2020年全國原油產量同比增長1.6%，連續兩年實現正增長，營業收入下降13.5%，創4年來新低。世界原油價格持續低迷，推行降本增效是各石油公司面對油價下跌的一致選擇。
中國石化勝利油田分公司孤東采油廠（以下簡稱孤東采油廠）集油氣勘探、開發、處理、集輸為一體，年產原油260萬噸。近年來，為提升生產運營效率，孤東采油廠采用了光纖、4G、無線網橋等多種網絡方案進行信息化系統建設，在提質增效、提高開發管理水平、優化勞動用工等方面取得了一定的成果。
但隨著生產開發的深入，當前網絡已經不足以支撐信息化進一步發展，如：光纖部署不方便、成本高；4G上行傳輸帶寬??；無線網橋頻譜非標、產業鏈不豐富、綜合維護成本高等問題。因此，勝利油田孤東采油廠面向生產指揮系統升級，提出建設“實時感知、全面協同、主動管理、整體優化”的5G智能化油田混合專網項目。
解決方案
2020年7月，山東聯通東營分公司聯合孤東采油廠、通信設備廠商完成了5G+MEC智慧油井方案的落地、驗證和實施，解決了無線網橋、光纖、4G在油井監控畫面回傳、生產控制數據傳輸方面存在的多種問題，E2E保障帶寬、時延、可靠性，以及業務快速上線。同時采用中國聯通自研的工業級5G數據終端“先鋒者2號-DTU”，完成438口油井的改造。5G智慧油井現場實景如圖1所示。
圖1 5G智慧油井現場實景
以5G專網和北斗高精度定位技術為基礎，針對抽油機自化控制中精準定位、定姿需求，開展位置服務平臺和北斗模組等在PLC工業控制環境下的示范應用，為生產人員提供精準軌跡導航、歷史軌跡回溯、電子圍欄等服務。5G專網整體解決方案架構如圖2所示。
無線覆蓋方案
項目初期，在孤東采油廠保護區以北區域開通5G基站一處，依據測試模型，基站可覆蓋半徑2km以內的井場，單個基站覆蓋數量可達200個。根據油井位置分布，規劃了另外5個站點進行信號覆蓋，基站建設完成后可基本滿足保護區以北油井的5G覆蓋。
終端接入方案
無線壓力、溫度以及角位移傳感器繼續采用現網Zigbee通信方式，通過RTU匯聚后轉換為TCP/IP協議與DTU互聯通信，攝像頭通過TCP/IP協議直接連接DTU。DTU裝載聯通5G卡后接入5G網絡。
5G切片方案
5G空口基于5QI進行業務優先級保障，5G承載基于DSCP業務優先級保障，5G核心網對用戶進行QoS策略制定和管理。
該方案可與to C/to H用戶共享5G網絡資源，快速進行to B業務發放，無需單獨網絡規劃；用戶保障基于QoS方案，無需現網改造；同時可以實現用戶級和業務級體驗保障。
油井生產環境如圖3所示，無線載荷、壓力以及位移傳感器通過RTU進行匯集，攝像機、DTU以及電表等設備安裝在距離油井十余米的立桿上，RTU及攝像機通過雙絞線連接DTU，視頻圖像和傳感器數據經過DTU接入5G網絡。
該方案通過在5GC核心網上進行用戶策略配置，油井數據由5G基站轉發至東營聯通機房的MEC上，與公網公眾數據隔離。本項目主要基于5G網絡故體現出以下優勢：一是大帶寬，可實現24小時高密度數據傳輸；二是時延小，信號穩定，可靠性高；三是5G專網工業終端DTU受惡劣天氣影響??；四是選用終端具有定位功能，利于一體化呈現。
項目價值
孤東采油廠前期采用無線網橋、光纖和4G綜合組網，在長期使用過程中遇到多種問題，如光纖部署不方便、4G傳輸帶寬較?。ㄖ攸c體現在上行速率不夠）、無線網橋無線頻譜非標、產業鏈不豐富、綜合維護成本高等。通過5G混合專網改造，解決了用戶多年來遇到的網絡維護及成本問題?；?G低時延、高可靠的特點，抽油機啟?？刂聘蛹皶r；管線閥門開度控制更加精細化，先對機器人的控制變得更加精準；利用5G專網低時延特性，將遠程啟停井技術運用至低產低效井間開管理上，在選取的26口不同油藏特征的油井中創效16口，平均提液日單耗下降2.23kwh/m3，累計節約電費15.4萬元。
該項目是全球首個5G專網在油氣行業的大規模應用，獲得綻放杯“5G行業專網與應用”專題賽工業互聯網賽道優秀項目獎，入選2021 GSMA中國5G垂直行業應用案例。
對產業鏈的影響
該項目是目前全球已知的使用終端DTU數量最多的項目，按照項目需求及方案，每口井部署一臺DTU，規?；a后，必將極大推動終端生產能力,有效推動5G產業發展。
項目選用的終端產品為中國聯通自研的“先鋒者2號”（工業版），產品型號XFZ02-D1Q，是一款面向行業用戶的工業級5G數據終端，提供工業控制接口，集成通用工業現場總線協議，工作溫度-40℃~85℃，金屬外殼，IP67級防水防塵設計，可用于室外場景，快速為行業用戶提供5G接入能力。終端具備定位功能并可接入終端管理平臺，后續功能延展性強。
社會效益分析
首先，驅動社會服務：5G行業網絡結合機器視覺、人工智能、云平臺等技術，能夠打造立體的、多元化的智慧油田系統，極大提高視頻數據的傳輸實時性和云計算的速度，具有廣闊的應用前景，對5G應用的推廣具有現實意義。
其次，釋放人力成本：與其他行業不同的是，油田多處于地廣人稀的偏遠地區，人工維護耗時耗力，特別是惡劣天氣帶來的大面積故障排查，需要集中大量人力。采用5G網絡技術，可以降低故障率、減少維護工作量，同時由運營商專業團隊負責維護，極大地提升了運維效率，釋放了內部運維工作人員人力。
最后，社會環境：可將5G專網+視頻+數據采集應用于公安、銀行、車站、糧庫、工業園區、社區、企業園區、智能工廠、倉儲物流等場景，并通過5G進行數據共享，能夠全方位覆蓋工業互聯生產場景，對推動工業互聯網發展、改善社會整體生產水平起到較大的推動作用。
市場需求及未來空間
項目已完成對孤東采油廠管理一區和二區438口井的5G專網覆蓋與終端改造，而勝利油田油井總數約44000口，因此具有巨大的市場空間。
通過5G專網訪問移動云桌面進行地質工程、軟件辦公，平臺滿足對數據帶寬和系統時延的高要求。5G+智慧油井項目未來將融合到勝利油田的生產管理系統中，目前已規劃包含遠程啟停、注聚單井分層注聚改造實施、定位管理等場景。探討利用5G進行整體信息化系統的網絡改造，以及面向油氣運輸、存儲以及加工業務的智能化升級。
4G/5G網絡融合互通，打造全網物聯統一接入管理，形成從終端、網絡到MEC平臺、應用一體化的油氣行業場景標準，可全行業復制推廣。
