5G 技术在海洋油气开采中的应用研究

摘要：海洋油气开采面临诸多挑战，5G技术为其信息化建设提供了新的机遇。该文探讨了5G技术在海洋油田中的应用，重点分析了网络覆盖方案、远程监控与操作系统的构建，并结合案例进行了分析，旨在为海洋油田的智能化发展提供参考。

关键词：5G；海洋油气开采；信息化平台；远程监控；网络覆盖

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）01-0089-03 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

随着全球能源需求的不断增长，海洋石油资源作为重要的能源来源，逐渐成为石油开采的关键领域。然而，海上油田的开发面临着复杂的自然环境、技术要求高、作业条件严苛等诸多挑战，如何提高生产效率、保障安全性以及推动数字化转型，成为海洋油气开采领域亟待解决的问题。信息化技术，尤其是5G 技术，作为现代通信领域的重要突破，具有高速率、低时延、大连接等优势，已在多个行业中得到广泛应用。在海洋油气开采中，5G技术的引入为解决传统作业方式中的瓶颈提供了新的解决方案。通过5G网络，平台能够实现高效的远程监控与操作，实时采集和传输海上设备的运行数据，优化生产调度，减少人工干预，出现异常时快速响应，极大提升作业安全性与自动化水平。5G还能够有效支持大规模数据处理和设备互联，推动海洋油田的智能化管理。

1 平台概况

某海上采油平台距岸10多海里，高达36米，面积超3600平方米，是我国海上首座纯密闭外输台。作为海上油气生产中心和枢纽，承担着28座井组的油气处理与外输任务，同时集油气处理外输、海上生产自动化监控、生活保障等多功能于一体。2024年8月，该平台相继开通了全国首个海上采油平台5.5G站点和5G-A三载波聚合站点，标志着我国海上油田数字化转型取得重大突破。此外，平台还配备8大自动化系统，对生产海域实施24小时跟踪监控，能够远程关停无人值守平台的油井、关闭工艺流程，并实现系统一键关断，确保了海上作业的高效与安全[1]。

2 5G 技术在海洋油气开采信息化中的应用

2.1 基于5G 技术的网络覆盖方案

该平台的5G网络覆盖方案包括5G基站布局、信号传输路径规划、设备选择以及针对海洋环境的特殊应对措施，以确保平台在深海作业区域的全面稳定覆盖。

2.1.1 5G 基站布局与信号传输路径规划

5G基站的布局是依据平台的功能区划和深海作业区域的分布进行精确规划的。平台作业区涵盖钻井平台、油气分离处理区、存储区及生活区等多个功能区域，每个区域对通信的稳定性、带宽需求以及低时延要求各不相同。为实现5G网络的全面覆盖，平台上部署了多个5G基站，并采用分布式网络架构，具体包括：

1） 核心基站与接入基站相结合的混合布局：核心基站通常设置于平台的主要控制室，负责高带宽、低时延的数据处理与转发；而接入基站则分布于各个生产、操作与生活区域，以确保局部区域内的信号覆盖。平台的信号布局采用了小区化策略，每个基站负责覆盖一个特定小区，这些小区之间设有精确的重叠区域，以保障设备在平台不同位置时的持续信号连接[2]。

2） 高频带的毫米波基站与低频带的Sub-6GHz基站组合：毫米波基站适用于高数据流量区域，如数据中心和控制室等；而Sub-6GHz基站则负责大范围覆盖区域，如生产平台外围区域和远离主控区的工作区域。这种混合布局使得5G网络能够根据各工作区域的实际需求，合理分配频谱资源，从而确保信号的稳定性与传输速率。

3） 小型化基站与无线接入点（Access Points，APs）的部署：在空间有限的区域，采用小型化基站和无线接入点技术。这些小型基站不仅具备高效的信号覆盖能力，而且能够根据平台需求进行灵活配置。通过部署分布式天线系统（DAS） ，提高了设备间的无线数据交换速率，并减少了信号盲区和传输瓶颈[3]。

2.1.2 针对海洋环境的信号传输路径优化

海洋环境的复杂性为5G信号的稳定传输带来了巨大挑战，尤其是在海洋气候条件不稳定的情况下（如强风、盐雾、湿气等） ，传统的无线信号易受严重干扰。因此，需要对信号传输路径进行优化。

首先，为克服海洋大气和海浪对信号的衰减，该平台的5G基站配备了波束成形（Beamforming） 技术。通过精确控制天线阵列的波束方向，将信号定向传输到目标设备，从而避免信号泄漏和扩散，提高信号传输质量。波束成形技术还能根据环境变化动态调整波束的角度和强度，确保平台上各区域始终保持稳定的信号覆盖。其次，由于海面和水下环境的复杂反射特性，该平台利用反射多径技术（Multipath Propaga⁃tion） ，部署了多个天线接收器，以充分利用信号的多径传播特性，增强信号的稳定性。平台内的基站和天线配置能够智能化地选择最优的传输路径，减少因反射引起的信号干扰。最后，针对海洋环境中复杂的无线电干扰问题，平台采用了动态频谱管理技术。通过动态频率选择（DFS） ，自动检测周围环境中的信号噪声，并实时切换到干扰较少的频段，以确保信号传输过程中的高可靠性。同时，平台所采用的频率重用技术能够确保多个基站有效共享频谱资源，避免频率冲突，进而提升网络容量[4]。

