油气井生产自动化数据传输系统的构建.doc

油气井生产自动化数据传输系统的构建潘居臣李凤民 华北石油管理局通信公司摘要：分析了油气井生产自动化数据传输系统中常用的几种通信技术的适用范围及优缺点，提出了利用McWiLL无线宽带接入技术建设油田自动化数据传输专网的构想，并以沁水煤层气田为例阐述了McWiLL无线宽带接入系统在油气井生产自动化数据传输中的应用。关键词：McWiLL 油气井 生产自动化1 概述随着油田信息化建设及采油生产自动化的推广，自动化监控及图像监控系统得到了广泛应用。特别是油井量油新工艺的实施，将自动控制和监控的对象推向了整个油田生产活动中最基础的环节，同时也是直接与油田经济效益相关的重要环节油气井生产。这一技术的应用对通信网络的稳定性提出了更高的要求，为了保证油气生产现场的各类采集数据及时上传和各种控制指令的准确下达，监控视频和语音通信的顺畅传输，拥有一套稳定可靠、方便灵活的通信支撑系统显得尤为重要。2 传输系统分析比较油气井生产自动化系统对传输系统的要求主要体现在带宽、速率、接口、系统稳定性、覆盖区域及日常维护等方面。华北油田自2000年开始实施采油生产自动化项目建设，在已建设的自动化系统中所使用的传输方式有光缆通信、无线网桥通信、GPRS通信。2.1 光缆通信光缆通信具有容量大、传输距离远、抗电磁干扰、保密性能好、无辐射等优点，目前的光电转换设备已经可以支持 1 000 Mbit/s速率。但其缺点也很明显：光缆通信灵活性差；适用于点对点通信，如采油厂信息中心工区中控室；不可移动，即一条光缆只能解决一个站点的通信，如有新增班站或油气井，则需要布放新光缆，如果现有的班站或油气井撤销或停止生产，则该处光缆只能废弃。由于油气井的分布具有点多、线长、面广的特点，因此光缆的建设与维护工作量很大，油气井和班站所处的位置，大多是乡村或野外，基本没有通信线路。如果采用光缆方式，则需要新建杆路或采用地埋方式，这两种方式除去本身建设所需要的费用之外，还需要负担沿途的土地征用费用，而这部分费用往往要多于线路建设的费用。 2.2 无线网桥通信目前大多数在用的无线网桥工作在2.4 GHz或5.8 GHz两个频段。根据不同标准，单个中心站可提供最大11 Mbit/s、27 Mbit/s或者更大的带宽，该带宽为所有终端站共享。目前该方式在华北油田采油工区计量站之间的数据传输中有较多的应用。由于无线网桥设备使用的2.4 GHz、5.8 GHz频段属公用频段，此频段内的业务不受保护，因此很容易对数据传输系统造成干扰，而且很难定位干扰源，一旦发生干扰将严重影响通信服务质量。另外无线网桥中心站和远端站之间需要在可视范围内通信。这就要求两端的设备都要安装在较高且稳定的位置，这一点往往会导致为安装网桥新建的铁塔或抱杆的成本超出网桥本身的费用。无线网桥设备最大的局限在于其不能被用来建设大的网络、不能形成覆盖，仅适用于较小区域内通信。2.3 GPRS通信GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供无线数据传输业务，目前在油井数据采集中有少量的应用。GPRS具有不需要投资建网、使用简便、投资少、覆盖性好等优点，缺点在于它是利用GSM网络的空闲资源来提供服务的。由于语音业务优先于数据业务，如果没有设定专用数据传输信道，当业务信道发生拥塞时可能会引起正在进行的GPRS业务中断。因此，GPRS通信方式并不能确保每次采集的数据都能被准确上传，尤其是煤层气生产井，启停井控制全部是由中心控制室远程操作的，短时间的停产可能造成长时间的产量无法恢复，因此连续生产非常重要，而GPRS传输的特性注定其无法为控制数据的及时送达提供保证。另外，随着油气井数的增加，为避免在启停井过程中由于有人靠近而发生危险，需要安装视频监控系统来确认现场环境，而GPRS方式无法满足提供该业务所需要的带宽。2.4 已建网络的局限性及新网络建设方案目前我们已经在各采油厂通过光缆和无线网桥搭建了部分生产自动化数据传输网络，少量的生产数据也有利用GPRS方式传输，从实际应用来看效果并不理想。