无线通信系统WiMAX在油田中的应用分析

李树昊

中国石油工程建设有限公司北京设计分公司 北京 100085

1 通信需求分析

1.1 组网需求

BAB油田新增井口在整个油田范围内分布较广，计划开发采油井、注水井、注气井共计二百余口。其中有58口各类井未分布在含计量撬或测试分离器等场站上，为站外单井。站外单井的工艺仪表数据（压力，温度）需经各脱水站或集输站传输到位于中央处理站(BCDS)的控制室仪表控制系统，对所有油田单井的产量和状态进行实时监控。

1.2 组网分析

1.2.1 传输介质与速率。常规的数据传输方式是使用信号电缆或光缆。使用多对线的信号电缆时，传输速率可满足需求。但由于信号衰减导致的失真，通常可敷设长度仅在几百米的范围内。

使用光缆时，分为单模光缆与多模光缆，多模光缆的有效传输距离也仅为几百米。在长距离高可靠性的数据传输要求下，通常使用单模光缆作为数据传输的介质，其数据传输速度可达10Gb/S。

在站外单井井口处常用的仪表包括有压力表，温度表，火气探头，紧急关断控制等（具体的仪表类型由现场情况和油田情况决定）。在油田实际使用的情况中，所有站外单井的单井远传信号占用总带宽不超过10Mbps，即使用带宽量极低。从数据传输量角度，使用光缆作为单井传输介质能满足要求。

1.2.2 施工条件。在BAB厂区里，由于站外单井分布的范围较广，且位于沙漠地区，直接在地面上敷设光缆可能会因野生动物活动和沙漠环境的影响导致光缆损坏。而将光缆埋地敷设的施工量也较大，为保证光缆不损坏，需要至少700毫米埋深。无论是使用机械还是人工开挖，在沙漠地形中进行施工难度都较大，工期较长，即从成本角度进行考虑并不推荐。

1.2.3 安全性与可靠性。除了以上两点，安全性同样也是需要考虑的重点。常规的井口光纤分配为2芯用于分布控制系统，2芯用于紧急关断系统，2芯用于火气系统。在数据传输的过程中，一用一备，以保证系统数据传输的安全性。与安全性直接相关的火气和紧急关断系统，通常是要求使用硬线进行连接，以保障系统的可靠性。在BAB油田中，依照其常规做法，井口仅向中央处理站发送井口的温度和压力数据。对站外单井井口的关断控制为就地控制逻，从就地控制盘使用硬线连接到井口的火气设备和关断阀，并不接受从中央处理站发送的控制信号，仅在井口状态变化后向BCDS的控制系统发送状态信号。即安全系统就地使用硬线连接，并不违背对安全系统使用线缆的要求。

综合以上几点，需要提供一种具备高可靠性，便于施工，布置便捷的数据通信系统以满足BAB油田中的通信需求。

2 无线通信(WlMAX)系统

2.1 系统说明

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)作为一项高速无线数据网络标准，提供了基于无线数据传输的组网解决方案。同其他无线通信系统一样，通过利用特定频段的电磁波，由发射端和接收端对电信号和光信号进行编译和解码，完成数据传输。其理论传输距离可达50公里，最大数据传输速度可达100Mbps[1]。在阿联酋油田市场中使用时，仅需到当地电信管理局(TelecommunicationsRegulatoryAuthority, TRA)进行登记并使用许可频段即可，更高的频段意味着更高的传输速率和更低的传输距离。

实际使用中，需根据油田单井和对应主站的海拔高度建设通信塔，保证收发端两者间的电磁波可被直接接收，高度不足或有遮挡处需增加通信塔高度。

2.2 系统结构与设备选型

井口数据传输到就地控制盘后，远传数据上行到井口无线系统的前端设备，编译后通过雷达发送信号回主站的通信基站，接受相应信号并解析后再经各站间埋地光缆网络发送到BCDS服务器上，并转发给相应系统。

除去各站及井口的通信塔为系统的附加组成部分外，在BAB油田中使用的WiMAX系统还包含以下核心部分：系统服务器，系统用交换机，无线基站，无线前端设备，雷达等，其余如机柜，浪涌保护器等均根据实际需要提供。

对于设备的选用，对存在已建系统的尽量使用同品牌，同型号，规格相似或优于已存设备的。选择支持当地电信管理局审批的无线通信频段终端设备。无已建系统的情况下，需要基于最终的技术需求对厂家和产品进行筛选，以保证在油田厂区实际应用中的效果。

2.3 无线覆盖研究报告

该报告通常为供货商使用基于产品开发的软件或是第三方软件，以油田厂区中的无线基站坐标，站外单井的前端设备坐标，设备高度，传输频段及地形等参数作为输入条件，经过软件计算后导出无线通信中的各基站与前端的带宽覆盖和可靠性情况。如使用CelPlan, OPNET Modeler等软件进行模拟[2]。使用支持批准频段的设备对现场情况进行模拟和仿真。在模拟前应尽量确定所需的所有参数，依照仿真和结果修改诸如通信塔高度，天线角度等。

该报告还应包含对系统可靠性的计算。每个站外单井设备同主站上的无线设备间的可靠性应单独进行计算，通常要满足99.99%的可靠性，部分油田要求满足99.999%的可靠性。

3 结束语

基于WIMAX的无线传输系统可以较好地在大范围内满足油田单井数据传输的需求，部署便捷，可拓展性高，相比于常规的敷设埋地光缆或电缆的工作量有极大的减少，是一种油田厂区单井信号传输的可选方案。但同时也有着受厂区海拔高度变化，天气情况影响等缺点，极端天气下存在不能满足可靠性的可能，且仅在安全系统只上传状态信号情况下可用，在实际使用中仍有较多局限。