5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨

2021-12-03任泽坤许勤张雷姜姝杨眉徐维王舒迟钱林华

油气与新能源 2021年2期

任泽坤*，许勤，张雷，姜姝，杨眉，徐维，王舒迟，钱林华

（1.中国石油天然气集团有限公司川庆钻探地质勘探开发研究院；2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司集输工程技术研究所）

0 引言

作为油气田开发前期的主要工作，油气田勘探是一套复杂的工艺技术流程，是物探、钻探、测井、录井、地质评价及相关配套工作技术的综合应用，是一套大型的、完整的工程机械作业组合。其目的是通过物探及工程钻探，在地表以下的地层尤其是深层地层发现潜在油气藏，为地质工程师和油气田开发工程师获取各种地质资料和勘探数据。国内各大油气田“十三五”“十四五”都提出了数字化油田、数字化井场的概念，并进行着各种实践应用［1］，也取得了一系列建设成果。

1 基于4G移动通信技术的数字化井场建设现状

相较于前三代移动通信网络，4G具有通信速度快、网络频谱宽、通信方式灵活、支持的终端设备多、功能强等特点。

自 4G技术在油气田勘探行业应用以后，钻井作业生产管理软件、自动化数据采集系统、远程数据传输系统、录井数据采集软件、地质综合应用软件、油料管理系统等一大批信息系统应运而生。这些应用不断推动油气田勘探钻探技术向着自动化方向发展，钻探设备自动化、智能化及自动控制技术方面也都获得新的突破，形成了一整套钻井计算机控制系统与网络。来自勘探钻井作业过程中的各种生产数据大都可以通过 4G远程传输或实时同步至大型服务器集中存储以供生产管理人员、工程技术人员和科研人员随时使用。因此 4G在油气田勘探领域的应用已经比较广泛，并且取得了重要的应用成果，如数字化油气田、数字化井场、井场物联网等概念的实施和实践。

由于油气田钻探是多专业复合的大型系统工程，4G本身存在的技术缺陷，如：稳定性差、通信结构复杂、容易受到信号干扰，尤其是在偏远山区更容易受到地理环境偏僻、通信环境条件差的影响，通信质量会因为障碍、通信距离远而大打折扣；无法突破容量极限，网络资源的浏览、访问，以及资源上传、下载速度远远低于理论值，用户体验感较差。这些都使数字化井场、物联网的建设和应用受到限制。面对现代大数据处理和物联网构建中暴涨的移动数据流量的挑战，4G通信技术的缺陷更是越来越明显，在基于 4G通信技术的条件下，智慧井场、智慧钻井、智慧监控、无人值守井场、万物互联的油气田勘探井场离成熟应用尚有距离。

2 5G移动通信技术及其技术优势

从移动通信发展历程看，从最初的模拟语音（1G）开始，经历了数字语音（2G）、移动宽带（3G）到更快、更好的4G LTE再到5G（第五代移动通信技术），移动通信从简单功能到复杂功能，从速度慢、质量差、应用领域小到速度更快、质量更好、应用领域更广泛。5G代表着最新一代移动通信技术，其正式投入商用后，许多行业对 5G技术的应用研究也逐渐增多，并希望借力于 5G的技术优势促进本行业迈向新的发展阶段。

相较于上一代通信技术，5G具有更多、更大的技术优势，其在小区峰值速率、用户体验速率等关键技术指标上存在着质的飞跃。其优势具体体现为：

（1）具有更强大的稳定性和更快的数据传输和访问速率。与4G通信相比，5G将可以承载更多的数据流量和吞吐量，具有超高的流量密度和连接密度，小区峰值速率将达10～20 Gbit/s，是4G技术峰值速率的一千倍以上，而用户体验速率可以达100～1 000 Mbit/s，是4G技术的2倍以上，网络延时从4G的50 ms级下降到1 ms级。凭借这些优势，在5G网络进行数据上传、下载活动将更加快捷，访问更加高效，网络延时几乎可以忽略不计，基于 5G通信技术的移动网络稳定性将显著增强。

