km)、高速率(可达百MB/s)无线组网，尤其适合对带宽要求极高的视频监控等大数据量信号传输业务。扩频微波技术是近几年兴起的一门数据传输技术。扩频微波最大优点在于较强的抗干扰能力，以及保密、多址、组网、抗多径等，同时具有传输距离远、覆盖面广等特点，特别适合野外联网应用。

5)Zigbee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。Zigbee技术主要针对低数据速率、电池供电为主的应用，Zigbee设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间处于省电模式(也称休眠模式)，其电池需要能够工作数年以上。

2无线通讯构架

目前国内油田的信息化建设主要以视频监控、参数自动采集等为主要内容。油田采油平台多为丛式井，即一个平台具有多口油井、水井，数字化建设需安装RTU和传感器采集其生产动态，采油平台的生产数据和视频归属就近增压点(或注水站、接转站)管理，涉及如下通讯需求。

2.1油水井RTU与采油平台主RTU之间的通讯

油水井实施数字化升级改造，主要监测的内容包括井口油压、套压、示功图(通过载荷和位移同步采集的数据生成)、抽油机启停状态及遥控等，数据通过油水井RTU采集后由采油平台主RTU集中后统一上传至上级平台。从技术原理上筛选，GPRS/CDMA、卫星通信、无线网桥属于中远距离通讯，数传电台和Zigbee为短距通讯。采油平台一般方圆不超过200m，因此油水井RTU与采油平台主RTU之间的无线通讯方式需从后两者中筛选。数传电台技术起源早、技术成熟，在工业控制领域应用广泛；然而Zigbee作为新兴技术较之具有可靠性高、使用方便安全、抗干扰力强、保密性好、误码率低、频段免费、价格低等优势。因此，油水井RTU与采油平台主RTU之间的通讯方式选择基于Zigbee技术的产品。

2.2采油平台RTU、视频与就近站点之间的通讯

采油平台实施数字化升级改造，主要监测的内容包括油水井数据的集中转发、采油平台视频图像的监控，数据经过交换机汇聚后上传至就近站点的网络接入点，通过主干光纤网络发送至作业区、采油厂服务器。油田内各个站点、采油平台地处偏远山沟，平台与平台、平台与站点之间除山体遮挡外基本无障碍物，直线间距一般为2～3km，可视条件较好。因此，采油平台RTU、视频与就近站点之间的通讯可以从GPRS/CDMA、卫星通信、无线网桥3种通讯方式来选择。GPRS/CDMA只要有信号基站即可完全不受通讯距离限制传输数据，但GPRS的峰值速率为115.2kB/s，CDMA 1X系统的峰值速率为153.6kB/s，仅能满足数据通讯的需求，带宽限制无法实现标清视频图像(704×576分辨率)的实时传送；而其升级的3G、4G网络因运营商投资费用限制在山区的覆盖率极低，且按照流量计费的方式运营成本较高，无法实现大面积应用。因此，在只做生产数据监测的偏远拉油井场可采用GPRS/CDMA的通讯方式。卫星通信的传输环节少，除设备本身被其他大型建筑或山体遮盖无信号外，不受地理条件和气象的影响，可全天候获得高质量的通信信号。卫星通信通常采用租赁的方式，然而在油田信息化监控室即使租用一个转发器，其带宽也仅在600M左右，无法满足大量的监控需求，而且租赁费用极高，因此卫星通信最好是在其他通信方式无法实现的重要生产区域使用。无线网桥具有组网方式灵活、适应性好、带宽高，网络的可扩展性强，建设周期较短，施工较为方便、容易的优点。缺点是在大型建筑内或山体等物体遮盖住设备本身时通信信号无或闪烁不定，通过遮挡物后信号衰减严重，因此不能保证远距离可靠传输的效果，稳定性较差。对比判断，采油平台RTU、视频与就近站点之间的通讯方式应选择无线网桥。

