苏里格单井传输的研究与设计

引 言

苏里格气田地处毛乌素沙漠，地质条件差，开发难度大， 是典型的低渗、低压、低丰度岩性气藏。有效管理好上万口气井的难度较大，有人集气站需 9 人驻站值班，单井人工定期巡检，工作量大，成本高，效率低。

随着工控领域技术的飞速发展以及物联网概念的推广， 工业设备自动化不断提高，为了减少现场人员的工作，提高系统可靠性，对集气站管理的自动化水平提出了更高要求。

本文研究可减少现场人员操作，降低成本与安全风险， 提高工作效率，达到减员增效的目的。

1 单井传输现状

苏里格项目部苏 5、桃 7、苏 59 区块共管理 1 000 多口单井，单井至场站多为数传电台远传，由于电台数据监控及图像传输共用一条传输通道，拍照系统进行拍照时需要停止井口数据采集，单井数据每日累计中断约半小时，严重影响生产数据的实时传输，监控中心在此期间无法查看井口生产数据，存在井口数据异常而又无法及时发现的安全隐患。由于采用轮巡的采集方式，因此数据采集及阀门状态反应严重滞后。单井电台传输如图 1 所示。

目前，单井通信方式包括无线电台通信和无线WiMAX、网桥通信两种。

1.1 无线电台通信方式

电台井 ：将井口的油压、套压、流量计、截断阀的 485信号接入 485 隔离器，隔离器 485 信号接入电台 485 信号。

1.2 无线 WiMAX、网桥通信方式

WiMAX（网桥）：将井口的油压、套压、流量计、截断阀 485 信号接入 485 隔离器，485 隔离器连接串口服务器， 串口服务器用网线与交换机相连，继而进入 WiMAX（网桥）。

2 传输方式对比

数传电台 ：通信易中断，数据传输实时性差。

常规网桥 ：当前市场无线网桥主要以点对点通信为主， 通过大功率多跳技术形成组网，导致功耗大，产品根据传输距离划分为不同的型号，维护复杂。

VPN 技 术 ：采 用 运 营 商 无 线 信 号 覆 盖（ 频 率 在1 200 ～ 1 800 MHz之间），在公网上建立企业专用网络，前期投入少，但受到覆盖范围、故障责任划分、带宽资源、维护时效性及运行费用根据业务开展递增等因素影响，适合城市或应用简单的场所。

光缆通信 ：适合新建井场，随着管线施工进行铺设，带宽高，运行稳定，但使用过程中容易受到环境变化或人为造成的中断，随着运行年限的增加，后期维护工作量较大。

各通信方式详细参数对比见表 1 所列。

3 Mesh 网络

3.1 网络架构

Mesh 网络 [1] 的建设将所有单井组网结构在整个油气田区域进行整体规划，就近形成路由关系，使用最佳路径或路由进行集群。将同一根干管方向的单井群形成一个 Mesh 网通信集群，通过最优的 LOS[2] 路径与中心站无线桥接，中心站经过油气田内部专网汇集到作业区或厂级指挥中心。

基于 Mesh 无线组网结构 [3]，网络数据全部使用 TCP/IP 协议传输，将原有基于本地总线的设备（如 RS 485/232 串口的 RTU，PLC 等）都通过 IP 虚拟串口实现汇聚。监控视频直接采用网络摄像机。基于 Mesh 网络接入如图 2 所示。

3.2 技术特点

3.2.1 免费频段

根据环境设备工作在 2.4 G 或 5.8 G 免申请无线执照的频段 [4]，并通过技术手段，解决了传统无线网络中信号干扰、数据延迟、组网能力差及运行稳定性不高等各类具体问题 [5]。

3.2.2 距离与速率

采用室外高带宽电信级无线 Mesh 用户接入终端设备， 空中速率 [6] 为 150 Mb/s，每个设备满足 20 km 以上的通信距离，并保证 56 Mb/s 以上的速率。

3.2.3 技术先进

采用专用的 iMAX 4G-LTE 技术 [7]，依托 TDMA 协议、TTD 双工、OFDM 高密度调制等先进通信技术，满足长距离、点对多点中继通信，且设备类型简单，只有井场与基站两种产品，维护简便。

3.2.4 低功耗 [8]

发射功率小于 500 mW，功耗小于 5W，满足 -40 ～80 ℃的环境应用，并通过覆膜工艺杜绝了野外风沙与雨雪的侵蚀。

3.2.5 快速部署

优化网络布线，减少成本 ；模块化施工，所有安装件与线缆采用标准化方式，现场施工仅需按照接头连接即可 [9]。

3.2.6 业务灵活

通过自建的企业 VPN 网络，除了满足井场实时高清视频和生产数据的通信外，还可根据需求实现管线井场巡护、应急通信和间歇开关井、自动泡排等新工艺技术应用。

3.2.7 集中维护

任意节点实现井场、站控数据与系统的实时更新及远程集中维护，减少井上现场作业，降低管理成本。

3.2.8 语音对讲

语音采用脉冲数字低功耗功放系统[10]，实现作业区监控中心对井场的实时语音喊话。

3.2.9 综合管理平台

实现应急通信、视频会议、智能巡护等多业务接入与综合调度指挥。

3.3 传输测评

3.3.1 生产数据、视频传输

生产数据、视频同步传输测试如图 3 所示。

存在问题 ：查看 12 路以上画面时出现画面卡顿现象， 作业区无法存储视频。

原因分析 ：Mesh网络带宽实测达到 65Mb/s，每口单井视频占用 2Mb/s，视频录制文件大小为 216Mb/天，当同时监控 12路视频并在后端存储视频时，带宽占用达到 100%， 影响视频的传输稳定性。

测试结论 ：网络同步传输生产数据、视频可行有效，视频采用 9 画面实时监控。

3.3.2 远程喊话测试

远程喊话功能测试如图 4 所示。

存在问题 ：在无风雨雪天时，连续 30 min 以上远程喊话，井口蓄电池会存在馈电情况。

原因分析 ：音柱待机时功耗小于 0.1 W，但在通话条件下每分钟功耗达到 7 ～ 8 W，井口蓄电池容量为 120 A · h，无法保证大功耗设备长时间运行。

测试结论 ：远程连续喊话最大时长 30 min，喊话功能可行有效。

3.3.3 井口闯入报警功能测试

闯入报警功能测试如图 5 所示。

存在问题 ：井口采用高敏度侦测设置，闯入告警误报率高达 90%，在报警信息事件记录中，误报信息占用大量数据界面，监控人员无法轻易查看重要的报警事件。

原因分析 ：井口闯入告警功能通过后台软件，利用规定时间内井口画面对比的方式实现，井口图像发生变化（如树木摇晃、异物飞入、摄像机抖动等）都会产生报警，需改进、完善井口安防设备。

测试结论 ：井口 Mesh 网络通信正常，闯入报警功能需优化完善。

4 结 语 

 （1）Mesh 网桥与电台的材料费用持平，性价比较高 ；

 （2）通过前期大量的试验可知，Mesh 网络稳定性得到了充分验证 ； 

（3）Mesh 网络采用多线程、数据并发、实时通新的方式，可支持大规模批量开关井作业，不影响数据、视频的正常采集 ；

（4）Mesh 网络可支持多业务拓展。