无线通信技术在油田信息化建设中的应用

王鹤

大庆油田工程有限公司

石油石化行业是国民经济的支柱产业，为了适应日趋严峻的国际市场竞争，油田信息化建设已成为石油石化行业发展的重大战略步骤，可推进油田从数字油田发展为智能油田、智慧油田的进程。

油气田井场通信网络建设在油田信息化建设中具有重要作用，同传统的有线通信网络相比，无线通信网络技术在网络建设简易快捷、维护量小、成本低等方面的优异表现越来越受到油田信息化建设的青睐。本文将对几种主流无线通信技术进行分析对比，对无线通信技术在油气田井场信息化建设中的应用进行探讨。

1 油气田井场数据上传需求

目前国内油气田井场数据主要包括生产数据、安防数据等。

单井生产数据需求见表1[1]。

表1 单井生产数据无线传输数据量估算Tab.1 Estimation of wireless transmission data volume of single well production data

在安防监控系统行业内，前端摄像机按清晰度格式划分为8K/4K/1080P/720P/D1/CIF/QCIF等多种清晰度，其中1080P为目前工业场所使用的主流清晰度。不同清晰度摄像机分辨率及采用不同编码格式编码后的传输带宽需求情况见表2。

表2 摄像机清晰度及传输带宽参数Tab.2 Definition and transmission bandwidth parameter of cameras

因视频图像数据量较大，带宽要求较高，可根据油气田井场管理要求，进行选配或者调整视频数据上传时长及清晰度。

2 无线通信技术特点

根据油气田的数据上传需求及无线应用环境，目前可适用于大规模组网的无线专网技术主要有TD-LTE、WLAN点对多点无线网桥、PMP点对多点微波、McWill、WIA-PA以及LoRa等6种，其参数及性能对比见表3。

表3 多种无线通信技术参数及性能对比Tab.3 Comparison of various wireless communication technique and performance

通过对各种无线通信技术对比可知，TDLTE、WLAN及PMP技术上行带宽满足井场视频数据上传需求。TD-LTE无线传输系统在邻区加载情况下，20 MHz系统单基站数据上行可达20 Mbit/s以上，因带宽限制只可实现图片、临时视频数据上传，并且在实施过程中需和有关部门沟通频率使用情况；WLAN采用CSMA/CA技术，各远端站设备抢占中心站信道，无法保证多个远端站数据传输的稳定性和持续性，且密集部署时因相互干扰大，导致信号不稳定，只限于小型网络组网；PMP采用TDMA技术，可有序分配时隙资源，确保多个远端站都能建立持续可靠的连接，上行带宽高，可满足连续视频数据的传输，但投资在以上3种方式中最高。

McWill、WIA-PA以及LoRa技术数据上行带宽小，主要适用于单井生产数据上传。McWill技术采用CS-OFDMA调制方式，能克服因扩频产生的码间干扰，且有较高可靠性，但终端设备成本较高。WIA-PA技术在2011年3月成为国际上工业物联网领域标准化技术，2012年WIA-PA标准成为A11（油气生产物联网系统）项目井口数据采集、传输标准，先后在辽河油田、新疆油田、延长油田、吉林油田、胜利油田等大型油田实施千点规模的信息化系统中应用，多级自适应跳频技术能有效克服工业环境中的干扰和信道衰减，实现与其他无线网络的共存，Mesh路由技术支持路径检测[8]，系统扩容便利。LoRa技术是近几年国内新兴的低功耗广域网技术，覆盖广、投资低，但由于系统丢包率较高，需建设多个基站接收数据，以提高数据传输效率，但因国家政策相关条款“470～510 MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段，限单频点使用，不能用于组网应用”，故LoRa技术不适合油田无线专网建设。

各井场可根据数据需求、组网规模、电源接入、周边环境等多种因素综合考虑，选择经济合理的无线接入方式。

3 公共无线网络接入

油气田无线专网接入方式需配备专业技术人员进行日常运维及扩容工作，需耗费大量资金建设无线通信网络。

若采用公网LTE方式，每个月只需支付数据流量费即可实现数据上传，不仅设备投资大幅减少，也可以精简运行维护人员。但因数据需先上传至运营商公共网络服务器，数据传输安全性、保密性较差。若建设规模较大，可同运营商协商，为数据上传提供APN专线通道，进行数据加密处理，并采用静态IP分配原则，每个IMSI号对应一个固定的IP，有效防止非法IP入侵[9]。不过，公共LTE网络还存在着很多盲点，部分井场的建设区域网络覆盖不够完善。

我国自主研发的北斗卫星通信技术可以填补这部分空白。北斗卫星通信系统具有覆盖面广、功耗低且维护简单的特点，并且是由我国独立研发，在信息的保密性和安全性方面更有保障，且不受地理位置限制，该技术目前已广泛应用于电网及海事等应用领域。但北斗卫星通信技术工作在物理层，存在数据丢包率高、信道不对称等问题，目前，可通过特定协议封装、拆组包，回执查询等方式保证数据传输的可靠性[10]。

4 典型应用

目前国内部分油气田常用的井场数据传输采用多种不同方式，具体情况见表4。

表4 部分油气田井场数据无线传输方式Tab.4 Data wireless transmission methods of some oil and gas field well sites

多种无线通信技术已应用于各油田信息化建设中，满足各油田生产管理的相关要求。大庆油田已全面开展信息化建设，大庆油田井场数量多，井位较密集，公网覆盖范围广，可实现绝大部分井场覆盖。目前，多个采油厂已同当地运营商协商，大大降低了数据上传流量费用；拥有较完善的安防系统建设，临时调用视频图像即可满足日常生产、管理需求。公网LTE已成为大庆油田信息化建设的主要通信方式。

5 结束语

对无线通信专网及无线通信公网在油田信息化建设的应用进行了探讨，根据油气田井场信息化建设的规模及基本环境，合理选择无线通信方式将大大降低投资成本及运行维护难度。

随着5G时代的来临，无线通信技术将具有更快的传输速度以及更高的稳定性，未来会成为油田信息化建设的主要通信方式，加快了油田向智慧油田发展的步伐。