（2）更广泛的应用领域。5G具有增强型移动宽带通信（eMBB）、超可靠低时延通信（URLLC）和海量机器类通信（mMTC）等三大应用场景，可应用于智慧城市、能源、物联网、3D超高清视频语音、智能家居、云办公、边缘计算、工业自动化、移动医疗、人工智能、移动互联网、自动驾驶等领域。在油气田勘探开发行业中，可以借助 5G技术建设勘探开发工程技术物联网、油气水井生产物联网、油品销售物联网、智慧钻探的应用等，大幅度提升油气田勘探开发行业信息化水平。

（3）不受终端容量限制，可覆盖面积更大。因为5G时代，每平方千米网络流量密度可达10 TB，连接密度可达100万个，因而具有超强的数据吞吐量承载。目前，国内最大井场面积是中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司在剑阁县部署的双探3井，占地约7 200 m2。基于以上数据可折算出在该井场流量密度可达到约73.7 GB（0.072 TB），在该井场区域内足够满足0.72万个终端用户。因此，5G强大的流量密度和数据吞吐承载量对于一个不足200个井场终端用户数量的井场，所受的流量密度限制完全可以忽略不计。

（4）更强大的安全性。5G技术在安全架构设计上分为接入域安全、网络域安全、用户域安全、安全可视化和配置安全、服务域安全等六层，具有统一认证框架，具有更完善的服务注册、发现、授权安全机制及安全协议保障服务安全。相较于 4G技术的安全架构，5G技术进一步增强了用户隐私保护、用户数据和信息完整性保护，以及网间漫游安全，具有更强的安全性。

3 5G移动通信技术在油气田勘探领域的应用方向

3.1 基于 5G+物联网技术建设油气田勘探井场工程技术物联网系统

物联网是互联网技术的延伸，是信息科学技术不断创新的成果。在保证网络质量的前提下，理论上物联网技术结合射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）和红外扫描技术等就可以实现万物互联和互访，只要连接入网络的各物体或人具有合法且唯一的身份信息。反之，可以通过快速读写来解析互联设备、物体、人的相关信息数据，如连接物和设备的身份信息、性质、个体属性、功能、数量、存储地点等各种参数数据，进而进行数据统计、物资调度等工作［2］。

油气田勘探行业作业区域范围广、专业性强，数据量庞大且处理量大、技术复杂，4G条件下的带宽受限，数据传输和同步存储容易堵塞，无法保证数据及时率，给生产运行、科学决策、研究带来了一定困难。因此，基于 4G的工程技术物联网建设实践还停留在概念性或初级应用阶段。

但 5G凭借其技术优势，传输理论速度将高达20 Gbit/s，并支持超大容量的用户接入，支持千倍流量的增长，可以智能高效利用网络资源和增强用户网络体验感。因此，在油气田勘探行业借助 5G技术，基于 4G技术的油气田勘探工程技术物联网在大数据存储、传输处理速度和应用上的难题迎刃而解，使概念性井场“万物互联”向真正意义上的“万物互联”迈进。可以说 5G通信技术与物联网技术相结合，配合传感器技术和 RFID应用，对井场现实存在的物理世界进行感知识别，使“万物互联”的油气田勘探智慧井场物联网时代来临。

3.1.1 全面感知

通过二维码、红外扫描、射频识别、传感器技术等自动识别、感知捕获测量技术可以对井场存在的物体、设备、人员进行自动化识别、信息采集和获取。这些内容包括钻井、录井、地质、测井、钻井液工程、钻井作业配套、物资仓储调度等一切和油气田勘探工程有关的设备、人员、物资、工程作业数据、媒体信息、视频语音等，而非仅仅停留在工程作业生产数据和信息层面的采集和集中存储。

3.1.2 可靠传输

依托 5G技术优势，将物体设备属性数据、人员信息、物资仓储调度信息、油气田勘探工程生产作业数据等来自井场的数据信息接入信息网络进行高速率、高可靠性采集、传输和一体化存储，实现高速率、高质量数据访问、共享和交互，可为管理人员、工程技术人员、科研工作者等提供所需数据服务。

