煤層氣田遠(yuǎn)控智能排采系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

才浩楠 劉湃 劉貴強(qiáng) 王麗玲 劉巨光 李清碧

1華北油田分公司工程技術(shù)研究院

2中國石油渤海鉆探定向井技術(shù)服務(wù)分公司

山西煤層氣馬必東4×108m3區(qū)塊建設(shè)作為中國石油集團(tuán)公司的重點項目，是世界上第一個平均井深超過1 300 m的整裝煤層氣田，第一個以叢式井組為主體的煤層氣開發(fā)區(qū)塊，第一個實行全自動監(jiān)控?zé)o人值守的現(xiàn)代化煤層氣生產(chǎn)示范基地，因此高質(zhì)量、高穩(wěn)定、高實時的自動化建設(shè)，成為該項目的首要任務(wù)[1]。煤層氣開采是一個排水、降壓的過程，其開采核心是井底流壓、解吸壓力、地層壓力相互契合與匹配。針對山西煤層氣低壓、低滲、低飽和、非均質(zhì)性強(qiáng)的特征，在開采過程中經(jīng)常會出現(xiàn)“套壓變化劇烈、氣量波動大、衰減快、排采不連續(xù)”等問題[2]，影響排采效果。經(jīng)過現(xiàn)場分析，建立了以井底流壓為主、套壓為輔的智能排采控制流程[3]，根據(jù)單井的地質(zhì)特征和所處的排采階段制定相應(yīng)的方案，及時調(diào)整排查控制參數(shù)，穩(wěn)定動液面及氣水的產(chǎn)出量，但由于馬必東4×108m3項目中的單井往往建設(shè)在山間或山腰處，現(xiàn)場人工調(diào)節(jié)智能排采參數(shù)不及時、不便捷[4]，所以建立自動化智能排采系統(tǒng)具有很大的建設(shè)與推廣前景。

1 組態(tài)軟件設(shè)計思想

組態(tài)軟件是用戶根據(jù)應(yīng)用對象及控制任務(wù)的要求，以“搭積木式[5]”的方式靈活配置、組合各功能模塊，構(gòu)成用戶應(yīng)用軟件，具有以下特點：

（1）自動控制過程的可視化[6]，在監(jiān)控機(jī)的屏幕上用動畫和圖表的形式實時顯示系統(tǒng)的工作流程和狀態(tài)，使控制過程可視化。

（2）過程的監(jiān)控報警，對過程的監(jiān)測參數(shù)和變化趨勢進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，到達(dá)極限值時報警。

（3）實時采集工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（4）安全機(jī)制，不同級別的用戶有不同的操作權(quán)限。

根據(jù)以上組態(tài)軟件的特點，研發(fā)了一套適用于煤層氣開采的自動化智能排采組態(tài)系統(tǒng)[7]，由于智能排采需要調(diào)節(jié)的參數(shù)主要是井底流壓，現(xiàn)場往往通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制井底流壓與降液速率。單井通過PLC（可編程邏輯控制器）進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，PLC 則通過光纜和GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）的傳輸方式與中控室上位機(jī)進(jìn)行通信，可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高穩(wěn)定、高實時的監(jiān)測與控制，自動智能排采設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 自動化智能排采設(shè)計原理Fig.1 Design principle of automatic intelligent drainage

2 遠(yuǎn)控智能排采組態(tài)系統(tǒng)

遠(yuǎn)控智能排采組態(tài)軟件的功能不僅僅只局限于排采參數(shù)的調(diào)節(jié)[8]，在構(gòu)建整個通信自動化網(wǎng)絡(luò)時，往往還伴隨著生產(chǎn)參數(shù)的采集、監(jiān)控、報警、存儲和分析等功能，所以從煤層氣現(xiàn)場工藝、勞動強(qiáng)度、實時高效、自動建設(shè)四個方面考慮，組態(tài)軟件功能設(shè)計如圖2所示。

圖2 組態(tài)設(shè)計總體框架Fig.2 Overall framework of configuration design

2.1 智能排采調(diào)節(jié)子系統(tǒng)

由于此次單井多為投產(chǎn)初期的新井，根據(jù)現(xiàn)場排采經(jīng)驗技術(shù)分析，氣井內(nèi)井筒壓力與井筒外地層壓力持平，開始排采時，井筒內(nèi)壓力迅速下降，周圍地層壓力也持續(xù)下降，壓力下降速率隨著距井筒距離的增大而減小[9]。當(dāng)?shù)貙訅毫ο陆档浇馕鼔毫σ韵聲r，開始解吸產(chǎn)氣，形成氣與水的兩相流狀態(tài)?，F(xiàn)場人員往往通過變速排采、調(diào)整壓降幅度，實現(xiàn)產(chǎn)水效率最大化，同時，通過采取低恒套壓控制方式，減少氣相對水相的影響，保持水力穩(wěn)定，實現(xiàn)壓降范圍的持續(xù)擴(kuò)展，井筒壓降分布如圖3所示。根據(jù)單井的井底流壓，通過計算變頻器運行頻率調(diào)節(jié)井底流壓目標(biāo)值，智能排采的效果顯著，保證了產(chǎn)水量的穩(wěn)定，減少了氣相對水相的影響，應(yīng)用此系統(tǒng)之前煤層氣采用人工經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)節(jié)的方式，由于單井大多數(shù)坐落在山間或山腰處，交通不便，往往會造成調(diào)節(jié)的滯后性。

