煤層氣井場的數(shù)字化建設(shè)探討

陳吉平 （中石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部，江蘇 南京 210019）

煤層氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效清潔的新能源，開發(fā)利用的市場前景十分廣闊。隨著延川南煤層氣開采規(guī)模的擴(kuò)大，排采成本不斷攀升，偏遠(yuǎn)井場駐井人員井場配套費(fèi)用成本等問題日益凸顯，排采工作也易受天氣、道路等因素影響不能及時(shí)上井，盡快建立數(shù)字化排采管理模式是大勢所趨。排采人員通過電腦，遠(yuǎn)程監(jiān)控煤層氣井的各種工作參數(shù)，實(shí)時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài)，根據(jù)需要遠(yuǎn)程調(diào)整煤層氣井的工作參數(shù)。最大限度的降低排采成本，提高煤層氣井的管理水平。

煤層氣井的整個(gè)排采過程，是以控制井底流壓為核心的動態(tài)調(diào)整過程，目的是保證滲透性，控制速敏效應(yīng)，使液面緩慢、勻速下降從而控制井底流壓穩(wěn)定在一定的壓力范圍內(nèi)［1－2］。

煤層氣井的數(shù)字化建設(shè)要在充分了解煤層氣井的特點(diǎn)及煤層氣井日常排采工作內(nèi)容的基礎(chǔ)之上，緊緊圍繞著監(jiān)控參數(shù)全、運(yùn)行成本低、排采效率高這3個(gè)基本點(diǎn)展開。針對煤層氣井的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)字化井場中各設(shè)備的運(yùn)行情況，更能隨時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài)，根據(jù)井的多天連續(xù)數(shù)據(jù)，判斷煤層氣井可能存在的隱患，減少煤層氣井作業(yè)次數(shù)。

當(dāng)前國內(nèi)各煤層氣區(qū)塊處于大規(guī)模投資階段，投入大，產(chǎn)出小，回報(bào)慢。如何在數(shù)字化建設(shè)上實(shí)現(xiàn)較小的投入，達(dá)到自動監(jiān)控的目的，最大限度的節(jié)約人力和物力，是數(shù)字化建設(shè)面臨的主要問題。

1 數(shù)字化建設(shè)遵循的原則

煤層氣井與油田油井的管理方法不同，緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定是煤層氣井排采遵循的六字方針［3－5］，根據(jù)井底流壓的變化，圍繞著產(chǎn)出物 “氣、水”進(jìn)行調(diào)參控制。煤層氣井的數(shù)字化建設(shè)在保證安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，自動采集日常排采工作所必需的數(shù)據(jù)、降低建設(shè)及運(yùn)行成本和減輕人員工作量，即數(shù)字化建設(shè)要與人工巡井相結(jié)合，對于不要求實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)和巡井時(shí)人工可以做的工作，數(shù)字化系統(tǒng)可以弱化這些功能，如定期的功圖測試采集、水質(zhì)的監(jiān)測、閥門的調(diào)節(jié)等。

2 煤層氣井場數(shù)字化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤層氣數(shù)字化井場主要監(jiān)控參數(shù)是：套壓、動液面深度 （井底流壓）、產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量、載荷、沖次、變頻器內(nèi)的頻率、電流、電壓、功率等各種工作參數(shù)。煤層氣井場數(shù)字化系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)獲得的途徑如下：通過液面自動監(jiān)測儀采集套壓、液面深度 （井底流壓）；通過無線沖次傳感器采集抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)沖次值；通過量水采集器采集瞬時(shí)產(chǎn)水量、日產(chǎn)水量和累計(jì)產(chǎn)水量；通過功圖傳感器可以獲得最大載荷、最小載荷和光桿位移等泵況；通過讀取氣體流量計(jì)采集日產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度等；通過讀取變頻調(diào)速器的運(yùn)行狀態(tài)，采集變頻器的電流、電壓、頻率、功率等當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。

