低功耗无线仪表在天然气采集输场站使用案例分析

李俊秋 王克琼 李海莉 刘婷 胡洋 羊映 邓启志

（西南油气田分公司川西北气矿）

目前我国油气井分布具有点多面广、环境恶劣、交通不便、生产成本高、员工劳动强度大等特点。在推进油气田全面数字化的进程中最难解决的也就是偏远井站和阀室的数据采集、传输监测的问题。传统的数据传输方式为“单井—中心站—作业区”租用链路+自建光纤传输的模式，与此同时，传统的管理方式为“中心站值守+单井周期人工巡检”。因此，急需通过建设油气生产物联网系统来改变现有的生产管理模式。若偏远低效井仍采用传统物联网“仪表-RTU-远传模块-基站（网关）”的建设方式，势必会增大建设费用，因此通过对低功耗无线仪表的投用，打造“仪表- 基站（网关）”的数据透传新模式，不仅能够优化链路层级，减少中间传输环节，进一步提高数据的传输效率，还能够大幅降低油气田数字化建设成本。

1 低功耗仪表概述

随着微电子和无线通信技术的迅猛发展，目前无线通讯方式由于简单易行、成本低、功耗低等特点，比起传统的仪表，无线仪表更能赢得的市场的喜爱，且因融合了越来越多的先进无线通信技术[1]，无线仪表开始被引入到各个行业领域中。比较常见的无线通讯技术主要有RFID、NFC、Wi-Fi、Zigbee、Bluetooth、LoRa 等 等。其 中RFID、NFC 多用于电子标签，现已在油气田场站广泛使用；Wi-Fi 技术使用频率最高，具有覆盖面大、功耗高、数据传输速率高、部署和操作简单的特点，更适用于有IP 入网需求和传输速率较高的无线通讯场景；Zigbee 与Bluetooth 具有短距离传输、成本低、时延短、传输速率和复杂度低的特点[2]，适用于近距离和传输率较低的双向容错无线通讯场景；3G/4G、光纤运用也很广泛，但功耗和建设成本过高，可以用于油气田相对集中重点高产井的数据采集和监测。若用这些传统的通讯技术用来解决油气田偏远低产井的数字化问题就显得捉襟见肘，这样看来似乎远距离传输和功耗成本二者不可兼顾。此时，新一代物联网技术中的低功耗广域网的诞生可以有效解决以上矛盾。接下来，主要通过LoRa 和NB-IoT 两种低功耗无线通讯技术分析，来验证其是否在油气田能够适用[3-6]。

从低产井信息化建设业务需求及数据传输特点出发，结合物联网技术要求，提出了以下14 项技术需求指标，通讯技术要求见表1。其中包含了通信距离、平均功耗等关键技术需求指标。为后续低功耗仪表形成技术方案提供了有效支撑。

表1 通讯技术需求

1.1 LoRa（Long Range）技术介绍

LoRa 是一种新型的基于1 GHz 以下的长距离、低功耗数据传输技术，是一种使用扩频调制机制的无线通信技术。LoRa 技术融合了数字扩频、数字信号处理和向前纠错编码技术，通过使用线性调频扩频调制技术，既保持了像FSK（频移键控）调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关能够并行接受并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。LoRa 技术有以下特点：远距离，164 dB 链路预算，传输距离大于8 km；易部署，快速、灵活的基础设施易组网且投资成本较少；低功耗，LoRa 节点模块仅用于通讯，电池寿命长达5 年；低成本，免牌照的频段，网关、路由器建设和运营、节点、终端成本低。

1.2 NB-IoT技术介绍

NB-IoT 整体网络架构主要分为了5部分：NBIoT 终端、基站、核心网、IoT 平台、应用服务器。低功耗是NB-IoT 技术的重要技术特性之一，使得基于NB 通信模块的终端可以保证长时间的运作，不用频繁更换电池来进行供电操作，省时省力。该技术通过以下几种方式保持低功耗：降低芯片复杂度，从而减少工作电流；简化空口信号命令，减少单次传输功耗；PSM 省电模式；eDRX 节电技术；长周期TAU 减少发送位置更新，降低功耗，不同通讯技术对比见表2。

表2 不同通信技术对比

2 低功耗仪表在井站实际应用效果分析

将以XX 油田的偏远低产井为例，将LoRa、NB-IoT 两种通讯方式设备投用半年的实际效果进行分析。

2.1 建设成本对比

以实现低效井油、套压数据采集为例，采用A公司建设费用1.5万元，B公司建设费用3万元，传统模式则需要15 万元。无线低功耗仪表建设方案与传统建设方案相比，平均可节约80%的建设成本。

2.2 网络租赁费对比

以实现低效井油、套压数据采集为例（不含视频监控，1个一体化终端），网络租赁费用A公司需要0.04 万元/a，B 公司需要0.005 万元/a，传统光纤模式则需要5.2 万元/a。可见采用无线低功耗仪表网络租赁费与传统光纤租赁模式相比，平均可节约90%以上的网络租赁费。

2.3 电费对比

经统计分析，该油田信息化远传的低产无人值守井用电费用一般在200元以下，改造后，无电能消耗。综合计算低产无人值守井使用无线低功耗仪表每年每站可节约用电量约3 025 kWh，节约电费约130元。

2.4 维护成本

以XX14 井为例，网络运维单位每年例行对网络设备进行检测维护4次，因设备、系统故障临时检修每年约2～4次，自控运维单位每年对站控系统检测维护2～3次，本单位内部仪表班、电工班、信息化管理员每年对数据采集仪表检定维护4～6 次，平均来看各专业单位对传统数据采集、传输模式的信息化系统每年需维护10～14次。采用低功耗仪表后因不需要市电供电系统，检测仪表、网络设备数量大幅度减少，各工种对设备维护工作量也相应大幅度降低，每年4～6次检测、维护就能满足生产数据的采集、传输要求，通过无线低功耗仪表的使用可减少维护工作量60%以上[7-8]。

3 结论

随着物联网技术的发展和无线仪表技术的逐渐成熟，全面启动数字化建设、实施数字化管理，是油气田企业上游业务提高生产效率、加强安全环保、促进节能减排、改善工作条件、优化生产组织方式、控制生产用工的有效途径，是加快发展方式转变、提高油气田开发管理水平和综合效益的必然选择。根据来自不同厂家的LoRa、NB-IoT 等几种无线技术设备在天燃气偏远低产井的实际应用对比分析可见，低功耗仪表不仅保障了油气田偏远地产井生产数据传输及时、完整、安全可靠的同时，大大降低了建设运维费用，使得低成本物联网通讯成为可能。低功耗无线仪表的全面推广应用为油田信息化和工业化的深度融合提供了有力的支撑[9-11]。