5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨

2021年4月

油 气 与 新 能 源

第33卷 第1期

文章编号：2097-0021（2021）01-0062-05

5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨

任泽坤

*

1

，许勤

1

，张雷

1

，姜姝

1

，杨眉

2

，徐维

1

，王舒迟

1

，钱林华

1

（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）

任泽坤等.5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨.油气与新能源，2021，33（1）：62～66

摘要：

“智慧油气田”建设的重要一环就是“智慧勘探”，但在4G技术条件下，网络速率、延时、

用户量限制等原因在一定程度上限制了油气田智慧勘探的发展。在分析4G技术条件下的数字化

井场建设现状和技术瓶颈的基础上，通过对比分析，对基于5G技术的油气田勘探领域信息化发

展的应用前景和发展方向做出了预测和分析。结果表明，5G技术具有的“高可靠、低延时、高

安全、高数据交互、访问高速率”等优势正是实现“智慧勘探”的先决条件，基于5G技术建设

井场物联网、无人机巡检系统、“智慧钻探”作业辅助系统、井场计算机仿真等应用都是“智慧

勘探”建设的重要组成部分。

关键词：

智慧；油气田勘探；5G；应用前景；发展方向

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A DOI：10.3969/.2097-0021.2021.01.013

5G Based Wellsite Construction for Smart Exploration of Oil and Gas

REN Zekun

1

, XU Qin

1

, ZHANG Lei

1

, JIANG Shu

1

, YANG Mei

2

, XU Wei

1

, WANG Shuchi, QIAN Linhua

(ical Exploration & Development Research Institute, Changqing Drilling Engineering Company Limited,

CNPC; Company of Southwest Oil & Gasfield Company, Petrochina)

Abstract:

Smart oil and gas exploration is constrained by the slow internet connection and concurrent user limitation in

4G-network based wellsites. Based on the analysis of the present digital wellsite construction and the technical

bottleneck in 4G network, this paper conducted a study on 5G based wellsite construction, predicting the prospect of

intelligent exploration for oil and gas. The result indicates that 5G system, for its low latency and high reliability,

security, access rate, and data interaction, is the prerequisite for “intelligent exploration”. The integrated establishment

of 5G based wellsite IOT, UAV inspection system, intelligent drilling operation system and computerized software

system will contribute to smart oil and gas exploration.

Keywords: Intelligence; Oil and gas field exploration; 5G; Application prospect; Development direction

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

取得了一系列建设成果。

［1］

，也

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

*

任泽坤，男，高级工程师。2003年毕业于西南石油学院信息与计算机科学专业，获学士学位。现在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，从事信息化管理及研发工作。地址：四川省成都市成华区建设北路一段83

62

第33卷 第1期 2021年4月 任泽坤等：5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨

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 m

2

。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

63

油气与新能源|数字化能源

Vol.33 No.1 Apr.2021

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

64

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

第33卷 第1期 2021年4月 任泽坤等：5G在油气田智慧勘探井场建设中的应用探讨

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。

65

油气与新能源|数字化能源

Vol.33 No.1 Apr.2021

（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。

信息化发展带来巨大发展机遇，带动整个行业的改

变，凭借其超低延时、超高速访问速率、高可靠性

和高稳定性等技术优势，结合边缘计算、大数据分

析挖掘技术等新技术和新应用，未来井场信息化和

数字化的整体水平将呈现质的飞跃。

参考文献：

[1] 方鹂,杨世海,尤靖茜,等.浅谈长庆油田智能油气

田通信网络的构建[J].石油规划设计,2020,31(6):

40-43.

[2] 李智鹏,许京国,尤军.石油钻探物联网远程作业中

心综述[J].石油工业计算机应用,2014,82(2):16-

21.

[3] 高自强.5G+4K超高清图像传输系统原理与应用

[J].广播电视信息,2020,336(4):44-46.

[4] 王笑鸣.5G技术在智慧油田建设中的研究与应用

[J].工艺技术,2020(5):255-256.

[5] 胡光宇,刘龙,刘文贵,等.5G在电力系统中的建设

方案研究[J].电力信息与通信技术,2020,18(8):72

-79.

5 结束语

5G移动通信技术将给油气田勘探工程领域的

修改回稿日期：2020-01-13

编辑：陈潇

《石油规划设计》新刊名有奖征集活动结果公告

为打造定位明确、态度严肃、作风严谨、学术权威的科技期刊品牌，中国石油规划总院于2020年9

月14日-30日开展了《石油规划设计》新刊名有奖征集活动。活动期间共收到来自全国各地的565个

有效应征刊名，主办方以包容性、延展性、科技性、差异性和简洁性为遴选标准，按照公平、公正、择

优的原则，经过期刊编辑部集体初选，院属各部门集体复选后，确定一等奖2名，二等奖5名，三等奖

20名，现予以公告（名单附后）。

工作人员将在公告发出之日起15个工作日内联系获奖作者与参与者，完善个人信息，确保奖励与

赠阅权益发放，请获奖作者与参与者保持通讯畅通。

新刊名有奖征集活动获奖名单

一等奖：罗祥云、宋磊

二等奖：丁秀君、张金平、徐继利、彭百成、刘君

三等奖：李秋玲、曹杨、冯凤玲、张倩上、郝迎鹏、陈廷杉、薛华、马良俊、朱晓涛、

黄开平、钟齐斌、何宁、刘佳茜、田成坤、吴庆乐、纪永达、罗福、王国铸、

王宽龙、朱洁民

《油气与新能源》编辑部

2021年4月25日

66