无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用

苏国东,舒 浩

(1.湘潭大学 物理与光电工程学院,湖南 湘潭 411000;2.长沙市人社局考试中心,湖南 长沙 410000)

0 引言

在我国石油行业的发展过程中,由于国内油田企业存在着大量分布着分散设备和传感器的生产现场,这些设备和传感器具有一定的可靠性要求,如果采用传统的有线技术,会增加企业建设成本。因此,为提升油田企业的信息化水平,降低建设成本,越来越多的企业开始关注并尝试应用无线WIA-PA技术进行油田物联网建设。该技术具有组网灵活、功耗低、通信距离远等优势特点。文章通过分析无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用优势和国内外油田物联网建设现状,对未来无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用前景进行了展望。

1 油田物联网建设中存在的问题

1.1 物联网应用水平不高

目前,油田物联网建设虽然取得了一定进展,但其应用水平不高,主要体现在:(1)技术路线不够明确,导致应用不统一。目前,油田物联网建设中有两种技术路线:一种是以 ZigBee技术为代表的无线传感网络技术路线;另一种是以无线Wi-Fi技术为代表的无线广域网技术路线。由于不同的技术路线,导致了油田物联网建设中存在大量的系统不兼容问题,影响了系统的整体应用效果。(2)标准规范不完善。目前,油田物联网建设中没有一套统一的、具有国际影响力的标准规范,这导致了系统之间缺乏互联互通、共享利用等问题。

1.2 智能化程度低

当前,油田物联网的感知层主要是将传感器接入到油田的各个生产装置中,实现对油井、气井、输油管线等生产装置的运行状态进行实时监测,通过无线传感器网络实现对数据信息的采集,但这些数据信息主要是以模拟量形式存储在传感器中,如温度、压力等。而传感器本身的数据信息并没有被充分挖掘和利用,导致物联网感知层智能化程度不高,油田生产过程中需要处理的数据信息没有被充分挖掘利用,且这些数据信息不能实现跨组织和跨地域的共享。

1.3 数据处理能力不足

数据采集、传输、存储、应用等各环节所产生的海量数据,需要高效的数据处理技术来实现对其管理和优化。当前,在油田物联网建设中,仍存在以下问题:(1)现有油田物联网数据采集终端多为通用的嵌入式设备,无法与油田现场环境相适配,如无法适应油田现场极端恶劣的环境,容易产生通信故障。(2)采集终端虽然可以接入多种无线通信协议(如ZigBee、Wi-Fi、蓝牙等),但由于目前相关标准没有统一,不同厂家间通信协议不兼容,无法进行数据融合处理。(3)目前,多数油田物联网数据采集终端均采用有线通信方式进行组网,导致无法实现灵活部署、动态扩展。

2 WIA-PA技术优势特点

2.1 分层的高效网络组织与管理架构,实现千点网络规模

采用无线WIA-PA技术建设油田物联网,将实现千点规模的物联网组网。其优点是:(1)无线WIA-PA网络能够快速部署,实现点到点覆盖,利用无线WIA-PA的组网技术,可以迅速建立起无线通信网络。(2)无线WIA-PA网络支持数据的快速传输,在采集数据的同时,可实现信息的传输,降低了采集数据时延。(3)无线WIA-PA网络中各个节点可以实现独立组网,且拥有较高的节点安全性和可靠性。(4)无线WIA-PA网络中的各个节点可以根据实际需要,灵活选择工作频段、传输距离等参数,降低了组网成本。

2.2 自适应跳频实现高可靠通信,提升抗干扰能力

无线网络的核心在于有效通信,而保证通信的主要因素就是节点的自适应性。当无线网络节点在工作时,通过采集通信信道数据,实时调整自身工作频率,避免和干扰信号发生冲突。这种方式无需提前设置,即可自动适应所处信道环境,避免了人为因素造成的通信质量波动。因此,WIA-PA技术充分利用了无线网络节点的自适应性,极大地提高了无线网络节点的抗干扰能力[1]。

以某油田智能无线采集系统为例,该系统采用的是自适应跳频技术,即通过采集节点的自学习能力和周围环境信号变化情况来判断当前信道质量以及对当前传输状态是否需要进行切换,以避免高干扰环境下传输性能大幅降低。

