遠(yuǎn)程控制在煤層氣排采中的應(yīng)用
——以沁水盆地樊莊區(qū)塊為例

孟祥迎 吳倡名 李紅昕 王 寶 唐雅娟 梁春紅

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司，山西 048203；2.西安中星測控有限公司，陜西 710119；3.陜西安控科技有限公司，陜西 710003)

山西沁水盆地樊莊區(qū)塊的煤層氣排采井大多位于人煙稀少的溝壑和山地，井場分散，覆蓋面廣，而且海拔較高，山路崎嶇交通不便，極大地增加了煤層氣的勘探開發(fā)和生產(chǎn)管理的難度。為了克服重重困難，在惡劣的工作環(huán)境中貫徹“低恒套壓、變速排采、指標(biāo)管控”的排采理念，嚴(yán)格執(zhí)行排采計(jì)劃，強(qiáng)化排采管控，使煤層氣井的排采制度更加合理，保障排采井正常平穩(wěn)生產(chǎn)，增加產(chǎn)氣量，減輕員工的勞動強(qiáng)度，提高排采的安全系數(shù)，減少人力、物力，有效節(jié)約企業(yè)成本，華北油田山西煤層氣勘探開發(fā)分公司積極探索，研究了一套行之有效的適用于煤層氣排采的遠(yuǎn)程控制技術(shù)。

1 遠(yuǎn)程控制技術(shù)總體設(shè)計(jì)

利用計(jì)算機(jī)分布式控制技術(shù)，結(jié)合煤層氣排采特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)煤層氣井排采遠(yuǎn)程控制為目標(biāo)，從國外引入第四代SCADA自動化監(jiān)控管理系統(tǒng)，精選硬件設(shè)備，優(yōu)化RTU和PLC的參數(shù)，依托無線通信網(wǎng)絡(luò)，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，結(jié)合組態(tài)軟件、應(yīng)用軟件和通信管理軟件，運(yùn)用瀏覽器技術(shù)及統(tǒng)一的人機(jī)界面。

2 SCADA系統(tǒng)

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的縮寫，即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng)，能對煤層氣井場的各項(xiàng)排采設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，是石油系統(tǒng)煤層氣領(lǐng)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)源，為煤層氣的排采提供全方位、精確而及時(shí)的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報(bào)警等多種作用。

SCADA系統(tǒng)采用Windows XP操作系統(tǒng)作為軟件平臺，采用客戶端程序(Client)/服務(wù)器端程序(Server)分布式體系結(jié)構(gòu)，其軟件的各功能模塊都以數(shù)據(jù)庫為核心。

SCADA系統(tǒng)由集氣站控制系統(tǒng)、閥組遠(yuǎn)程終端測控單元、無線通信McWill R5系統(tǒng)、處理中心控制系統(tǒng)及各作業(yè)區(qū)設(shè)置的調(diào)度控制中心組成。調(diào)度控制中心具有監(jiān)控、調(diào)度、管理全部管線上的各個(gè)井場和閥組的功能(圖1)。

圖1 沁水盆地樊莊區(qū)塊SCADA系統(tǒng)圖

3 無線通信McWill R5系統(tǒng)

McWill (Multi-carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環(huán)路)是我國自主研發(fā)的寬帶無線接入系統(tǒng)，選用世界一流的碼擴(kuò)正交頻分多址(CS-OFDMA)、智能天線、空間零陷、聯(lián)合檢測等無線通信技術(shù)，以其高可靠性、高保密性、廣闊的覆蓋性、卓越的技術(shù)性、方便靈活的結(jié)構(gòu)性、實(shí)惠的經(jīng)濟(jì)性、簡單的維護(hù)性稱著于世，因此沁水盆地樊莊區(qū)塊將華北油田通信公司的McWill R5系統(tǒng)作為生產(chǎn)用的無線通信網(wǎng)，應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控、應(yīng)急通信等方面。

McWill R5系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)星型連接，支持IEEE802.1Q協(xié)議，TDD上/下行時(shí)隙比例關(guān)系為 4:4， 在組網(wǎng)時(shí)分為接入層和匯聚層(圖2)。