3.1.3 智能处理

利用包括辅助决策、数据挖掘、云计算、5G时代的边缘计算、切片技术等各种智能计算技术，对井场采集产生的海量勘探数据和信息进行分析处理，实现设备物资数据自动识别、智能调度、智慧钻井作业、井筒工程信息智慧采集、智慧地质工程、油气水层自动判别、岩屑自动化识别等，最终达到井场技术人员、远端工程师对井场进行智能化决策和控制。

3.2 基于 5G+无人机技术建设井场无人值守和巡航监控系统

无人机技术已被广泛应用于军事、航拍、巡航监控、灾难救援、遥感测绘等众多领域。它利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全或间歇地自主飞行操作，本身并不依靠移动通信进行数据交互。因为4G网络延时长，无法满足无人机高可靠、低延时的通讯需求。而5G技术实现了低于1 ms级的移动通信，且具备高速率上传、下载、双向数据交互和互访，同时具有高可靠性、高稳定性，为未来无人机技术在油气田勘探领域的应用提供了网络条件。

未来利用 5G技术与无人机技术，建设一套井场无人值守和巡航监控系统，将实现井场无人机值守和巡航，使井场内的巡检部署方便，应用灵活，能够减少人员的投入，避免巡检人员在危险区域内发生伤亡事故，并可以杜绝巡检过程中的人为失误。

3.2.1 井场远程监控

基于5G的增强型移动宽带通信和GB/s的高速移动通信技术优势，可以轻松实现现有远程传输系统或工程监控系统等的应用升级，在基地端建立起井场 3D或超高清视频监控系统，实现油气田勘探无延时监控信息展示［3］。

3.2.2 井场设备巡检

通过 5G与无人机技术的综合应用，井场技术人员、远端工程师可以在不驻井场情况下开展与油气田勘探井场设备的生产运行状态巡检、设备巡查等工作，真正达到井场“无人值守”的效果［4］。

3.3 基于5G+建设“智慧勘探”辅助工程技术作业系统

“智慧勘探”是“智慧钻井”“智慧井筒”和“智慧地质”等的综合应用。基于 5G高速率、高可靠性、低延时的地面、地下、井筒的工程数据、传感器数据、地质分析数据进行采集整理，再结合边缘计算技术、云计算技术、大数据分析等的综合应用，可以将集中收集的各种信息数据进行分析处理，充分挖掘数据价值，提供最优化、最高效、最安全的无人钻探作业方案，以指导无人钻井设备开展钻井工程作业，对可能存在的钻井工程事故进行分析预警和监控，实现“智慧钻井”的应用。在地质录井工程上，可以将来自传感器、各种监控仪、参数仪等的数据进行综合应用，自动识别和进行地下油气水层分析判断，辅助录井工程师、地质工程师进行岩性自动化分析、发现潜在油气层和油气藏等“智慧地质”工程应用。通过井筒数据开展油气井井漏分析和诊断、事故复杂处理最优化决策等“智慧井筒”工程应用等。

3.4 基于5G+VR技术建设井场超高清计算机仿真系统

VR技术即虚拟现实技术，囊括计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。基于 5G海量机器类通信技术和 VR技术，可建设一套高速、可靠、低延时的油气田勘探井场超高清计算机仿真系统。借助部署于井场钻井平台、钻井液罐区、泵区、配电区域、值班区域、录井地质区域、钻井液出口区域以及其他配套工作重点区域等的不低于 4K高清摄像设备为近端作业技术工程师、辅助决策人员、监控人员仿真模拟出360°无死角、高清的虚拟3D立体井场，使远端井场在近端全景虚拟化再现。进而将参与油气田勘探作业的各种输入、输出设备，结合使其转化为能够被油气田勘探人员感受到的现象。这些现象可以是现实井场中真真切切的物体、设备、人员，还可以是肉眼无法看到的地面以下的井筒世界，通过井筒大数据分析以三维模型的形式表现出来。这些都将更方便管理人员、科研人员、工程技术人员等进行远程决策辅助和生产技术支持，提升决策辅助的及时性和准确性。该技术可以基于低于1 ms级的实时高清视频图像分析，通过各种算法规则的设定来检测图像中的某种不安全行为、设备不稳定工作状态，并为远、近端技术发出产生工程预警。

