鉆井井場大通道移動組網(wǎng)技術(shù)研究

中國石油集團測井有限公司西南分公司 宮玉明 高凌云 吳德銀 夏大坤 賀東洋

結(jié)合不同作業(yè)區(qū)域的地貌特征，搭建覆蓋油區(qū)內(nèi)的所有鉆井施工現(xiàn)場的無線寬帶網(wǎng)絡(luò)，形成現(xiàn)場大通道移動組網(wǎng)系統(tǒng)。在基地和施工場所之間設(shè)寬帶網(wǎng)絡(luò)鏈路，同時實現(xiàn)井場WiFi覆蓋；解決前線鉆井作業(yè)現(xiàn)場部分區(qū)塊無網(wǎng)絡(luò)回傳及部分區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)回傳技術(shù)帶寬不足，無法支撐現(xiàn)場實時大帶寬視頻回傳問題。

目前鉆井現(xiàn)場數(shù)量眾多，其作業(yè)地點均在國內(nèi)外通信不便的沙漠、丘陵、灘涂等地區(qū)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣。鉆井現(xiàn)場地域分布廣泛，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸方式，不能有效解決鉆井現(xiàn)場的高清視頻監(jiān)控、作業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常搬遷等問題。隨著油田公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展的不斷發(fā)展，以及油服公司和各地區(qū)公司生產(chǎn)指揮中心建設(shè)，對工程技術(shù)服務(wù)能力和跨專業(yè)信息共享以及協(xié)調(diào)能力都對高帶寬數(shù)據(jù)通道提出了新的要求。為滿足油服生產(chǎn)管理需求，有必要開展鉆井現(xiàn)場大通道移動組網(wǎng)技術(shù)研究。通過在鉆井生產(chǎn)區(qū)域部署高帶寬遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，在生產(chǎn)現(xiàn)場與生產(chǎn)指揮中心之間建立高帶寬、高速率的網(wǎng)絡(luò)鏈路，形成可靠的數(shù)據(jù)傳輸方式，滿足井場與基地間大數(shù)據(jù)互通與遠(yuǎn)程生產(chǎn)決策指揮的需求。

1 微波數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

微波通訊和傳統(tǒng)通訊方式具有很大差異，其具有傳輸容量大、頻帶寬、傳輸效率高等特點，可以應(yīng)用到各種電信業(yè)務(wù)的傳輸中。但由于它的波長比較短，微波頻率較高，所以在傳輸過程中，一旦受到傳輸阻礙，微波傳輸就會中斷。所以微波通訊傳輸?shù)臅r候，主要傳播方式為視距傳輸。如果不在視距范圍內(nèi)，就會需通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。

微波系統(tǒng)主要由兩大部分組成，分別是AP（Access Point）和RT（Remote Terminal）。RT是高集成度設(shè)備，內(nèi)置天線，用于接收終端設(shè)備的業(yè)務(wù)并傳輸給AP。AP采用外置天線，在匯聚多個RT的業(yè)務(wù)后傳輸給上層網(wǎng)絡(luò)。具備超大流量，超強抗干擾，高可靠傳輸和簡單運維等豐富特性。

目前，微波傳輸設(shè)備的傳輸距離，一般都是由設(shè)備的發(fā)射功率決定的，目前行業(yè)的產(chǎn)品基本上以200MW、400MW、500MW居多，而少數(shù)具備技術(shù)優(yōu)勢的廠家，可以將無線設(shè)備的最大發(fā)射功率做到1000MW，相比較200MW的設(shè)備，無線傳輸設(shè)備的距離有效的翻了兩倍。

無線設(shè)備的硬件有幾個指標(biāo)，除了發(fā)射功率，就是接收靈敏度，發(fā)射功率決定了發(fā)能發(fā)多遠(yuǎn)，但是對端的設(shè)備能不能接收到就涉及到靈敏度的概念，靈敏度越高的網(wǎng)橋，性能越好。目前業(yè)界的無線網(wǎng)橋，多數(shù)處于-65dbi的信號強度以內(nèi)能達(dá)到滿帶寬，而一些較優(yōu)質(zhì)的廠商，無線可以做到-75dbi滿帶寬，而靈敏度更高的在-90dbi以上甚至能保持無線連同。