圖2 McWill R5系統(tǒng)示意圖

McWill R5系統(tǒng)有10座基站，16個(gè)BTS，負(fù)責(zé)沁水盆地樊莊區(qū)塊6座集氣站、八百多口單井的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流和視頻業(yè)務(wù)流?；就ㄟ^無線網(wǎng)橋連接集氣站，集氣站通過光纜接入處理中心，以有線方式接入煤層氣分公司的IP網(wǎng)絡(luò)?；咀畲筇峁?5Mbps的數(shù)據(jù)吞吐量，每個(gè)基站的光纜傳輸網(wǎng)有百兆的帶寬。

4 Intouch軟件

選用美國Wonderware公司的Intouch 10.0人機(jī)界面(HMI)自動化組態(tài)軟件包編制作為上下位機(jī)檢測、監(jiān)控應(yīng)用軟件。既能通過Intouch 10.0自帶的DAServer軟件經(jīng)無線通信McWill R5系統(tǒng)與排采井現(xiàn)場的RTU或PLC進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)采集排采井現(xiàn)場的生產(chǎn)參數(shù)，又能通過控制RTU或PLC來達(dá)到排采井的遠(yuǎn)程控制。

5 遠(yuǎn)程控制的原理、實(shí)現(xiàn)條件及主要應(yīng)用類型

5.1 原理及實(shí)現(xiàn)條件

位于作業(yè)區(qū)調(diào)度的下位機(jī)是客戶端(Client)，位于晉城自動化室的上位機(jī)是服務(wù)器端(Server)，遠(yuǎn)程控制就是經(jīng)無線通信McWill R5系統(tǒng)，由客戶端程序向服務(wù)器端程序發(fā)出信號，建立遠(yuǎn)程服務(wù)，發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令，對排采井現(xiàn)場的RTU或PLC(前端設(shè)備)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，進(jìn)而控制地面排采設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)遙控設(shè)備。

遠(yuǎn)程控制必須同時(shí)滿足五個(gè)條件：①通信正常；②井場內(nèi)排采設(shè)備、配電柜、自動化柜等硬件設(shè)施及線路正常；③電力線路正常送電；④數(shù)據(jù)庫服務(wù)器正常；⑤井場內(nèi)無人干擾。

5.2 主要應(yīng)用類型

遠(yuǎn)程啟停井、間抽、遠(yuǎn)程調(diào)頻率、智能排采。

5.2.1 遠(yuǎn)程啟停井

遠(yuǎn)程啟停井即人工遠(yuǎn)程啟動或停止抽油機(jī)、螺桿泵等排采設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)啟井或停井。

(1)遠(yuǎn)程啟停井的原理

沁水盆地樊莊區(qū)塊的排采設(shè)備主要有抽油機(jī)和螺桿泵兩大類，它們的遠(yuǎn)程啟停井的原理不同。抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟停井是由作業(yè)區(qū)調(diào)度或自動化室的計(jì)算機(jī)使用特定的用戶名和密碼遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后使用Intouch 10.0軟件發(fā)出“啟井”或“停井”命令，經(jīng)通信處McWill基站無線發(fā)送到井場的McWill模塊，再經(jīng)線路傳送到RTU或PLC。由RTU或PLC再下發(fā)“啟井”或“停井”指令，引起啟井繼電器吸合或停井繼電器斷開，進(jìn)而形成相應(yīng)的通路或斷路，帶動電動機(jī)的啟動或停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的啟動或停止(圖3)。

圖3 抽油機(jī)遠(yuǎn)程啟停井原理圖

螺桿泵的遠(yuǎn)程啟停井是由變頻器帶動的，RTU或PLC下發(fā)“啟井”或“停井”指令后，變頻器就以低頻率啟動或停止運(yùn)行，帶動變頻電動機(jī)的啟動或停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)螺桿泵的啟動或停止(圖4)。