在带宽方面，按照每口油气井所需开展的业务为数据、语音和视频监控三种，而三种业务正常工作所需的带宽合计为500 kbit/s（图像监控384 kbit/s+数据采集40 kbit/s+语音20 kbit/s+其他）来考虑，GPRS无法提供足够的带宽，光缆和无线网桥可以提供足够的带宽却没有GPRS所具有的网络优势。在覆盖范围方面，工区、计量站所辖的各油气井基本上在10 km的范围之内，呈星型的网络架构，若要架设光缆不但施工难度大，而且还会造成投资的浪费。在稳定性和可靠性方面，由于各油气井均分布在农村等边远地区，光缆容易受到破坏，维修管理难度很大，GPRS因存在盲区而无法实现全方位覆盖，另外和语音抢占带宽无法保证可靠的传输。因此在油气井生产自动化项目中的理想网络，应该是一个能够满足业务所需带宽、具有全覆盖性，同时又能够完全为油气田生产服务的专用通信网络；应该覆盖油田生产现场所在区域，并能为区域内的每个计量站或油井提供足够的带宽；不需要关心中心基站位置，只需要在井站中安装一个小巧的终端即可实现与控制中心的通信。如果新增井站，只需要增加通信终端即可；如果减少井站，则拆下的通信终端可以直接利用到另外需要通信的井站。搭建一个这样的网络，McWiLL系统为我们提供了便利条件。3 McWiLL系统在沁水煤层气田的应用McWiLL是国内自主开发的宽带无线接入平台。具有接入带宽高、支持非视距传输、上下行带宽可调、频谱利用率高等特点。沁水煤层气田是华北石油的一个气田，位于山西南部的晋城地区，属于山地丘陵地带，地形复杂。由于煤层气田人员少，井站所处环境复杂，交通不便，为保证生产稳定，需要建立一套煤层气田整个生产过程的信号采集体系，自上而下地控制、传输和监控应用的数据和管理网络。该系统包括煤层气生产井、集气站、中央处理厂和中心控制室。其中，中心控制室负责整个煤层气的生产工艺监视和控制，是煤层气生产、管理、运行中心，也是一级指挥机构，它负责完成单井生产参数自动采集，抽油机启停人工远程控制，生产参数超限报警，中央处理厂、集气站生产参数采集，生产工艺自动调节，事故处理自动控制。各井的数据汇集至所属集气站，再由各集气站汇集至中央处理厂。3.1 方案设计原则由于煤层气田的连续性生产非常重要，而且各个生产井的启停控制是在中央处理厂的中心控制室完成，这对于通信系统的稳定性和可靠性方面提出了很高的要求。因此用于煤层气田的通信系统应按以下原则设计。 （1）先进性及实用性煤层气田整体通信网络以IP技术为核心，结构扁平化，以易于使用和维护。通过该通信平台上，可以同时支持固定和移动2种方式的数据、视频和语音等业务，极大提高了系统的资源利用率，节省了投资。 （2）可扩展性满足现有的生产自动化数据传输带宽需求，并随着业务的发展提供方便灵活的带宽扩展能力；还应使系统接口丰富，业务定制灵活。 （3）稳定性系统具有很高的稳定性和安全可靠性，能够满足油气田生产不间断业务的运行要求，具有较强的网络监控能力。3.2 网络结构煤层气田生产自动化系统的通信网络应呈星型结构。气井集气站之间采用McWiLL无线宽带接入系统进行通信；集气站中心控制室之间采用光缆作为数据传输的主干通道。网络结构如图1所示。数据接入层完成煤气生产井的数据采集和上传。当各单井的数据采集后，通过McWiLL终端上传至所属集气站。每个集气站负责对所辖气井的生产情况进行监视和控制。集气站汇集各生产井的数据后，连同站内数据一并传输至中心控制室。中心控制室是SCADA （Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制）系统的核心，负责对各个集气站以及中央处理厂的生产流程进行监控，然后根据运行状况对生产运行参数进行调节和控制，确保生产的平稳运行，包括生产工艺流程、运行状况、生产工况参数等工控组态信息界面和图像监视信息。煤层气田的主要通信业务是生产井的数据采集、移动语音及部分井的图像监控，一期工程需要完成近160口单井的数据