工信部5.8GHz的頻譜范圍是5725MHz～5850MHz共計125MHz，設(shè)計時建議波道帶寬按照40MHz設(shè)計。如果存在既有異系統(tǒng)干擾，需錯開頻點，則波道帶寬調(diào)整為20MHz；如果頻段無干擾，且容量要求高，波道帶寬調(diào)整位80MHz。設(shè)備內(nèi)置掃頻功能，無需額外掃頻儀，并且可設(shè)置多個備用頻點，以在受到干擾時可實現(xiàn)跳頻避開。油田作為廣袤特殊區(qū)域，如果在5725MHz～5850MHz找不到可用頻點，可根據(jù)情況采用4910MHz～5725MHz頻譜資源或5850MHz～5970MHz頻譜資源使用。油田區(qū)域有時存在沙塵影響。在Sub 6GHz頻段，沙塵暴影響很小。在10m能見度的情況，沙塵暴對Sub 6GHz的損耗近似0dB/Km；在1m能見度的情況下，沙塵暴對Sub 6GHz的不超過1dB/Km。

2 現(xiàn)場無線組網(wǎng)

基于蘇里格地區(qū)，鉆井作業(yè)完井快、搬家頻繁、作業(yè)位置分布不均勻等情況，鉆井現(xiàn)場采用4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通訊，通過VPN通道傳輸至指揮中心，可達(dá)到不限指揮中心距離的狀態(tài)。

鉆井端通信設(shè)備，采用鉆井隊現(xiàn)場的電進(jìn)行供電，通信箱體配線纜盤給箱體供電。配備全網(wǎng)通工業(yè)4G VPN路由設(shè)備，在4G信號好的情況下，可以直接通過4G連接到指揮中心。同時實現(xiàn)鉆井作業(yè)區(qū)設(shè)計WIFI覆蓋設(shè)備，對整個作業(yè)區(qū)進(jìn)行全覆蓋，手持終端等無線設(shè)備可以直接連接到WIFI基站。

當(dāng)鉆井現(xiàn)場無4G信號，可以通過架設(shè)中繼點的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路的架設(shè)。在鉆井現(xiàn)場方圓5-10KM范圍內(nèi)，通過專用軟件查找運營商4G信號，布設(shè)中繼點。中繼點安裝工業(yè)全網(wǎng)通4G VPN路由設(shè)備，接入運營商大網(wǎng)，通過機動通信無線微波中繼傳輸無線通道到鉆井現(xiàn)場的無線微波通信設(shè)備。

中繼點的設(shè)備包含太陽能供電系統(tǒng)，全網(wǎng)通工業(yè)4G接入路由設(shè)備，5.8G無線傳輸系統(tǒng)，防盜自保系統(tǒng)。太陽能供電系統(tǒng)：太陽供電系統(tǒng)主要包括太陽能板，鋰電池及控制器，該系統(tǒng)主要為各個設(shè)備提供電源，滿足6天連續(xù)陰雨的供電需求。

全網(wǎng)通工業(yè)4G接入路由設(shè)備用來接入附近運營商的4G網(wǎng)絡(luò)信號并把4G網(wǎng)絡(luò)信號傳輸至中繼點5.8G傳輸設(shè)備。無線傳輸系統(tǒng)主要通過5.8G無線傳輸與下一中繼點或作業(yè)區(qū)建立一條高帶寬的無線通道。設(shè)計使用3付120°扇區(qū)天線，組成360°覆蓋，實現(xiàn)無需調(diào)整天線，加電即可通信的功能?？紤]的距離和機動，天線安裝支架采用氣動升降模式，安裝高度設(shè)計8m，滿足沙漠空曠環(huán)境下5-10km無線中繼傳輸。

