蘇里格單井傳輸?shù)难芯颗c設(shè)計(jì)

引 言

蘇里格氣田地處毛烏素沙漠，地質(zhì)條件差，開發(fā)難度大， 是典型的低滲、低壓、低豐度巖性氣藏。有效管理好上萬口氣井的難度較大，有人集氣站需 9 人駐站值班，單井人工定期巡檢，工作量大，成本高，效率低。

隨著工控領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)概念的推廣， 工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化不斷提高，為了減少現(xiàn)場人員的工作，提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)集氣站管理的自動(dòng)化水平提出了更高要求。

本文研究可減少現(xiàn)場人員操作，降低成本與安全風(fēng)險(xiǎn)， 提高工作效率，達(dá)到減員增效的目的。

1 單井傳輸現(xiàn)狀

蘇里格項(xiàng)目部蘇 5、桃 7、蘇 59 區(qū)塊共管理 1 000 多口單井，單井至場站多為數(shù)傳電臺(tái)遠(yuǎn)傳，由于電臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控及圖像傳輸共用一條傳輸通道，拍照系統(tǒng)進(jìn)行拍照時(shí)需要停止井口數(shù)據(jù)采集，單井?dāng)?shù)據(jù)每日累計(jì)中斷約半小時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，監(jiān)控中心在此期間無法查看井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)，存在井口數(shù)據(jù)異常而又無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的安全隱患。由于采用輪巡的采集方式，因此數(shù)據(jù)采集及閥門狀態(tài)反應(yīng)嚴(yán)重滯后。單井電臺(tái)傳輸如圖 1 所示。

目前，單井通信方式包括無線電臺(tái)通信和無線WiMAX、網(wǎng)橋通信兩種。

1.1 無線電臺(tái)通信方式

電臺(tái)井 ：將井口的油壓、套壓、流量計(jì)、截?cái)嚅y的 485信號(hào)接入 485 隔離器，隔離器 485 信號(hào)接入電臺(tái) 485 信號(hào)。

1.2 無線 WiMAX、網(wǎng)橋通信方式

WiMAX（網(wǎng)橋）：將井口的油壓、套壓、流量計(jì)、截?cái)嚅y 485 信號(hào)接入 485 隔離器，485 隔離器連接串口服務(wù)器， 串口服務(wù)器用網(wǎng)線與交換機(jī)相連，繼而進(jìn)入 WiMAX（網(wǎng)橋）。

2 傳輸方式對(duì)比

數(shù)傳電臺(tái) ：通信易中斷，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差。

常規(guī)網(wǎng)橋 ：當(dāng)前市場無線網(wǎng)橋主要以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為主， 通過大功率多跳技術(shù)形成組網(wǎng)，導(dǎo)致功耗大，產(chǎn)品根據(jù)傳輸距離劃分為不同的型號(hào)，維護(hù)復(fù)雜。

VPN 技 術(shù) ：采 用 運(yùn) 營 商 無 線 信 號(hào) 覆 蓋（ 頻 率 在1 200 ～ 1 800 MHz之間），在公網(wǎng)上建立企業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，前期投入少，但受到覆蓋范圍、故障責(zé)任劃分、帶寬資源、維護(hù)時(shí)效性及運(yùn)行費(fèi)用根據(jù)業(yè)務(wù)開展遞增等因素影響，適合城市或應(yīng)用簡單的場所。

光纜通信 ：適合新建井場，隨著管線施工進(jìn)行鋪設(shè)，帶寬高，運(yùn)行穩(wěn)定，但使用過程中容易受到環(huán)境變化或人為造成的中斷，隨著運(yùn)行年限的增加，后期維護(hù)工作量較大。

各通信方式詳細(xì)參數(shù)對(duì)比見表 1 所列。

3 Mesh 網(wǎng)絡(luò)

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Mesh 網(wǎng)絡(luò) [1] 的建設(shè)將所有單井組網(wǎng)結(jié)構(gòu)在整個(gè)油氣田區(qū)域進(jìn)行整體規(guī)劃，就近形成路由關(guān)系，使用最佳路徑或路由進(jìn)行集群。將同一根干管方向的單井群形成一個(gè) Mesh 網(wǎng)通信集群，通過最優(yōu)的 LOS[2] 路徑與中心站無線橋接，中心站經(jīng)過油氣田內(nèi)部專網(wǎng)匯集到作業(yè)區(qū)或廠級(jí)指揮中心。

基于 Mesh 無線組網(wǎng)結(jié)構(gòu) [3]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)全部使用 TCP/IP 協(xié)議傳輸，將原有基于本地總線的設(shè)備（如 RS 485/232 串口的 RTU，PLC 等）都通過 IP 虛擬串口實(shí)現(xiàn)匯聚。監(jiān)控視頻直接采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。基于 Mesh 網(wǎng)絡(luò)接入如圖 2 所示。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1 免費(fèi)頻段

根據(jù)環(huán)境設(shè)備工作在 2.4 G 或 5.8 G 免申請(qǐng)無線執(zhí)照的頻段 [4]，并通過技術(shù)手段，解決了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)延遲、組網(wǎng)能力差及運(yùn)行穩(wěn)定性不高等各類具體問題 [5]。

