无线通信技术在油田自动化中的应用探讨

2020-05-22韦娜

石油研究 2020年1期

韦娜

摘要：无线通信技术主要运用在远距离通讯，通过无线网桥可以将分离得比较远的独立网络连接起来，不用考虑通信线路的修建问题，这就为油气田的勘探、开采提供了便利。利用LTE无线通信技术能够大幅度提升石油开采过程中的自动化程度，完善有线通讯无法顾及到的地方，同时降低通信组网设备等方面的成本，可以快速部署实施，非常便利且易推广使用。

关键词：无线通信技术;油田自动化;应用探讨

目前重要石油生产区使用有线通信，主要应用光缆传输系统完成通信，但是无线通信弥补了有线通信的不足之处，能够在开采地区地形复杂、建设有线通讯难度较大或者根本无法建设的石油开采区域快速部署，在实际石油开采中成为有线通信的最佳辅助，加之其成本较低，使无线通信技术在石油勘探开发、油气集采方面被广泛运用，下面就对此技术在开采石油中的运用进行探讨。

1 油田自动化概述

自动化是目前各个行业应用中最广泛的技术发展方向，也是未来发展的必然趋势。在石油开采方面，自动化应用也日趋广泛，各个油气田在产区建设方面均向数字化、智能化方向发展，使得生产自动化需求越来越高。其核心是利用通信技术、信息与计算机技术等为依托，以各种自动化的仪器仪表作为基础，建立油气生产所有环节，包括监控、监测、控制、调度与管理等统一工作平台，使开采石油过程中的各个步骤能够实时可控。实际应用结果表明，在石油开采过程中能够节约很多人力与物力成本，降低发生危险的概率。

2 无线传感器网络

2.1 无线传感网络运行机制

无线传感网络引入石油的开采，其主要目的是在开采过程中实现数据的收集，传输和整理，其基本组成是有传感器、汇集与管理三个节点，在开采石油的过程中，安装无线传感网络的依据是在所采石油的监控范围中所使用到的传感器的数量，然后传感器会自己进行配置与管理，进一步形成多跳无线网，最终依靠传感器的節点实现数据的传递。在整个过程中，经过各个节点的数据会进行相应的处理，最终所有数据传递到汇聚点，再向上传递到各个管理节，实现数据的收集等过程，这整个过程都依托于无线网络。在各个管理节的数据可以有用户进行处理归纳和使用。

2.2 无线传感器网络组建的优点

2.2.1 组网简单快捷、移动性强

无线传感器网络是由大量传感器以自组织的方式构成无线网络，目的是协作探测、处理和传输网络覆盖区域内感知对象的检测信息，并进行上报。目前在石油开采中，应用最多的传感器就是温度、流量和压力变送器，实际应用是将无线传感器连接在接口处，同时对信道与地址等简单配置就可以进行通信传输。因为无线传感器网络的组建不需要借助电缆、光缆等硬件系统来传递信息，所以且其构建很方便，而且可以选择合适的位置进行移动。

2.2.2 网络扩展性好

无线传感器网络通过计算机技术和信息技术来控制，因此当其基础设备建设完成之后，可以很方便的对其网络进行扩展，通过接收设备终端冗余端口进行下联完成扩展，也可以通过增加设备完成，其扩展规模可以根据实际需求确定，这种无线组网方式可以满足多场景、多需求的油气田生产。

2.3 无线传感器网络的不足

2.3.1 实时性差

无线传感器网络的信号接收过程是通过接收端先接收无线传感器节点所监测的信息，然后经过所接受的地址按前后顺序依次进行数据的收集整理，并完成上报。在这个过程中因为按顺序进行，因此收集的数据与实际情况会有一定时间差，在实时性方面会有一些不足，对于时间精度要求高的应用场景不适用。