圖3 井筒壓降分布Fig.3 Distribution of wellbore pressure drop

根據(jù)組態(tài)軟件的特性與現(xiàn)場的實際情況[10]，通過中控室監(jiān)控機(jī)控制現(xiàn)場PLC，直接下達(dá)變頻器頻率調(diào)節(jié)，從而間接改變單井的井底流壓以保證產(chǎn)水量問題。現(xiàn)場管道安裝V型控制球閥，可以通過調(diào)節(jié)球閥的開度進(jìn)而控制單井實際產(chǎn)出氣，同時，為了防止監(jiān)控員工誤操作或與現(xiàn)場人工調(diào)控發(fā)生沖突，增設(shè)遠(yuǎn)程自動手動開關(guān)保證單一調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了煤層氣生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)性、高效性、便捷性。

2.2 生產(chǎn)參數(shù)采集子系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場工藝需要，設(shè)計沖速、沖程、井底流壓、管壓、套壓等10 多個采集參數(shù)，現(xiàn)場從PLC控制柜對單井的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過各個參數(shù)之間的變化，遠(yuǎn)程判斷現(xiàn)場單井工況；通過實時監(jiān)控井底流壓與套壓之間的數(shù)值關(guān)系，實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能排采穩(wěn)定生產(chǎn)；通過沖速、變頻器電流、變頻器頻率、井底流壓四個參數(shù)判斷單井運行狀態(tài)，根據(jù)停井原因的不同，顯示不同的呈現(xiàn)形式（停電停井、作業(yè)停井、異常故障停井），不僅能夠?qū)崟r、穩(wěn)定、連續(xù)地監(jiān)控單井的運行狀態(tài)，還能智能地分析停井原因，分析故障情況。距離遠(yuǎn)的單井、叢式井組通過GPRS 專用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，距離近的則通過光纜進(jìn)行傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，在監(jiān)控機(jī)處可以直觀地監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)的變化。

生產(chǎn)參數(shù)采集子系統(tǒng)取代了人工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)模型，建立了新型的“無人值守+中心控制”的生產(chǎn)管理新模型，采集的數(shù)據(jù)存儲至總控平臺，實現(xiàn)了“工區(qū)—采油廠—公司”三級瀏覽。

2.3 實時數(shù)據(jù)報警子系統(tǒng)

井底流壓、套壓、管壓、瞬時流量等作為實際生產(chǎn)的重要安全參數(shù)，任一參數(shù)的大幅度變化都有可能會造成生產(chǎn)事故，所以實時監(jiān)測每個生產(chǎn)參數(shù)的變化是巡井人員或中控室監(jiān)控人員的重點工作。但有時現(xiàn)場單井多、發(fā)現(xiàn)不及時，容易造成安全生產(chǎn)事故，本次組態(tài)系統(tǒng)增設(shè)參數(shù)偏值報警功能，現(xiàn)場人員根據(jù)單井排采規(guī)律與井下工況來判斷參數(shù)報警的上下限，通過字體閃爍或者聲音報警來提示中控室人員生產(chǎn)參數(shù)偏值，調(diào)度室可以指揮巡警人員現(xiàn)場查詢故障或者上位機(jī)調(diào)節(jié)變頻器頻率來解決問題。

2.4 遠(yuǎn)程啟停單井子系統(tǒng)

由于煤層氣排采井屬于排采初期，井場建設(shè)與排采階段還處于不穩(wěn)定時期，井場存在大面積停電或現(xiàn)場工況需要停井，遠(yuǎn)程啟停井代替了人工現(xiàn)場啟停井，很大程度上減小了人工勞動強(qiáng)度。采用儀表設(shè)備就地閉環(huán)控制方式，將采集到的沖速數(shù)據(jù)與變頻器電流數(shù)據(jù)作為判斷當(dāng)前井狀態(tài)的條件，當(dāng)兩者有一個為零時，則判斷該井為停井。通過建立離散模擬量，控制現(xiàn)場PLC，對單井發(fā)送啟井與停井命令。與傳統(tǒng)的監(jiān)控控制啟停井的組態(tài)軟件相比，本次組態(tài)軟件增添了權(quán)限安全機(jī)制與視頻實時監(jiān)控啟停功能。

為了防止監(jiān)控人員誤操作，將該系統(tǒng)分成二級權(quán)限，現(xiàn)場監(jiān)控人員只能對單井的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控；專業(yè)技術(shù)人員可以根據(jù)參數(shù)監(jiān)控反饋調(diào)節(jié)單井變頻器，從而控制單井井底流壓達(dá)到安全穩(wěn)定生產(chǎn)要求，同時也能實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停單井。井場實時通過光纖接入監(jiān)控機(jī)，可以實時反饋啟停井結(jié)果視頻。

3 結(jié)論

遠(yuǎn)控智能排采系統(tǒng)于2019年4月正式投入并運行于山西煤層氣，實現(xiàn)了“遠(yuǎn)程智能排采、實時監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)、數(shù)據(jù)偏值報警、遠(yuǎn)程啟停井”的功能，以及“無人值守+中心控制”的管理模式。以監(jiān)控中心監(jiān)控調(diào)節(jié)單井正常生產(chǎn)，對單井全生命周期進(jìn)行全方位控制、智能化管理，不斷優(yōu)化智慧油田自動化技術(shù)，實現(xiàn)高質(zhì)量、高效益的排采，提高了氣田整體效益與綜合競爭力。

遠(yuǎn)控智能排采系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了單井持續(xù)開采、產(chǎn)水量穩(wěn)定，大大提高了單井排采周期，減少了停井檢泵檢井的次數(shù)。目前正式排采了200口井，運行2個月，節(jié)約17萬元維護(hù)性作業(yè)費用；氣井日產(chǎn)約1 000 m3，每次作業(yè)時間按5天計算，200口井年增氣9×104m3。相較傳統(tǒng)的管理模式可減少80%的管理人員，同時也取代了每日巡井、調(diào)控啟停單井等現(xiàn)場日常工作，2個月200口井節(jié)約60萬元。