3.2.2 距離與速率

采用室外高帶寬電信級(jí)無線 Mesh 用戶接入終端設(shè)備， 空中速率 [6] 為 150 Mb/s，每個(gè)設(shè)備滿足 20 km 以上的通信距離，并保證 56 Mb/s 以上的速率。

3.2.3 技術(shù)先進(jìn)

采用專用的 iMAX 4G-LTE 技術(shù) [7]，依托 TDMA 協(xié)議、TTD 雙工、OFDM 高密度調(diào)制等先進(jìn)通信技術(shù)，滿足長距離、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)中繼通信，且設(shè)備類型簡單，只有井場與基站兩種產(chǎn)品，維護(hù)簡便。

3.2.4 低功耗 [8]

發(fā)射功率小于 500 mW，功耗小于 5W，滿足 -40 ～80 ℃的環(huán)境應(yīng)用，并通過覆膜工藝杜絕了野外風(fēng)沙與雨雪的侵蝕。

3.2.5 快速部署

優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布線，減少成本 ；模塊化施工，所有安裝件與線纜采用標(biāo)準(zhǔn)化方式，現(xiàn)場施工僅需按照接頭連接即可 [9]。

3.2.6 業(yè)務(wù)靈活

通過自建的企業(yè) VPN 網(wǎng)絡(luò)，除了滿足井場實(shí)時(shí)高清視頻和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通信外，還可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)管線井場巡護(hù)、應(yīng)急通信和間歇開關(guān)井、自動(dòng)泡排等新工藝技術(shù)應(yīng)用。

3.2.7 集中維護(hù)

任意節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井場、站控?cái)?shù)據(jù)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新及遠(yuǎn)程集中維護(hù)，減少井上現(xiàn)場作業(yè)，降低管理成本。

3.2.8 語音對(duì)講

語音采用脈沖數(shù)字低功耗功放系統(tǒng)[10]，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心對(duì)井場的實(shí)時(shí)語音喊話。

3.2.9 綜合管理平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信、視頻會(huì)議、智能巡護(hù)等多業(yè)務(wù)接入與綜合調(diào)度指揮。

3.3 傳輸測評(píng)

3.3.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻傳輸

生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻同步傳輸測試如圖 3 所示。

存在問題 ：查看 12 路以上畫面時(shí)出現(xiàn)畫面卡頓現(xiàn)象， 作業(yè)區(qū)無法存儲(chǔ)視頻。

原因分析 ：Mesh網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)測達(dá)到 65Mb/s，每口單井視頻占用 2Mb/s，視頻錄制文件大小為 216Mb/天，當(dāng)同時(shí)監(jiān)控 12路視頻并在后端存儲(chǔ)視頻時(shí)，帶寬占用達(dá)到 100%， 影響視頻的傳輸穩(wěn)定性。

測試結(jié)論 ：網(wǎng)絡(luò)同步傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻可行有效，視頻采用 9 畫面實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.2 遠(yuǎn)程喊話測試

遠(yuǎn)程喊話功能測試如圖 4 所示。

存在問題 ：在無風(fēng)雨雪天時(shí)，連續(xù) 30 min 以上遠(yuǎn)程喊話，井口蓄電池會(huì)存在饋電情況。

原因分析 ：音柱待機(jī)時(shí)功耗小于 0.1 W，但在通話條件下每分鐘功耗達(dá)到 7 ～ 8 W，井口蓄電池容量為 120 A · h，無法保證大功耗設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行。

測試結(jié)論 ：遠(yuǎn)程連續(xù)喊話最大時(shí)長 30 min，喊話功能可行有效。

3.3.3 井口闖入報(bào)警功能測試

闖入報(bào)警功能測試如圖 5 所示。

存在問題 ：井口采用高敏度偵測設(shè)置，闖入告警誤報(bào)率高達(dá) 90%，在報(bào)警信息事件記錄中，誤報(bào)信息占用大量數(shù)據(jù)界面，監(jiān)控人員無法輕易查看重要的報(bào)警事件。

原因分析 ：井口闖入告警功能通過后臺(tái)軟件，利用規(guī)定時(shí)間內(nèi)井口畫面對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)，井口圖像發(fā)生變化（如樹木搖晃、異物飛入、攝像機(jī)抖動(dòng)等）都會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，需改進(jìn)、完善井口安防設(shè)備。

測試結(jié)論 ：井口 Mesh 網(wǎng)絡(luò)通信正常，闖入報(bào)警功能需優(yōu)化完善。

4 結(jié) 語 

 （1）Mesh 網(wǎng)橋與電臺(tái)的材料費(fèi)用持平，性價(jià)比較高 ；

 （2）通過前期大量的試驗(yàn)可知，Mesh 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性得到了充分驗(yàn)證 ； 

（3）Mesh 網(wǎng)絡(luò)采用多線程、數(shù)據(jù)并發(fā)、實(shí)時(shí)通新的方式，可支持大規(guī)模批量開關(guān)井作業(yè)，不影響數(shù)據(jù)、視頻的正常采集 ；

（4）Mesh 網(wǎng)絡(luò)可支持多業(yè)務(wù)拓展。