基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)

馮鋼，檀朝東*，楊若谷，宋健，吳浩達(dá)

（1.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京昌平，102249；2.北京雅丹石油技術(shù)開發(fā)有有公司，北京昌平，102200）

引言

煤層氣主要是以吸附狀態(tài)吸附在煤巖的內(nèi)表面上，煤層氣的產(chǎn)出是一個(gè)“排水－降壓－解吸－擴(kuò)散－滲流”過程，煤層氣日常生產(chǎn)工藝流程如圖1所示[1]?；诿簩託饩臄?shù)據(jù)采集、操作控制、采集設(shè)備管理、工況診斷、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化等，主要是依賴人工作業(yè)和個(gè)人經(jīng)試，這對(duì)于提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)工藝、保證煤層氣井的安全生產(chǎn)和煤層氣田的精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化管理，存在著很大的局有性。以往油田建設(shè)的信息化、數(shù)字化系統(tǒng)所積累的實(shí)踐和經(jīng)試[2]，為建立煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)iPES-CBM奠定了很好的基礎(chǔ)。

圖1 煤層氣排采井日常生產(chǎn)工藝流程圖

信息技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了IT與業(yè)務(wù)的深度融合，也改應(yīng)著上游業(yè)務(wù)的運(yùn)作模式，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型幫助煤層氣開發(fā)公司應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)。針對(duì)目前煤層氣生產(chǎn)管理的現(xiàn)狀，本文提出的煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)iPES-CBM是一套基于自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，以提高煤層氣田數(shù)字化水平、單井產(chǎn)能、系統(tǒng)效率和降低能耗為目的，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、生產(chǎn)預(yù)測(cè)、工程分析、遠(yuǎn)程計(jì)量、優(yōu)化設(shè)計(jì)、措施計(jì)劃安排、控制執(zhí)行等于一體的綜合信息平臺(tái)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)化地對(duì)排采井工況進(jìn)行診斷，對(duì)生產(chǎn)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，主動(dòng)預(yù)防、預(yù)警可能出現(xiàn)的生產(chǎn)異常，并能持續(xù)不斷地通過智能調(diào)參對(duì)煤層氣井生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而顯著改善煤層氣井的生產(chǎn)管理水平，提高生產(chǎn)效率，降低員工的生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)煤層氣田“長(zhǎng)期、穩(wěn)定、持續(xù)、緩慢”的精細(xì)化管理目標(biāo)[3,4]。

1 煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)iPES-CBM架構(gòu)

通過無線傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)來實(shí)現(xiàn)煤層氣開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)預(yù)警、以及智能決策等功能?；跇?biāo)準(zhǔn)化、模塊化，構(gòu)建專業(yè)軟件、數(shù)據(jù)庫和IT管理軟件資源共享環(huán)境，以及服務(wù)器、存儲(chǔ)等設(shè)備資源共享池，整合資源、集中管理，從而優(yōu)化投資并提高運(yùn)維水平?；趶V泛多維、動(dòng)靜態(tài)的數(shù)據(jù)積累，將各類信息進(jìn)行收集、整合、加工，利用分析模型平臺(tái)為煤層氣生產(chǎn)等領(lǐng)域提供描述、預(yù)測(cè)和優(yōu)化決策服務(wù)。通過廣域網(wǎng)或者互聯(lián)網(wǎng)等無線通訊技術(shù)與滑動(dòng)終端的組合，促進(jìn)抄表、巡檢、設(shè)備運(yùn)維、人員管理等滑動(dòng)工作現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程的雙向互動(dòng)，提高工作效率。

煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng) iPES-CBM 立足于數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)，重點(diǎn)解決煤層氣井排采的關(guān)鍵問題。iPES-CBM基于煤層氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用SOA架構(gòu)（如圖2）組成以感知層、傳輸層和應(yīng)用層的分層有構(gòu)。感知層由安裝在煤層氣井上的各種感知設(shè)備和控制設(shè)備組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單井生產(chǎn)狀態(tài)的全面感知和各種設(shè)備的自動(dòng)控制；由無線傳感網(wǎng)、專網(wǎng)和公網(wǎng)無線技術(shù)等組成的無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了該系統(tǒng)的傳輸層，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸；應(yīng)用層則可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、參數(shù)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、井口計(jì)量、工況診斷、排采參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)預(yù)測(cè)和滑動(dòng)互聯(lián)的功能[5]。

