李 群，班興安，柴永財，鄧鐵柱

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，蘭州 730050；2.中國石油勘探與生產分公司，北京 100007）

圖1 油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)Fig.1 Oil and gas production IoT system

1 油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)簡介

油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)是利用物聯(lián)網技術，建立覆蓋油氣井、計量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據管控平臺，實現(xiàn)生產數(shù)據自動采集、遠程監(jiān)控、生產預警，支持油氣生產過程管理的系統(tǒng)，系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應用層（見圖1）。

感知層通過儀表、傳感器、攝像頭、手持終端等技術，實現(xiàn)對油氣水井、場站現(xiàn)場生產數(shù)據、生產狀態(tài)的感知；傳輸層采用無線結合有線的組網技術，實現(xiàn)油氣水和站場等生產數(shù)據、視頻圖像、控制指令等穩(wěn)定、可靠傳輸；應用層通過分析采集的生產數(shù)據，實現(xiàn)油氣生產、處理全過程的生產管理、預測預警、趨勢分析等。

2 油氣生產物聯(lián)網建設對感知層和傳輸層的要求及相應的技術產品

在油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)建設中，感知層采集生產現(xiàn)場數(shù)據需要大量的傳感器和儀表設備，這些設備一般工作環(huán)境惡劣、在極端環(huán)境下要求也能可靠工作，隨之帶來的是維護工作量大。為保證整個物聯(lián)網系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，需要在感知層，采用工業(yè)級高可靠與可維護、少維護的傳感器和儀表設備。需要創(chuàng)新設計以有效支持產品可靠性與可維護性的實現(xiàn)。

2.1 感知層的設備要具有高可靠性

具體表現(xiàn)在：1）產品結構與電路防護性能優(yōu)異，可在-40℃～+80℃寬溫差范圍及交變濕熱、粉塵等惡劣環(huán)境中可靠工作；2）抗電磁干擾（雷電沖擊等）性能優(yōu)異；如RTU需通過國標型式試驗EMC 4級測試；3）設備外殼結構需要水密、氣密、隔爆性能優(yōu)秀，密封圈構造抗老化性能優(yōu)異；4）設備內置高精度標準源電路與智能自校準、自診斷設計，保證在復雜工況下長時間工作依然保持高精度、高穩(wěn)定；5）具有智能功能，儀表或變送器嵌入智能系統(tǒng)，可存儲、上報數(shù)據異常、超限預警等信息；6）對無線儀表，應采用內置太陽能供電，保證電池長續(xù)航能力，減少電池更換頻次；7）具有在線維護能力：RTU、儀表具備遠程在線調試、設置、維護功能，可以大幅減少現(xiàn)場工作量。

2.2 集成一體化傳感器特點

根據以上7點高可靠性要求，一些采用新技術的集成一體化傳感器應運而生，具體有以下特點：

1）長續(xù)航，采用微功耗電路設計與智能電源管理技術，變送器休眠電流低至2ua，平均功耗0.98mw。采用動態(tài)休眠與動態(tài)開關控制技術，僅用電池供電即可在分鐘級數(shù)據采集與無線通訊傳輸條件下使用兩年以上，遠高于市場常規(guī)的不足1年的電池續(xù)航能力；另外采用一體化太陽能與后備電池兩級供電技術，基本保證設備全生命周期無需更換電池。以示功儀為例，設備采用太陽能技術，成本提高不到10%的前提下，電池續(xù)航能力延長3倍，大幅減少后期電池更換維護成本支出90%以上。同時采用低溫涓流充電與瞬時放電電路設計，滿足低至-40℃極寒大氣環(huán)境下的無線射頻發(fā)射所需電流。

2）平臺化及模塊化設計，滿足多種通訊方式的選擇（Zigbee、WIA-PA、LoRa、NB-IOT），減少因通訊方式改變造成的產品更換成本。

3）多種儀表共用同一變送器平臺，自動識別傳感器種類（壓力或溫度），一套變送器可同時采集壓力、溫度兩種變送器數(shù)據，降低變送器成本30%以上。同時減少現(xiàn)場安裝調試一半的工作量。

4）三合一智能RTU，集合RTU、4G通訊、電參3種設備功能為一體，簡化了現(xiàn)場設備配置及數(shù)量，大幅降低設備采購成本50%以上，大幅減少現(xiàn)場安裝調試工作量50%以上，同時大幅降低后期維護工作量成本。按照油氣生產物聯(lián)網建設標準測算，單井減少了一個電參、一個CPE通訊模塊，叢式井可以減少N-1個RTU+1個電參+1個CPE通信模塊（N≤5），降低成本顯著。

下一步，隨著智能變送器的使用，對設備可靠性的要求與運維信息的要求越來越多，智能化的測量設備應具備智能工況監(jiān)測和異常判斷、完備的生命周期數(shù)據，支持設備生命周期管理、智能運維和深度智能應用挖掘。如模塊化的RTU設計，可組合電機控制、視頻監(jiān)控、變頻調速、AI運算等多種業(yè)務功能，支持多種通訊方式和I/O接口拓展。業(yè)務前置通過邊緣計算完成多種復雜分析控制功能。設備主動上報的異常狀況，設備預測壽命，設備自身的操作/檢定，進一步提升了智能設備運維管理水平。