(2)遠(yuǎn)程啟停井的實(shí)現(xiàn)條件

滿足遠(yuǎn)程控制的五個(gè)條件。

(3)遠(yuǎn)程啟停井的應(yīng)用情況

圖4 螺桿泵遠(yuǎn)程啟停井原理圖

在沁水盆地樊莊區(qū)塊，為了保證產(chǎn)量，用的最多的是遠(yuǎn)程啟井，而遠(yuǎn)程啟井率也呈現(xiàn)季節(jié)變化，即“夏低春秋冬高”。因?yàn)?，每年春季，為保證電力線路的安全暢通，華北油田水電工程處都會組織人員進(jìn)行電力線路檢修，需要停電，屬于正常維護(hù)，設(shè)備均正常，再送電時(shí)遠(yuǎn)程啟井率就很高，都在99%以上，甚至多次100%，呈現(xiàn)出“啟井次數(shù)多，啟井率高”的特點(diǎn)。秋冬時(shí)節(jié)多風(fēng)，容易刮斷電力線路，搶修后也可遠(yuǎn)程啟井，其遠(yuǎn)程啟井率與春季持平，呈現(xiàn)出“啟井次數(shù)少，啟井率高”的特點(diǎn)。而夏季多雷雨，雷電容易劈壞甚至擊穿高壓變壓器或24伏電源、PLC等配件，造成井場硬件設(shè)施損毀；還會造成變頻器報(bào)警，無法帶動變頻電動機(jī)，致使再送電時(shí)遠(yuǎn)程啟井率較低，只有不到九成。

5.2.2 間抽

間抽即間歇性抽排，指抽油機(jī)、螺桿泵等排采設(shè)備間歇性地抽排。

間抽分為以時(shí)間為節(jié)點(diǎn)的時(shí)間間抽和以液面值為節(jié)點(diǎn)的智能間抽。通過作業(yè)區(qū)調(diào)度或自動化室的計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，再使用Intouch 10.0的測試工具——WWclient軟件來設(shè)定排采設(shè)備是否間抽、間抽參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制間抽。

(1)時(shí)間間抽的原理

間抽的過程與遠(yuǎn)程啟停井相似，不同的是，經(jīng)過優(yōu)化，間抽程序已實(shí)現(xiàn)本地化，不再依賴數(shù)據(jù)庫服務(wù)器下達(dá)命令，避免了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器故障和通信故障時(shí)不能運(yùn)行間抽程序。具體來說，時(shí)間間抽是先在煤層氣排采井現(xiàn)場，通過電腦或觸摸屏對RTU或PLC進(jìn)行時(shí)間設(shè)置，以便判斷時(shí)間，到達(dá)啟井時(shí)間就由RTU或PLC下發(fā)“啟井”指令，從而帶動電動機(jī)啟動，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)或螺桿泵的啟動；到達(dá)停井時(shí)間就由RTU或PLC下發(fā)“停井”指令，從而帶動電動機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)或螺桿泵的停止。

(2)時(shí)間間抽的實(shí)現(xiàn)條件

滿足遠(yuǎn)程控制的五個(gè)條件。

(3)時(shí)間間抽的應(yīng)用情況

在沁水盆地樊莊區(qū)塊，時(shí)間間抽被廣泛應(yīng)用，有效節(jié)約了電力成本。抽油泵滿時(shí)啟井，泵空時(shí)停井，減少了抽油泵空抽和抽油桿干磨等現(xiàn)象，充分提高了泵效和系統(tǒng)效率，延長了抽油機(jī)、螺桿泵等排采設(shè)備的使用年限。

5.2.3 智能間抽

智能間抽是通過計(jì)算沉沒度來判斷井下壓力計(jì)所在液面值，設(shè)定液面值為啟停井節(jié)點(diǎn)的間歇性抽排。

(1)智能間抽的原理

通過井下壓力計(jì)采集井底壓力，套壓壓變采集套壓，二者傳輸?shù)絉TU或PLC，RTU或PLC通過計(jì)算沉沒度(沉沒度=(井底壓力-套壓)×100)來判斷井下壓力計(jì)所在液面值，到達(dá)啟井液面就由RTU或PLC下發(fā)“啟井”指令，從而帶動電動機(jī)啟動，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)或螺桿泵的啟動；到達(dá)停井液面就由RTU或PLC下發(fā)“停井”指令，從而帶動電動機(jī)停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)或螺桿泵的停止。

(2)智能間抽的實(shí)現(xiàn)條件

除了滿足遠(yuǎn)程控制的五個(gè)條件，排采井還必須安裝井下壓力計(jì)。

(3)智能間抽的應(yīng)用情況

井下壓力計(jì)所在的液面值通常有波動，因?yàn)槁輻U泵的運(yùn)轉(zhuǎn)較抽油機(jī)平穩(wěn)，液面值波動小，所以螺桿泵智能間抽的效果優(yōu)于抽油機(jī)。

5.2.4 遠(yuǎn)程調(diào)頻率

遠(yuǎn)程調(diào)頻率即人工遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，進(jìn)而調(diào)節(jié)變頻電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次或螺桿泵的轉(zhuǎn)速。