中繼點的整套設(shè)備設(shè)計在一個箱體內(nèi)，方便安裝，太陽能板設(shè)計成抽拉式，方便收進(jìn)箱體內(nèi)，方便運輸。天線直接采用氣動升降桿，方便起降，也收進(jìn)箱體進(jìn)行運輸，4G通信設(shè)備，GPS定位設(shè)備，及安保攝像機放在箱體內(nèi)運輸。

指揮中心安裝一臺4G接收設(shè)備。用于接收井隊、中繼點傳回的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，再通過該設(shè)備的千兆以太網(wǎng)口接入到指揮中心的上網(wǎng)交換機，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊。

依據(jù)蘇里格地區(qū)單井?dāng)?shù)據(jù)傳輸，采用區(qū)域有線+無線+中繼融合的高效回傳方案。本地具備有線網(wǎng)絡(luò)的站點直接接入有線網(wǎng)絡(luò)，不具備有線網(wǎng)絡(luò)的站點全部采用無線傳輸，不再新建有線光纖鏈路。針對區(qū)域超密1500+口單井監(jiān)控和視頻回傳，提供大區(qū)覆蓋類模型設(shè)計，采用分布式匯聚部署方案。利用分區(qū)域本身監(jiān)控業(yè)務(wù)站點立桿作為區(qū)域匯聚中心，先做分布式匯聚再集中回傳到大區(qū)域核心鐵塔，減少核心鐵塔數(shù)量以降低鐵塔征地難、投資高的建設(shè)難度。同時，有效控制干擾風(fēng)險，提升后續(xù)核心鐵塔的擴容能力。

每個大區(qū)域的Tower，其作為區(qū)域核心鐵塔，分兩層AP設(shè)備部署，第一層用于Tower鐵塔周邊業(yè)務(wù)站點覆蓋，采用4個20MHz的AP進(jìn)行覆蓋；第二層采用4個40MHz的AP接收分布式匯聚中心（Hub節(jié)點）的回傳，采用AP-AP點對點組網(wǎng)匯聚。鐵塔高度在25-30m每個Tower鐵塔可匯聚4個分布式匯聚中心（即Hub節(jié)點），Hub節(jié)點既是匯聚中心同時也是業(yè)務(wù)站點，有效減少征地立桿費用。每個Hub節(jié)點掛3個用于覆蓋的AP，1個用于回傳的AP，Hub節(jié)點的立桿高度建在12-15m。最后Hub節(jié)點下的末端業(yè)務(wù)站點，每個Hub節(jié)點以下的末端業(yè)務(wù)站點按照點對多點和點對點混合組網(wǎng)，若部分站點有視通問題站點采用就近RT-RT中繼點對點組網(wǎng)，點對多點匯聚到Hub節(jié)點。末端業(yè)務(wù)站點按照每扇區(qū)1:32構(gòu)建，末端業(yè)務(wù)站點立桿8-10m。因此，通過區(qū)域核心鐵塔下+分布式匯聚中心+末端業(yè)務(wù)站點，可構(gòu)建16×32約500個業(yè)務(wù)站點接入，需要共4+2×4+3×4共24個AP，需要4+3×4共16個扇區(qū)天線，需要2×4共8個定向平板天線。

結(jié)論：通過分析測算現(xiàn)場與基站間的通視性，根據(jù)實際需求，在基站部署不同數(shù)量的微波設(shè)備，架設(shè)無線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入端，實現(xiàn)360°全方位無線網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋；在現(xiàn)場架設(shè)網(wǎng)絡(luò)信號接收端，與通訊基站無線網(wǎng)橋進(jìn)行通訊，利用路由器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與管理?？蔀楦鞣N地理環(huán)境下的鉆井現(xiàn)場提供大通道的網(wǎng)絡(luò)傳輸，井場數(shù)據(jù)傳輸帶寬得到保證，傳輸?shù)膬?nèi)容更全面，方便各級管理人員進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)督和指揮現(xiàn)場作業(yè)，提高管理水平和工作效率，使井場數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)更寬更可靠、鉆井井場數(shù)據(jù)一體化應(yīng)用更多元化、工程技術(shù)服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸，也可為國內(nèi)外其它領(lǐng)域提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和技術(shù)支持服務(wù)。