2.3 联合调度模式,保证系统实时性

WIA-PA的联合调度机制分为两种:基于物理层和基于数据链路层的联合调度机制。

(1)基于物理层的联合调度机制。当一个节点处于空闲状态时,其他节点进入休眠状态,并将当前工作频率及工作时间上报。同时,在数据链路层建立一个临时数据信道,进行数据包传输。在空闲时间内完成数据包的转发和发送。

(2)基于数据链路层的联合调度机制。当一个节点处于空闲状态时,其他节点进入休眠状态,并将当前工作频率及工作时间上报至主站,根据当前信道资源及工作频率情况,决定是否重新启动休眠节点;如果重新启动休眠节点,则根据之前上报的工作时间发送。当主站再次发现某个节点处于空闲状态时,将该节点的工作频率及工作时间上报至主站,根据之前上报的工作时间进行发送,并在主站周期性地重启休眠节点;当重启休眠节点后,则根据之前上报的工作时间发送;重复以上流程,直到所有节点都处于空闲状态时,即可完成整个系统的数据传输[2]。

2.4 微秒级高精度同步,实现微瓦级超低功耗

在油田生产环境中,系统的采集终端设备,特别是在野外油田的应用场景中,节点往往安装在远离网络的位置,通常是在野外、无人区、沙漠等环境中,而通信基站也往往需要保证通讯距离远、覆盖范围广,因此需要从终端设备中获取高精度的时间同步信息。

WIA-PA技术通过优化通信协议、调整发射功率等方式,实现了对同步精度的提升。其接收端可以在几 μs内,将接收到的时间信号和发射信号进行比较,在接收端产生与发射端时间偏差1～3 μs的信号,这种信号可以直接通过无线电波或光波传送到基站进行处理。

3 无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用

3.1 智能站监测

智能站监测系统主要包含4部分:前端数据采集、传输网络、中央控制网络和通信平台,采用无线WIA-PA技术,实现数据的采集、传输、处理和发布,实现多个参数的自动控制。

前端数据采集部分包括:智能仪表、油井压力、温度和电机电流等。采用无线WIA-PA技术,通过无线模块将各类数据发送到采集模块,并将采集到的数据传送给中央控制网络。

传输网络部分包括:中心服务器和各监测点的WIA-PA终端。中心服务器采用阿里云,可以实现多个监测点的数据统一管理和处理。

中央控制网络部分包括:智能站的无线网关和智能站内各点的无线模块。采用GPRS/CDMA通信技术,将采集到的数据通过GPRS模块发送到中心服务器,并通过中心服务器将数据处理后,通过CDMA或GPRS网络发送到各个监测点。

通信平台部分包括:应用软件和Web网站。应用软件用于实现对数据的接收、发送和分析,Web网站用于发布数据、提供查询和数据统计功能。

其中,智能仪表部分由智能仪表、无线收发模块和无线控制器组成;传输网络部分由中心服务器、路由器和无线网关组成;中央控制网络部分由中心服务器和无线网关组成;应用软件部分由应用软件和Web网站组成[3]。

综上所述,在油田物联网建设中,采用无线WIA-PA技术,可以实现多个参数的自动控制,降低了监测系统的复杂度和成本,提高了数据的传输效率和准确度,能够为油田物联网建设提供完整、可靠、高效的技术支持。

3.2 物联网控制中心

物联网控制中心负责对生产数据的采集和处理,包括生产运行、设备巡检、能耗监测、工艺参数、过程监控等。通过物联网控制中心可实现远程设备操作流程的优化,减少操作人员数量,降低劳动强度,提升生产效率。

(1)生产运行:对油井、水井等进行生产运行状态的监控和分析,可以对油井产量和井下温度进行远程采集和处理。

(2)设备巡检:通过物联网控制中心的App或PC客户端对设备进行远程巡检,检测设备状态、监测数据及报警信息等,及时发现和排除设备故障。

(3)能耗监测:通过物联网控制中心的App或PC客户端对油井、水井等设备能耗进行监测,了解设备运行状态、能耗情况及节能潜力,从而实现节能降耗。

(4)工艺参数:通过物联网控制中心的App或PC客户端对油井、水井等进行工艺参数监测,了解生产工艺情况,优化生产参数,提高生产效率。

综上所述,通过无线WIA-PA技术在油田生产过程中的应用,实现了油田生产过程的信息化、智能化管理,提升了油田生产的效率,降低了操作人员的劳动强度,实现了油田物联网建设目标,对油田生产和管理具有重要意义。