下面通過煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 （見圖1）來說明現(xiàn)場各傳感器之間的關(guān)系。一個(gè)抽油機(jī)井場，通過一臺GPRS模塊與控制中心電腦連接，井場以RTU為核心，連接煤層氣井的各種數(shù)字化儀器及連接方式：液面、功圖、沖次和產(chǎn)水量通過ZigBee無線與RTU相連；產(chǎn)氣量、變頻器和發(fā)電機(jī)組供電通過485總線與RTU連接；控制氣量的電控閥通過4～20mA電流信號直接驅(qū)動電動調(diào)節(jié)閥；RTU數(shù)據(jù)通過485總線無線與GPRS模塊傳輸?shù)椒?wù)器。

圖1 煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

只要任何一臺能訪問Internet的PC機(jī)都可以輕松實(shí)現(xiàn)查看數(shù)據(jù)、了解掌握煤層氣井的全部工作參數(shù)。根據(jù)用戶權(quán)限的不同，對井場的各傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3 數(shù)字化建設(shè)的措施與建議

為了實(shí)現(xiàn)高效的低成本數(shù)字化建設(shè)，需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合的考慮，具體措施及建議如下：

3.1 采用成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品，避免造成選型浪費(fèi)

煤層氣領(lǐng)域是一個(gè)較新的行業(yè)，有其自身的特點(diǎn)，通過已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化井場的走訪與調(diào)查，由于煤層氣井與油井的日常管理有著本質(zhì)的區(qū)別，故不能將以前油田的一些成熟的產(chǎn)品設(shè)備和管理經(jīng)驗(yàn)，直接搬到這個(gè)領(lǐng)域，必須尋找一個(gè)適應(yīng)煤層氣井特點(diǎn)的產(chǎn)品和管理方式。由于煤層氣數(shù)字化井場建設(shè)投入大、范圍廣，所以，井場的數(shù)字化產(chǎn)品必須經(jīng)過小批次、長時(shí)間的現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)后，證明產(chǎn)品測試精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可以長時(shí)間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。井場建設(shè)應(yīng)該盡量采用在煤層氣領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)品，避免因盲目引進(jìn)新設(shè)備或新技術(shù)等原因，造成設(shè)備選型的浪費(fèi)。

3.2 提高叢式井場設(shè)備利用率

根據(jù)叢式井場有多口井的特點(diǎn)，數(shù)字化設(shè)備最好能夠綜合考慮、集中控制，提高設(shè)備的利用效率。

1）新井井場 在建設(shè)井場初期，采用撬裝設(shè)備。如產(chǎn)氣量計(jì)量可以采用撬裝設(shè)備，一臺氣體流量計(jì)配合多井氣管路切換裝置來完成叢式井場的多井產(chǎn)氣量計(jì)量。對于井下動液面測試，可以采用一拖N模式的液面自動監(jiān)測儀，即一臺主機(jī)依次循環(huán)測試每口井的液面深度，最大限度的減少井場自動化設(shè)備數(shù)量，降低數(shù)字化建設(shè)成本。

2）現(xiàn)有井場 采用一拖N模式的液面自動監(jiān)測儀測量井下液面深度，無需更改現(xiàn)有井場的任何設(shè)施，提高設(shè)備利用率，降低建設(shè)成本。

3.3 現(xiàn)場布線采用短距離無線方式

已經(jīng)建成的煤層氣井場的各種設(shè)備，大都是由多個(gè)廠家提供的，如氣體流量計(jì)、變頻控制柜、壓力傳感器、井下壓力計(jì)等。不同廠家的傳感器在進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)時(shí)，互聯(lián)互通通常采用通過485總線模式電纜連接，這種方式簡單方便，同時(shí)帶來的問題主要表現(xiàn)在應(yīng)用過程中，一旦有個(gè)別傳感器損壞或總線干擾，整個(gè)總線上的設(shè)備都會受到影響，分析查找故障點(diǎn)很困難，如遇到多家廠商推諉責(zé)任，會造成數(shù)字化系統(tǒng)的長時(shí)間癱瘓。

利用免費(fèi)頻段的無線組網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場的各種傳感器改成短距離無線通訊模式，查找故障點(diǎn)、更換設(shè)備簡單方便，可以方便現(xiàn)場安裝，不用挖溝穿管布線，減少現(xiàn)場施工，降低后期維護(hù)成本。

3.4 井場設(shè)備和傳感器功能盡量簡單化，穩(wěn)定耐用是重點(diǎn)