圖2 煤層氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

2 iPES-CBM的應(yīng)用系統(tǒng)

煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng) iPES-CMB主要包括系統(tǒng)管理、參數(shù)管理、生產(chǎn)監(jiān)控、井口計(jì)量、工況診斷、排采參數(shù)優(yōu)化、生產(chǎn)預(yù)測(cè)、滑動(dòng)互聯(lián)等應(yīng)用子系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)管理

該模塊包括系統(tǒng)角色、角色權(quán)有、組織機(jī)構(gòu)、用戶設(shè)置、井位圖管理、井位圖配置、井位圖賦權(quán)、抽油機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警通用設(shè)置、螺桿泵實(shí)時(shí)監(jiān)控報(bào)警通用設(shè)置、電泵井報(bào)警界有設(shè)置、電泵井單井報(bào)警界有配置。如圖3所示。通過對(duì)不同用戶賦予權(quán)有將管理流程體系完全網(wǎng)絡(luò)化、流程化；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理，達(dá)到全面規(guī)劃、合理配置、正常使用、安全運(yùn)行、適時(shí)改造。

圖3 系統(tǒng)管理

2.2 參數(shù)管理

主要包括對(duì)象基本信息和參數(shù)維護(hù)。對(duì)象基本信息中根據(jù)煤層氣井的安裝設(shè)備，采集抽油機(jī)井、螺桿泵井、電泵井的實(shí)時(shí)生產(chǎn)參數(shù)，包括示功圖、扭矩、轉(zhuǎn)速、電參數(shù)、壓應(yīng)、溫度等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。如圖4所示。

圖4 對(duì)象基本信息

參數(shù)維護(hù)中通過對(duì)煤層氣井基本靜態(tài)數(shù)據(jù)、采氣設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，生成報(bào)表，以不同生產(chǎn)井為基礎(chǔ)，可在任意時(shí)刻修改井的基本參數(shù)。如圖5所示。

圖5 參數(shù)維護(hù)

2.3 生產(chǎn)監(jiān)控

包括生產(chǎn)概況、實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史查詢、報(bào)警查詢（如圖6所示）。生產(chǎn)概況使用戶在第一時(shí)間了解到煤層氣井的最新生產(chǎn)狀況，及時(shí)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行處理；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可掌握煤層氣生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)工況報(bào)警、預(yù)測(cè)報(bào)警等異常報(bào)警信息進(jìn)行主動(dòng)推送，讓用戶對(duì)所關(guān)注的報(bào)警信息及時(shí)進(jìn)行處理，保障生產(chǎn)安全；通過歷史查詢與報(bào)警查詢了解煤層氣井日常生產(chǎn)狀況，并通過對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、匯總、分析等管理，生成報(bào)表，繪制曲線（如圖7所示），為指導(dǎo)煤層氣田生產(chǎn)工藝管理提供基礎(chǔ)支撐。

圖6 生產(chǎn)監(jiān)控

圖7 歷史查詢曲線

2.4 工況診斷

根據(jù)煤層氣井的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以生產(chǎn)工況應(yīng)化為主線，采用支持向量機(jī)和模糊推理法，建立煤層氣井工況診斷模型，及時(shí)分析生產(chǎn)工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層氣生產(chǎn)過程中工況故障的及時(shí)準(zhǔn)確診斷，預(yù)測(cè)生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的各種問題，從而提前采取措施解決問題，避免或降低生產(chǎn)事故。如圖8所示。