3.3 物联网数据采集系统

物联网数据采集系统是物联网控制中心的数据采集平台,主要由物联网终端、传感器、无线传感器网络及监控服务器构成。

(1)物联网终端:安装在现场的用于采集现场数据的各种类型传感器,如温度、压力、液位等;各种类型的无线传感器网络,如无线温湿度传感器网络、无线油压传感器网络等;监控服务器:负责对采集到的数据进行存储和分析,并根据用户权限提供给用户数据查询、报表统计、数据分析等功能[4]。

(2)物联网传感器网络:在油田现场部署大量各种类型的无线传感器网络,以实时采集现场数据,并根据用户权限提供给用户数据查询、报表统计、数据分析等功能。

(3)无线传感器网络:安装在油田现场的大量各种类型的无线传感器网络,以实时采集现场数据,并根据用户权限提供给用户数据查询、报表统计、数据分析等功能。

(4)监控服务器:负责对采集到的数据进行存储和分析,并根据用户权限提供给用户数据查询、报表统计、数据分析等功能。

总之,物联网数据采集系统是通过物联网控制中心,将采集到的现场数据进行处理后,上传到云平台,并在云平台上通过 API接口等方式实现与其他应用系统的交互,为用户提供了一个直观的数据展示窗口。

4 无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用前景

4.1 促进油田开发模式的转变

油田物联网建设将促进传统的“井下作业”模式向“井上作业+智能无人化”转变,实现“井上作业+智能无人化”是油田物联网建设的一个重要目标,其具体实施将促进油田开发模式的转变[5]。

4.1.1 智能无人化井上作业模式

采用WIA-PA技术建设的油田物联网,通过物联网设备实时采集生产过程中的各种数据,结合各种专家系统分析决策,实现油气生产过程中的自动作业和远程监控,避免人工操作风险,大幅提高油田生产效率和安全生产水平。

4.1.2 智能无人化井下作业模式

智能无人化井下作业是一种安全、高效的采油方法。采油厂通过在地面安装无人值守的井下作业系统,实时监测井下设备运行参数,并将采集的数据传送给后台中心管理系统,由平台进行分析、判断后做出决策,将智能无人化井下作业推向生产现场。通过对油田物联网系统的深入研究,将在油田物联网建设中引入智能无人化井下作业模式,从而实现“井下作业+智能无人化”的有机结合。

4.1.3 井筒环境监控模式

目前,油田大多采用地面-地下一体化监控系统进行井筒环境监控,但由于该系统采用有线方式传输数据,现场施工难度大、成本高,不利于维护,而采用WIA-PA技术建设的油田物联网可以解决上述问题。

4.2 促进物联网技术向纵深发展

目前,在油田物联网建设中,各种技术的融合应用、数据的融合分析和挖掘、综合信息的整合利用等方面,都存在着许多问题和挑战,急需通过技术创新来解决。

4.2.1 物联网标准体系不健全

目前,我国物联网发展存在着标准体系不健全、标准化工作滞后等问题,缺少统一的行业标准,导致物联网发展不规范。物联网是一项涉及多学科、多领域的技术集成工程,技术发展和应用都需要有统一的标准规范作保障。

4.2.2 缺乏有效的激励机制

由于物联网是一个新兴的产业,相关政策法规制度还不健全,在一定程度上制约了物联网产业的发展。在油田物联网建设中,各种物联网技术和设备的应用需要一定的投入,而且对投入产出比的要求比较高,只有形成有效的激励机制,才能吸引更多的社会资源进入物联网产业[6]。

4.2.3 物联网关键技术需要突破

油田物联网建设涉及方方面面,包括感知层、平台层和支撑系统等方面,其发展水平直接关系到整个油田物联网建设的效果。目前,物联网应用主要集中在智能交通、智能家居、环境监测等领域,其他领域还没有得到有效应用。在油田物联网建设中,需要大力加强与相关领域的合作,突破关键技术,加快技术成果的转化和推广应用。

5 结语

总而言之,在未来,随着物联网技术的不断成熟,无线WIA-PA技术将会逐渐成为油田物联网建设的主流。由于无线WIA-PA技术的功耗低、组网灵活等特点,在油田环境监控、井场安全监控、设备状态监测以及井下数据采集等领域都有广泛的应用前景,本文只是对其在油田物联网建设中的应用进行了初步探讨。相信随着无线WIA-PA技术的不断成熟与发展,未来它将会在油田物联网建设中发挥越来越重要的作用,不仅可以推动油田物联网建设进程,还能为企业带来巨大的经济效益。