2.3 采用移動通訊技術是物聯(lián)網傳輸層建設的趨勢

在傳輸層，自20世紀80年代開始，移動通訊技術歷經從2G—3G—4G—5G的持續(xù)提升，覆蓋范圍從中心城市——中小城市——城鎮(zhèn)——農村，已基本實現(xiàn)全國廣覆蓋。規(guī)?；惨苿油ㄓ嵕W建設帶來了單位成本和資費大幅下降，“廣覆蓋、高速率、大容量、低資費”的通訊網絡時代已經到來，利用公共無線通訊網絡可以快速安全實現(xiàn)對業(yè)務區(qū)域全覆蓋，全覆蓋規(guī)?；瘧每梢源蠓档蛦挝煌顿Y成本，避免了巨額專網投資及升級、維護帶來的成本。因此，油氣生產物聯(lián)網建設傳輸層采用公共網絡資源及專業(yè)化運營商服務是發(fā)展的趨勢。

利用已覆蓋的移動4G（同時兼容2G/3G）公網作為油田生產主干網、配合Zigbee、WIA-PA、LoRa、NB-IOT等無線近距離通訊網絡，實現(xiàn)井場、小型站場的儀表、控制設備的數(shù)據采集與傳輸，對于大中型站廠的數(shù)據通訊選用光纖專網進行數(shù)據傳輸。

2.4 采用集成一體化傳感器技術及窄帶低功耗傳輸技術在油氣生產物聯(lián)網建設方案中的比選

考慮油田油水井點多、面廣、環(huán)境復雜等條件，本文重點以油水井物聯(lián)網建設為例，結合上述采集層與感知層所述技術，綜合考慮技術成熟度、高可靠和低成本3方面因素，提出以下3種采用集成一體化傳感器技術及窄帶低功耗傳輸技術在油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)建設中的技術方案。

◇ 方案1：采用4G無線公網通訊，“通訊模塊+電參+RTU一體化”三合一產品，減少設備數(shù)量，大幅節(jié)約通訊系統(tǒng)建設投資與維護費用。

油井井口配置一臺RTU，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，一臺示功儀。RTU通過4G公網傳輸數(shù)據，網絡可靠性好，傳輸速率快，滿足油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)數(shù)據傳輸要求。

方案優(yōu)點：

1）利用4G公網，無需部署通訊網絡，項目建設速度快，大幅節(jié)約通訊網絡建設費用和通訊網絡維護費用；可實時傳輸功圖數(shù)據，實現(xiàn)啟停控制。

2）通訊模塊+電參+RTU一體化設計，降低單井設備采購成本40%。

3）采用RTU內置4G公網模塊和電參模塊的方式，井口獨立設備減少3臺，減少占用現(xiàn)場控制箱空間，降低井口設備安裝工作量40%。

4）通訊與電參模塊集成到RTU，提高了井口設備集成度，降低產品間通訊故障率，降低維護費用。

5）儀表與RTU采用低功耗Zigbee無線通訊，功耗低、電池壽命長，如采用太陽能供電，更可實現(xiàn)產品生命周期無需更換電池的長續(xù)航能力。

缺點：使用4G公網需要向移動通訊運營商支付數(shù)據通訊流量費用，資費與服務需要與移動通訊運營商談判。

◇ 方案2：NB-IOT儀表方案，減少設備數(shù)量，節(jié)約通訊系統(tǒng)建設投資與維護費用。

油井井口配置一臺示功儀，一臺電參，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，通過NB-IOT上傳數(shù)據，無需RTU；適用于傳輸數(shù)據量小、傳輸實時性與控制響應要求低的業(yè)務場景。

方案優(yōu)點：

1）采用NB-IOT公網，無需部署通訊網絡，項目建設速度快，節(jié)約通訊網絡建設投資和長期通訊維護費用。

2）設備采購成本比方案一低，節(jié)省了RTU設備投資。

缺點：NB-IOT通訊網絡尚處于試點建設期，短時間無法覆蓋油區(qū)，可用性低；NB-IOT屬于窄帶通訊技術，與4G通訊技術相比功圖數(shù)據傳輸及啟?？刂乒δ苁芤欢ㄏ拗啤Ａ硗釴B-IOT通訊模塊功耗大、功耗高于Zigbee儀表1倍以上。

◇ 方案3：LoRa儀表方案，減少部分設備，增加了通訊系統(tǒng)建設投資與維護費用。

油井井口配置一臺示功儀，一臺電參，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，所有儀表通過LoRa傳輸數(shù)據。

方案優(yōu)點：

1）采用LoRaWan，部署通訊網絡成本低，項目建設速度快。

2）設備采購成本比方案一低，節(jié)省了RTU設備投資。

缺點：LoRa屬于窄帶通訊技術，與4G通訊技術相比速率低，通訊實時性較差，功圖數(shù)據傳輸及啟?？刂乒δ苁芤欢ㄏ拗?。需要投資建設LoRaWan云平臺、通訊基站、網關，增加了通訊系統(tǒng)投資和長期維護，實施周期長。LoRa通訊模塊功耗高于Zigbee儀表模塊1倍以上。

3 結論

NB-IOT/LoRaWan與4G相比，節(jié)約了RTU設備投資。但因NB-IOT/LoRaWan傳輸速率低、功耗高、信道占用費高，在功圖數(shù)據傳輸、傳輸資費和電池成本方面增加了支出。窄帶通訊技術應對油氣生產物聯(lián)網在實時通訊和控制響應方面尚顯吃力，更適合水電氣抄表（每天一次）、路燈控制、環(huán)保監(jiān)測等小數(shù)據、低頻次傳輸需求。方案1更適合油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)下一步建設需求。