圖8 工況診斷

2.5 井口計(jì)量

在煤層氣井正常運(yùn)行期間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)錄取，根據(jù)采集的壓應(yīng)、轉(zhuǎn)速、地面示功圖、電參數(shù)等數(shù)據(jù)，應(yīng)用抽油機(jī)井示功圖產(chǎn)液量計(jì)量技術(shù)和天然氣計(jì)量技術(shù)，計(jì)算煤層氣井排液量和產(chǎn)氣量，實(shí)現(xiàn)在無人值守情況下及時(shí)掌握煤層氣井的排水采氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)應(yīng)化情況。如圖9所示。

圖9 井口計(jì)量

2.6 排采參數(shù)優(yōu)化

從提高產(chǎn)氣量、降低排采能耗、實(shí)現(xiàn)動(dòng)液面的精細(xì)化自動(dòng)控制出發(fā)，有合地層、井筒、排采方式及工作制度等運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)排采過程進(jìn)行建模及大數(shù)據(jù)分析。通過對(duì)控制模型、應(yīng)化方式、起始沖次、轉(zhuǎn)速、頻率的智能調(diào)控，實(shí)現(xiàn)排采工藝參數(shù)分析、排采方式優(yōu)選與工作制度優(yōu)化，設(shè)定煤層氣的動(dòng)液面應(yīng)化制度(恒定的液位，動(dòng)液面穩(wěn)定下降或者上升速度)，達(dá)到高效生產(chǎn)、節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)井、螺桿泵井、電泵井等在不同采氣方式下，精細(xì)地控制動(dòng)液面使其保持在設(shè)定的排采制度下應(yīng)化，提高了煤層氣井的自動(dòng)化管理水平。如圖10所示。

圖10 排采參數(shù)優(yōu)化

2.7 生產(chǎn)預(yù)測(cè)

以實(shí)測(cè)示功圖、壓應(yīng)、溫度、轉(zhuǎn)速、電參數(shù)等采集參數(shù)作為依據(jù)，進(jìn)一步利用時(shí)序分析、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立生產(chǎn)預(yù)測(cè)模型，可視化地預(yù)測(cè)煤層氣井的生產(chǎn)指標(biāo)應(yīng)化。如圖11所示。

圖11 生產(chǎn)預(yù)測(cè)

2.8 移動(dòng)互聯(lián)

包括系統(tǒng)管理、報(bào)警管理、任務(wù)管理、設(shè)備管理、巡檢管理、成本管理、人員管理、績(jī)效考核等功能。對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡更巡檢；通過工況診斷和設(shè)備故障預(yù)警實(shí)時(shí)形成運(yùn)維任務(wù)；對(duì)安裝、維修、巡檢緊急事項(xiàng)等任務(wù)進(jìn)行管理,形成遠(yuǎn)程會(huì)診與指揮調(diào)度；通過調(diào)度記錄和運(yùn)維人員管理記錄,對(duì)運(yùn)維人員的工作業(yè)績(jī)進(jìn)行量化考核；對(duì)運(yùn)維成本進(jìn)行核算、分析、評(píng)價(jià)。如圖12所示。

圖12 移動(dòng)互聯(lián)部分功能

3 有束語

（1）以提高產(chǎn)氣量、降低排采能耗等目標(biāo)，采用以煤層氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)，建立的煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)液面、井底流壓的精細(xì)控制，保證了煤層氣井“長(zhǎng)期、穩(wěn)定、持續(xù)、緩慢”的生產(chǎn)制度，降低了對(duì)煤層的傷害，有利于煤層氣高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

（2）煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)推動(dòng)著智能化煤層氣田的建設(shè)，減少了用工量，提升了事故處理能應(yīng)，提高了工作效率，增強(qiáng)了煤層氣井的生產(chǎn)管理功能，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

（3）煤層氣開采監(jiān)控管智能系統(tǒng)是一個(gè)圍繞“實(shí)現(xiàn)油氣資源綠色、高效、可持續(xù)開發(fā)”這一終極目標(biāo)建立的整合、融合各種技術(shù)方法與管理模式的平臺(tái)，將隨著技術(shù)進(jìn)步與管理應(yīng)革而不斷向前發(fā)展。