4 应用前景分析

（1）利用5G通信超高可靠、低时延通信技术［5］在未来的油气田勘探工程作业中开展相关应用研究。凭借着 5G的超低时延、功耗低、高稳定性和安全性等优势，可实现大宽带、低时延采集传输、双向高速率互访等技术优势。对于油气田井场勘探开发生产所有传感器、仪表、分析仪器、监控等设备，可借助数据采集、射频识别、红外扫描、远程传输、三维可视化等技术的综合应用，获取全面感知、智能识别、高速可靠传输、数据智能处理等应用效果，使井场“万物互联”的真正物联网时代来临。未来可以以“单井‘井场物联网’”为基本单元，借助 5G高速传输将多个油气田勘探井场数据回传至公司大数据中心，搭建起地区公司级的“数字化勘探物理网平台”，在集团公司层级又可以以“数字化勘探物理网平台”为单元构建更高层级的高速“物联网平台”，为建立高效稳定的专家决策支持系统提供技术保障，促进前后端资源的快速协调与远程支持。

（2）凭借5G技术低于1 ms的超低延时和增强型移动宽带通信技术［5］，可借助全井场部署安装的多维度 4K高清设备、携带可移动高清摄像头的无人机设备辅助，开展5G eMBB技术在油气田勘探井场的应用研究，建设无人机巡航与超高清监控系统，从而实现井场360°、3D超高清、无任何死角的远程监控。一方面，井场值班人员可在井场外操控无人机设备进行全井巡检和视频监控，及时发现问题并及时处理。另一方面，基地远程实时控制中心（RTOC）也可以通过远距离操控无人机进行井场巡检，实现在异地、多井场实时同步在线高清视频展示和监控。基于 5G的超低延时优势，可以达到与井场生产状态实时同步的效果，使远程工程技术人员、决策层、专家层能第一时间掌控井场生产动态，第一时间发现井场问题，并有针对性地开展研究和讨论，及时作出决策和措施指导井场开展相关工作。

（3）5G通信的海量机器类通信技术与 VR虚拟现实结合，并开展相关方向的研究和应用，建设超高清计算机仿真系统，将填补国内油气田井场VR全景虚拟技术应用的空白。借助于两项技术的完美结合，可以完成井场远程监控系统的功能应用升级，拉近油气田勘探井场远端与基地监控、生产管理及研究近端的距离，实现逼真的360°、3D立体物理作业环境的全景虚拟，真实再现井场生产场景，更方便远程终端工程人员和相关用户开展设备运行监控、井场数据发布、动态分析、油气藏评价、应急抢险等工作，减少人员投入，避免不安全事故发生，大大提升生产辅助决策的效率和准确性。

（4）基于5G技术建设的“智慧勘探”辅助工程技术作业系统将地面、地下、井筒工程数据、传感器数据、综合录井数据、地质分析数据等进行一体化采集整理，再结合先进的大数据挖掘分析，结合 5G边缘计算、切片技术等功能应用，充分挖掘数据价值，从而指导工程技术人员、生产管理人员以及科研人员开展井筒工程评价、随钻地质精准导向、地层结构分析、精细化录井、随钻精细化油气水资源研究，为相关用户提供最优化、最高效、最安全的无人钻探作业方案，以指导钻井技术人员、地质工程人员开展“智慧钻井”“智慧地质”和“智慧井筒”辅助分析应用，达到准确发现潜在油气层和油气藏等资源、充分保护坏油气层、不遗漏任何一个油气资源储层的目的。还可以及时监控地面以下的钻探过程中的工程作业状态，第一时间发现钻具脱落、钻具损坏、井漏、油气井涌、油气水侵等井筒工程故障，做出第一时间预警，便于工程技术人员及时响应、及时应对、及时采取措施控制，避免钻探事故，尤其是类似井喷的重大安全事故，确保井场生产人员人身安全。