(1)遠(yuǎn)程調(diào)頻率的原理

遠(yuǎn)程調(diào)頻率是由作業(yè)區(qū)調(diào)度或自動化室的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后使用Intouch 10.0軟件，將“調(diào)頻模式”定于“手動”處，在“設(shè)定頻率”處輸入相應(yīng)值即可。設(shè)定的頻率經(jīng)通信處McWill基站無線發(fā)送到井場的McWill模塊，再經(jīng)線路傳送到RTU或PLC，由RTU或PLC再下發(fā)指令到變頻器，變頻器依指令調(diào)節(jié)頻率，帶動變頻電動機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次或螺桿泵的轉(zhuǎn)速(圖5)。

圖5 遠(yuǎn)程調(diào)頻率原理圖

(2)遠(yuǎn)程調(diào)頻率的實(shí)現(xiàn)條件

除了滿足遠(yuǎn)程控制的五個(gè)條件，抽油機(jī)還必須處于“變頻”狀態(tài)。

(3)遠(yuǎn)程調(diào)頻率的應(yīng)用情況

用于手動遠(yuǎn)程改變排采制度。

5.2.5 智能排采

智能排采即智能控制系統(tǒng)排采，是采用了PID調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制，指抽油機(jī)、螺桿泵等排采設(shè)備根據(jù)遠(yuǎn)程設(shè)定的目標(biāo)井底壓力、降液速率，結(jié)合煤層氣排采井井場的井底壓力與套壓，不斷地自動調(diào)節(jié)沖次或轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排采制度的最優(yōu)化。

智能排采分為降壓法和穩(wěn)壓法，即降低井底壓力控制法和穩(wěn)住井底壓力控制法。

(1)智能排采的實(shí)現(xiàn)條件

除了滿足遠(yuǎn)程控制的五個(gè)條件，還必須滿足五個(gè)條件：①排采井必須安裝井下壓力計(jì)；②排采設(shè)備必須處于變頻工作狀態(tài)；③井下壓力計(jì)、套壓壓變、接近開關(guān)等儀器儀表必須正常采集，傳輸；④自動化柜的沖次調(diào)節(jié)方式必須為“自動”；⑤遠(yuǎn)程設(shè)定的智能排采的方式必須為“自動”。

(2)智能排采的原理

首先，由作業(yè)區(qū)調(diào)度或自動化室的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程登錄數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，然后使用Intouch 10.0軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定，設(shè)定目標(biāo)井底壓力和達(dá)到目標(biāo)井底壓力所需的降液速率。

然后，在煤層氣排采井井場，通過井下壓力計(jì)采集井底壓力，套壓壓變采集套壓，二者傳輸?shù)絉TU或PLC，RTU或PLC通過計(jì)算沉沒度來判斷井下壓力計(jì)所在液面值，將液面值與設(shè)定的降液速率作對比，將井底壓力與設(shè)定的井底壓力作對比，通過程序的核心算法計(jì)算出此時(shí)抽油機(jī)或螺桿泵運(yùn)行的最佳沖次或轉(zhuǎn)速，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的變頻器頻率。RTU或PLC再下發(fā)指令到變頻器，變頻器依指令調(diào)節(jié)頻率，帶動變頻電動機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而帶動抽油機(jī)調(diào)節(jié)沖次或螺桿泵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。接近開關(guān)等配件將調(diào)節(jié)后的沖次或轉(zhuǎn)速反饋RTU或PLC，RTU或PLC繼續(xù)對比設(shè)定值和井場值，如此往復(fù)，閉環(huán)控制，直到實(shí)現(xiàn)設(shè)定的井底壓力和降液速率(圖6)。

圖6 智能排采原理圖

(3)智能排采的應(yīng)用情況

在沁水盆地樊莊區(qū)塊，智能排采的降壓法廣泛應(yīng)用于新井投產(chǎn)初期，因?yàn)槊簩託獾呐挪尚枰潘祲海赐ㄟ^排采設(shè)備抽排出煤儲層中的水并降低井底壓力，促成煤層氣的解析。不同的排采階段需要不同的排采制度，如解析前的降液速率要快，解析后的降液速率要慢，放氣時(shí)的降液速率要穩(wěn)。智能排采系統(tǒng)根據(jù)不同的排采階段自動實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)抽油機(jī)的沖次或螺桿泵的轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)地降低井底壓力，精準(zhǔn)地控制降液速率，使排采更加合理、高效。

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