3无线通讯应用性能分析

按照上述无线通讯构架设计，在山区油田进行数字化建设过程中，Zigbee和无线网桥通讯技术得以大量的应用。下面对这两种无线通讯方式的应用进行性能分析。

3.1Zigbee近程无线网络通信技术

图1　山区油田数字化Zigbee近程无线网络通信技术应用

在油水井RTU与采油平台主RTU之间的通讯选择了Zigbee近程无线网络通信技术。设计选用的Zigbee无线通讯模块载频频率为2.4GHz，最大可提供16个信道，最大传输距离1000m，推荐传输距离200m以内，物理带宽250kB/s，有效数据速率约为100kB/s。应用中，油水井RTU与采油平台主RTU均安装有RS232串口连接的Zigbee无线通讯模块。设备上电后，主RTU对每个油水井RTU按照地址编码逐个发送命令帧，油水井RTU收到数据广播后自行解析；当分析到帧中的地址与本机相同时，对消息帧进行CRC校验；若验证通过则向主RTU回复一个应答帧，并按照预先约定的功能码生成应答数据帧发送至主RTU。从第一个油水井RTU到最后一个依次轮训，最终实现一个采油平台主RTU对多个油水井RTU的数据采集(图1)。

3.2无线网桥远程无线网络通信技术

图2　山区油田数字化无线网桥远程无线网络通信技术应用

在采油平台RTU、视频与就近站点之间的通讯选择了无线网桥远程无线网络通信技术。采油平台主RTU及视频数据流与就近站点的上位机通信采用的是以太网通信方式，除传输视距完全受限的区域必须采用敷设光缆实现通讯外，传输视距好，能够直接、或者通过较少的中继与所属站点通信的情况优先采用无线网桥方式。应用中，网桥选用支持“点对点”、“点对多”通讯模式的产品。每个采用无线通讯的采油平台在井场视频监控用水泥杆的顶端安装配有定向天线的无线网桥设备，通过调整网桥的对射角度实现采油平台的作为通讯终端、中继点的功能，站点内的通讯杆上安装配有全向天线的无线网桥设备，用于接收各终端或中继点的网络数据(图2)。一般无线网桥的最低理论传输速率在6MB/s左右，完全可以满足现场带宽的需要；当其作为中继点时，需计算终端和其自身共计的数据带宽。经过现场大量的应用和方案优化，分析无线网桥通信的性能可靠性：①采用5.725～5.850GHz工作频段，提高了网桥在远距离通讯下的实际可用带宽；②采用正交频分复用技术(OFDM)和非视距(NLOS)传输技术，降低了使用中安装条件的限制，提高了覆盖能力；③自适应调制解调技术和自动功率发送控制增强，保证了链路稳定性和可靠性。应用表明，无线网桥通讯的方式对于存在大量山区内跨山通讯需求的采油平台和站点，极大解决了施工布线难题，并保证了大容量数据的通讯效果。

4结语

选择合适的无线通讯方式和成熟可靠的产品，对于地理环境以山区为主的油田信息化建设中的网络通讯，具有施工成本极低、使用和维护方便、稳定性高的优点，使得其能够在整个油田内部的信息化建设中大面积的推广应用，为现代化油田的智能化、信息化、网络化管理提供可靠的技术保障。

[参考文献]

[1]阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社，2003.

[2] 朱天寿. 油气田数字化管理[M]. 北京：石油工业出版社，2011.

[3] 贾爱林，郭建林. 智能化油气田建设关键技术与认识[J].石油勘探与开发，2012，39(1)： 118～122．

[编辑]帅群

80 Application of Wireless Communication in Oilfield Digitalization in the Mountain Areas

Yang Feng(Author’sAddress:No.5OilProductionPlant,ChangqingOilfieldCompany,PetroChina,Gaoling710200,Shaanxi,China)

Abstract:By the introduction of the key technology of wireless communication used for oilfield informationization, the frame work of wireless communication of oilfield digitalization in the mountain areas was determined, Zigbee short-range wireless network communication technology was selected for the communication between RTU in production well and main RTU in production platform, a wireless bridge remote wireless network communication technology was chosen for the communication between RTU in the production platform, video and the nearby stations.The application shows that Zigbee wireless communication can particularly meet the demands of oilfield data transfer for cluster well drillings, while the wireless bridge network communication can meet the demands of large scale of communications from production platforms in the mountain areas and communications from the stations crossing mountains.

Key words:mountain area; oilfield; production platform; well site; digitalization; informationization; wireless communication

[文献标志码]A

[文章编号]1673-1409(2015)17-0080-03

[中图分类号]TE46