该平台5G网络覆盖方案如图1所示。图中展示了该平台的各个5G基站布局情况，其中核心基站位于平台中央，多个接入基站则分布在不同的作业区与生活区。

2.2 基于5G 技术远程监控与操作系统

基于5G技术的高速、低时延特性实现油田作业设备的实时监控与远程操作。

2.2.1 系统架构

根据平台的运营需求及5G网络的优势，设计分层、多模块、可扩展的结构。整体系统分为4个主要层次：数据采集层、数据传输层、数据处理层、应用层。每个层次的设计都针对不同功能的需求进行优化，从而实现设备监控、故障诊断和远程操作的高效协同[5]。系统架构如图2所示。数据采集层通过传感器与设备接口采集数据，传输到数据处理层进行处理和分析，最终通过应用层将结果呈现给操作员并实现远程控制。

1） 数据采集层。主要负责从各类传感器、设备和监控仪表中获取作业数据。平台的作业设备，如钻井设备、油气分离设备、储油罐等，均安装有各类传感器，包括温度、压力、流量、振动、位置等传感器。数据采集层通过高速数据采集模块（如采集卡、控制器等） ，将传感器数据实时传送至数据传输层。该层还采用智能传感器与物联网技术，进行数据预处理，过滤噪音信号并进行初步的数据压缩，以减少数据量，提高传输效率。这些传感器通过有线或无线连接（如Wi-Fi、LoRa） 将数据实时传输到本地采集系统。为提高采集系统的稳定性和可扩展性，平台采用传感器网络架构，即利用低功耗广域网（LPWAN） 等技术构建设备间高效的通信网络。传感器数据经过初步处理后，由数据采集单元进行汇总，并传输至下一层的数据传输网络。

2） 数据传输层。在5G网络的支持下，数据传输层提供高带宽、低时延的数据传输能力。采集的数据通过5G网络实时传输到数据处理层。该层的核心组件包括5G基站、无线接入点（AP） 、边缘计算节点等。基于平台内布置的5G网络，确保数据在传输过程中的高速性和稳定性。为保障数据的可靠性，系统采用多路径传输技术，即通过多个信号路径进行数据传输，以便在发生通信干扰时能够自动切换至备用路径，从而确保数据传输的连续性。

3） 数据处理层。该层用于对接收到的原始数据进行分析与处理。系统利用边缘计算技术，在平台上的边缘节点进行实时数据处理，包括数据去噪、异常检测和初步的故障诊断。通过将部分计算任务下沉到边缘计算节点，减少了对中心服务器的依赖，并降低了数据的传输延迟。对于复杂的分析任务，数据会被发送到云端服务器，利用大数据分析平台和机器学习算法进行更深层次的数据分析和决策支持。

4） 应用层。应用层是用户操作界面和监控系统的核心，通过各种图形用户界面（GUI） 和控制台提供远程监控、实时操作和故障诊断功能。平台的操作员可以通过控制台实时查看设备状态、操作历史记录、实时数据等，并根据需要进行远程操作。该层的设计高度集成了智能报警、可视化操作和决策支持等功能，能够快速响应不同的作业需求，支持操作人员进行高效决策。

2.2.2 系统功能模块设计

远程监控与操作系统的功能模块包括设备监控、故障诊断、远程操作等多个模块。

1） 设备监控模块。设备监控模块是系统的核心模块之一。它通过从各类传感器采集数据，实时显示设备的工作状态。该模块基于5G网络的低时延特性，能够在几毫秒内将设备状态数据更新到控制系统中，确保操作员实时掌握设备的运行情况。具体功能包括：实时数据展示，以可视化的图表和仪表盘形式呈现设备的运行数据，如温度、压力、流量、振动等；当设备出现异常或偏离正常工作范围时，系统能够通过AI算法自动识别并发出报警，帮助操作员及时做出反应。

2） 故障诊断模块。该模块集成了先进的故障诊断算法，能够基于传感器数据和历史数据，通过模式识别、数据挖掘和机器学习技术，对设备进行健康评估，并预测可能发生的故障。具体功能包括：实时故障诊断，即根据传感器数据，利用算法进行异常检测，实时识别故障模式，降低误报警和漏报警的概率；利用机器学习模型分析设备的工作趋势，预测设备的未来健康状态，提前识别潜在故障并进行预警；通过数据关联分析，准确定位故障原因，为维修团队提供有效的决策支持。

3） 远程操作模块。该模块基于5G网络实现对平台作业设备的远程控制。操作人员通过控制台进行设备启动、停止、调节和状态监控等操作，系统能够实时反馈操作结果，确保设备按照预定任务运行。功能包括：基于图形化的界面，操作员可以直观地进行设备控制和调整，如调整泵站流量、启动/停止油气分离设备等；提供实时的反馈机制，以确保操作的准确性；进行远程操作时，系统会根据设备当前状态自动进行调整，以确保操作符合安全规范；当出现设备异常或潜在危险时，操作员可以通过远程操作模块快速关闭设备或启动紧急预案，从而保障平台安全。

3 结束语

综上所述，本文探讨了5G技术在海洋油气开采信息化中的应用，并提出了基于5G的网络覆盖方案和远程监控与操作系统。5G技术的应用可以显著提高海洋油田的生产效率和安全性，推动其向智能化转型。未来，随着5G技术的不断发展，其在海洋油气开采中的应用将更加广泛和深入。

参考文献：

[1] 李永强，宋晓峰，鹿方凯，等.基于5G-A的海域覆盖解决方案研究及探索[J].中国宽带，2024，20（10）：1-3.

[2] 孙裴兴.油气生产物联网系统下的智能RTU设计[J].自动化应用，2024，65（18）：70-73.

[3] 张丽伟.5G技术在油气生产领域中的应用探讨[J].信息系统工程，2024（7）：44-47.

[4] 徐春松.基于5G通信技术的油气生产区智能巡检系统研究[J].中国管理信息化，2024，27（12）：103-106.

[5] 刘帅，黄华山.探讨5G+工业智能化技术在海上石油工业的研究与应用[J].科技资讯，2024，22（2）：31-33.

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