2.3.2供电性差

无线传感器很多不支持用物理仪表和电缆等供电，在不能适用POE供电的情况下，需要依靠电池进行供电，而电池存电有限，即使耗电功能低也会有用完的时候，需要及时的更换供电电池，因此无线网络供电性比较差，使得后期自动化维护工作量较大，如果自动化维护力量跟不上，直接会导致自动化数据采集工作停止，给生产安全带来隐患。

3 无线网桥的应用

3.1 无线网桥运行机制

在进行石油开采时，无线网桥通常所使用的通信频段分为5.8G与2.4G两种，在开采石油时实际使用的是5.8G较为常见，此频段使用是可以不用申请执照，同时还具有无线网桥的功能。

进行无线网桥的搭建时，有三种方式进行选择，为点对点模式、中继模式和点对多模式，这三种方式的具体使用是有各自的特点的，主要与开采地的环境、地质、油田的开采对自动化的要求和终端距离的远近有关，其中影响最大的是终端距离，要根据实际情况进行合理的选择。当终端距离比较远的时候，可以选择使用点对点的模式，效果比较好;当终端距离比较近时，可以选择使用点对多点的模式;当这两种距离都有事，采取中继的模式是最好的，这样的选择是科学的。

3.2 无线网桥的优势

无线网桥与无线网桥相比，无线网桥最显著的优点就是其移动性比较强，没有物理电缆，通过室内外的接收与发射装置、室内单元等为媒介进行通讯，因而具有较强的移动性的，在实际使用时可以依据具体情况改变所处的位置。油气田生产区由各个场站组成，一般会将各个场站的具体运行状况和实时视频画面等信息通过中央控制器来集中处理，这些信息可以作为调控管理与工作调度的依据。基于上述一般的应用场景，采用点对多的架设方式是在油气田使用无线网络的最佳模式。

4 LTE技术的应用

4.1 LTE技术运行机制

在油气生产区的井场，安装在油井或采气树上的传感器实时采集所需的压力、温度等参数，数据通过DTU、CPE等多种无线终端UE上传至本地无线网络基站，基站采用分布式架构，主要由基带处理单元BBU和射频拉远单元RRU以及配套智能天线组成;基站利用传输设备将大量数据通过油田骨干传输网传送至核心网EPC，EPC完成TD-LTE网络数据的交换和路由设备，负责基站的管理、无线终端的接入控制、认证和用户的移动性管理等功能;EPC提供SGi接口为上层应用提供与无线终端之间的数据通道，系统最终实现了物联网生产数据传输、视频监控、语音与多媒体集群调度和互联网业务等多种应用功能，同时使用OMC对系统进行统一网络管理。

4.2 LTE技术的优势

4.2.1 正交频分复用OFDM

将高速的数据流分解为N个并列的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输。这些在N子载波上同时传输的数据符号，构成一个OFDM符号。子载波窄带传输特性，使OFDM可以采用简单的频域均衡技术，同时采用混叠的正交子载波并行传输数据，有效利用频带资源。

4.2.2多天线分集技术MIMO

多个输入和多个输出既可以来自于多个数据流，也可以来自于一个数据流的多个版本，多流MIMO能够提高系统峰值速率。

4.2.3流波束赋形技术

TD-LTE多天线增强型技术，采用8天线的双流波束赋形技术可以显著提升单站覆盖半径和系统平均吞吐量。

在技术方面，OFDM正交频分复用、MIMO多天线分集和流波束赋形技术的应用，对油气田面积广袤、井场分布离散、无线环境复杂，均可实现安全可靠的组网，充分体现了TD-LTE技术在油田组网的优势。

5 结束语

随着计算机技术与信息技术的快速发展，无线通信有广阔的研发前景。在石油的自动化开采中，无线通信具有很多有线通信无法实现的优点，在今后物联网发展日趋完善，油气田开发建设时将越来越广泛的使用无线网络作为通信依托，无线技术和石油行业的深度融合有着广泛的探索空间。

参考文献：

[1]雷鸣.探究无线通信技术在油田自动化中的应用[J].数字通信世界，2018，02：170.