井場的各種傳感器穩(wěn)定可靠是主要的考核指標(biāo)，功能可以盡量簡化，目的是降低成本、提高可靠性。傳感器的功能簡化不代表降低了使用要求，而是通過將傳感器測試的數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)傳到服務(wù)器中，現(xiàn)場的智能判斷、分析功能由服務(wù)器中的軟件來完成。如在服務(wù)器中增加一個(gè)液面波形處理分析軟件模塊，就可以將現(xiàn)場液面自動監(jiān)測儀內(nèi)部的自動計(jì)算、軟件濾波等功能去掉，既節(jié)省了傳感器的開發(fā)維護(hù)成本，又提高了現(xiàn)場設(shè)備的可靠性。

所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)傳，大大弱化了井場RTU的功能，甚至可以考慮取消井場RTU功能，最大限度的降低了現(xiàn)場設(shè)備成本。

3.5 關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳

煤層氣井的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、套壓、動液面深度、當(dāng)前的排采強(qiáng)度 （沖次）、抽油機(jī)的工作狀態(tài)等主要參數(shù)，必須及時(shí)上傳到服務(wù)器中，要求數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，以便隨時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài)和排采動態(tài)，及時(shí)調(diào)整煤層氣井日常排采的生產(chǎn)參數(shù)。

抽油機(jī)工作參數(shù)控制，盡量采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，可以方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程改變變頻器的頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；套壓控制可使用定壓閥，也可使用針閥，針型閥調(diào)節(jié)可人工參與，盡量節(jié)約投入成本?，F(xiàn)場的控制流程是：通過調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，從而改變沖次，控制產(chǎn)水量；通過調(diào)節(jié)閥門的開啟角度，控制煤層氣井的套壓和產(chǎn)氣量。

3.6 突出煤層氣井工作狀態(tài)監(jiān)測功能

煤層氣井排采過程中最忌諱非故障性意外停井，嚴(yán)重影響了排采的連續(xù)性，要求自動化系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測到煤層氣井的工作狀態(tài)。因煤層氣井無需一天多次測量示功圖，且功圖傳感器無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性沖次測量，為減少井場施工布線，減少投入，可將此功能分為實(shí)時(shí)沖次和光桿受力2個(gè)參數(shù)。

1）實(shí)時(shí)沖次監(jiān)測功能 此參數(shù)可提供實(shí)時(shí)的煤層氣井的沖次變化；可判斷遠(yuǎn)程調(diào)參后最終抽油機(jī)速度變化了多少、是否有皮帶斷裂、打滑等現(xiàn)象；判斷抽油機(jī)是否處于停機(jī)狀態(tài)等。

2）實(shí)時(shí)光桿受力監(jiān)測 光桿受力情況可以由固定式載荷頭配相關(guān)電路來完成，它主要實(shí)現(xiàn)測量光桿運(yùn)行過程中受到的最大、最小負(fù)荷值，軟件根據(jù)這個(gè)值的變化范圍來判斷和預(yù)警井下泵況，包括軟卡、桿斷、卡泵等。

3.7 用液面自動監(jiān)測儀代替井下壓力計(jì)

生產(chǎn)壓差是儲層壓力與井底流壓之間的差值，是煤層氣井排采控制的重要依據(jù)，合理的生產(chǎn)壓差是制定煤層氣井排采制度的基礎(chǔ)，也是保證煤層氣井能夠正常排采的關(guān)鍵。而井底流壓主要通過套壓和動液面來控制，目前獲得井底流壓的方法有電子壓力計(jì)和液面自動監(jiān)測儀2種。

1）電子壓力計(jì) 優(yōu)點(diǎn)是精度高，同時(shí)也存在缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：電子壓力計(jì)每口井安裝一個(gè)，不能調(diào)換，設(shè)備利用率低；電子壓力計(jì)安裝拆卸不方便，必須停井作業(yè)；扶正器等從屬設(shè)備較多，綜合成本很高；當(dāng)電子壓力計(jì)損壞或電纜出現(xiàn)故障，即使煤層氣井工作正常，也只能被迫作業(yè)，后期維護(hù)成本很高，嚴(yán)重違反煤層氣井排采必須遵循的穩(wěn)定和連續(xù)原則，影響井的排采壽命和總產(chǎn)氣量。

2）液面自動監(jiān)測儀 安裝在套管口，隨時(shí)拆裝，不影響煤層氣井的正常排采，對于叢式井，可改用一拖N模式的液面自動監(jiān)測儀，提高設(shè)備利用率。對于測試精度，在不同的基層隊(duì)和排采井針對不同的煤層氣井況進(jìn)行了一年多的現(xiàn)場試用測試，經(jīng)過多井次的與井下壓力計(jì)對比、與人工手動測試儀器對比，測試精度、穩(wěn)定性等方面能滿足現(xiàn)場測試需求。

3.8 產(chǎn)水量計(jì)量

煤層氣井產(chǎn)出液體的主要成分是水，也含有少量的煤粉和氣體，常用的水表和流量計(jì)由于水中含有氣體和煤粉原因，不能準(zhǔn)確測量實(shí)際產(chǎn)水量。錯(cuò)誤的產(chǎn)水量計(jì)量，容易導(dǎo)致煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)誤判，尤其是當(dāng)產(chǎn)液量較低或含氣量較多時(shí)其測量準(zhǔn)確度誤差更大，從而導(dǎo)致人們對煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)嚴(yán)重誤判，采取錯(cuò)誤的調(diào)參措施，造成經(jīng)濟(jì)損失。

現(xiàn)有產(chǎn)水量的獲得只能依靠人工蹲守在井口，待量筒內(nèi)的水積滿，利用秒表定時(shí)，完成一次產(chǎn)水量測量，效率低下?，F(xiàn)有的水量流量計(jì)產(chǎn)品和測試模式，測試精度和維護(hù)率方面，都不能滿足數(shù)字化井場需要。

產(chǎn)水量的采集，是煤層氣井?dāng)?shù)字化系統(tǒng)不可或缺的參數(shù)，而且必須要解決小水量準(zhǔn)確計(jì)量、間歇性出水準(zhǔn)確計(jì)量、消除煤粉和水中氣體對測量精度的影響問題。

3.9 盡快制定煤層氣數(shù)字化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

煤層氣井?dāng)?shù)字化，由多設(shè)備組成，多廠家共同建設(shè)井場，要保證井場內(nèi)各廠家設(shè)備之間能夠互聯(lián)互通，可以任意替代更換其他設(shè)備，必須盡快制定煤層氣井?dāng)?shù)字化實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)，為煤層氣數(shù)字化推廣鋪平道路。

4 結(jié) 語

煤層氣井不同于傳統(tǒng)油井，有其顯著的行業(yè)特點(diǎn)，存在著本質(zhì)的區(qū)別，故數(shù)字化井場建設(shè)不能照搬油井?dāng)?shù)據(jù)化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。排采過程中，一定要適合煤層氣井的排采緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定的特點(diǎn)，井場建設(shè)需遵循的基本原則是：建設(shè)維護(hù)成本低；主要參數(shù)采集精度高；設(shè)備運(yùn)行需要實(shí)時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定；自動化設(shè)備功能與人工巡井制度要有機(jī)結(jié)合，最大限度提高工作效率。

通過對煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)的調(diào)研，結(jié)合鄂爾多斯盆地煤層氣井的特點(diǎn)，數(shù)字化建設(shè)勢在必行。而在數(shù)字化井場建設(shè)過程中，采集重要排采參數(shù)的儀器設(shè)備，能否長期、穩(wěn)定的運(yùn)行，直接影響到煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣壽命，也決定著數(shù)字化建設(shè)的成敗。故選擇技術(shù)成熟的儀器，在井場建設(shè)中尤為關(guān)鍵。在建設(shè)數(shù)字化井場的同時(shí)，排采人員要提高綜合素質(zhì)，可根據(jù)井場數(shù)據(jù)掌握煤層氣井的工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)測問題，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在低成本建設(shè)、低成本運(yùn)行的情況下，達(dá)到高效的人機(jī)結(jié)合，使煤層氣數(shù)字化井場建設(shè)快速發(fā)展，提高產(chǎn)氣量，為國家的能源建設(shè)提供有力保障。

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