致密砂巖氣井場智能監(jiān)控系統(tǒng)及應用

江 濤 范 旭 黃秋憶 章錦素

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.杭州邦維流體技術有限公司，浙江 310018)

1 引言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺問題日益突出，致密砂巖氣在能源供應方面正在發(fā)揮越來越重要的作用,其儲量不斷被探明，致密氣的開發(fā)勢在必行。我國致密砂巖氣藏大多處于沙漠或半荒漠化地帶，地域分布廣泛，相對位置偏遠、周遭環(huán)境惡劣、人為破壞嚴重，對井場的監(jiān)控依賴人工值守，每日定期檢查儀表設備運行情況，并記錄相關數(shù)據(jù)信息。這種落后的工作方式，需要投入大量的人力、物力、財力才能維護生產(chǎn)的正常運行，必然增加工人的勞動強度，同時影響著數(shù)據(jù)的實時性和準確性，最重要的是由于監(jiān)控效率低，問題發(fā)現(xiàn)不及時可能帶來不可估量的嚴重后果。顯然傳統(tǒng)的人工巡井方式已不再滿足生產(chǎn)管理的需求。

隨著網(wǎng)絡信息技術、計算機控制技術、通信技術和傳感器技術等先進技術的發(fā)展，智能化成為了致密氣井場建設發(fā)展的重要方向。因此，建立一套井場智能監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)現(xiàn)場設備、儀表、傳感器等的實時數(shù)據(jù)采集，可靠數(shù)據(jù)傳輸，動態(tài)監(jiān)測，井場全天視頻監(jiān)控，構建信息化的網(wǎng)絡管理平臺，進而提升和改造傳統(tǒng)作業(yè)模式，提高生產(chǎn)能力和管理效率，對致密氣井場智能化發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

2 致密砂巖氣井場智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構及功能

(1)致密砂巖氣井場智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構

致密砂巖氣井場智能監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱智能監(jiān)控系統(tǒng))由數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)三部分構成，整體架構拓撲圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場儀表，現(xiàn)場RTU控制柜和數(shù)據(jù)云管理中心三層次組成，現(xiàn)場儀表包含撬裝流量計、撬裝壓力計和集氣樹壓力計等；現(xiàn)場RTU控制柜包含數(shù)據(jù)傳輸模塊、嵌入式軟件系統(tǒng)和控制器；數(shù)據(jù)云管理中心為SAAS網(wǎng)絡平臺操作管理系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場視頻監(jiān)控攝像頭和4G網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)構成，攝像頭采用海康4G網(wǎng)絡高清一體式球機。光伏離供電系統(tǒng)由太陽能板和蓄電池組成。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構拓撲圖

(2)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)分三個層次，現(xiàn)場儀表、現(xiàn)場控制柜和數(shù)據(jù)云管理中心。

現(xiàn)場儀表包含撬裝流量計、撬裝壓力計和集氣樹壓力計(含油壓壓力計和套壓壓力計)?，F(xiàn)場儀表、傳感器選擇條件為滿足使用的工況條件的前提下，具有無限通訊功能，如具有短距離低功耗無線遠傳模塊Zigbee模塊，將采集所得數(shù)據(jù)通過Zigbee通訊實時傳輸至控制器。撬裝流量計和撬裝壓力計安裝在井場致密氣采集撬裝管道上，集氣樹壓力計安裝在井口集氣樹上。各個集氣樹采出的氣體匯總到計量撬，最后匯集輸送到集氣站。

無線中繼安裝在井場RTU控制柜中，接收所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)(包含集氣樹的壓力計以及撬裝的壓力計和流量計等現(xiàn)場儀表)模擬量及數(shù)字量，存儲到大容量存儲器中并通過RS-485通訊將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制器通過4G網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)云管理平臺。

數(shù)據(jù)云管理中心采用SAAS平臺，通過瀏覽器登錄。任何覆蓋網(wǎng)絡的地方，都可設立數(shù)據(jù)云管理中心，通過網(wǎng)絡接收控制器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)云管理中心將長期保存其管轄范圍內(nèi)的所有井場的所有監(jiān)測數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的顯示、查詢、分析和打印等。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能為通過高清攝像頭實現(xiàn)井場巡邏，安防管理。攝像頭可以全方位360°水平旋轉(zhuǎn)，垂直-15°～90°；可設置300個預置點，實現(xiàn)8條定點巡航路線，實現(xiàn)遠程一鍵式巡邏，視頻畫面4G遠程傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，實現(xiàn)錄像主機與球機一體化，減少人工現(xiàn)場巡邏。

(4)光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)功能

光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)由太陽能板和蓄電池組成。根據(jù)井場所處的地理位置經(jīng)緯度及峰值日照時數(shù)確定太陽能板最佳傾斜角度，根據(jù)負載功率及電壓計算所需太陽能板數(shù)量，給整個智能化系統(tǒng)供電。

3 智能化系統(tǒng)在臨興區(qū)塊氣田的應用

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)應用

致密氣開采智能化系統(tǒng)已經(jīng)在山西臨興區(qū)塊氣田得到了實施應用，具有成功經(jīng)驗。以LX-105井場監(jiān)控方案為例，該井場為臺式井，共有5口井，儀表分布情況見表1。

表1 105井場儀表分布狀況

油壓和套壓壓力計安裝在集氣樹上，每個集氣樹上安裝一組，分別采集井底噴出致密氣的油壓和套壓。數(shù)據(jù)通訊方式為Zigbee無線傳輸。

計量撬壓力計裝在計量撬上，采集致密氣匯總到計量撬的壓力，數(shù)據(jù)通訊方式為Zigbee無線傳輸。

計量撬流量計采用高壓耐磨損旋進漩渦流量計，每個撬裝安裝一臺如圖2所示。流量計采集通過計量撬的致密氣的流量，就地顯示標況流量、標況總量、溫度、壓力、工況流量，并將以上數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳輸?shù)綗o線中繼站。

圖2 井場撬裝及監(jiān)控設備安裝場景

計量撬附近設RTU現(xiàn)場控制柜，無線中繼設在RTU控制柜中，無線中繼也叫中轉(zhuǎn)站，接收井場設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲并通過4G網(wǎng)絡傳送到數(shù)據(jù)管理中心。管理人員通過瀏覽器，輸入管理員賬號和密碼登錄，選擇對應單位，要查看的井場，選擇進入狀態(tài)信息界面或歷史數(shù)據(jù)查詢界面。狀態(tài)界面實時顯示監(jiān)測參數(shù)的相關信息，集氣樹油壓、集氣樹套壓、標況流量、氣體溫度、氣體壓力和管道壓力，以曲線形式表示。以上數(shù)據(jù)以及氣體總量、時間等數(shù)據(jù)以表格形式顯示。查詢歷史數(shù)據(jù)時，選擇設置時間段，可以選擇數(shù)據(jù)以曲線、圖表、EXCEL表格形式顯示，也可以直接生成工作日報，可以直接打印。圖3為2020年1月9日集氣樹油壓、集氣樹套壓、標況流量、氣體溫度、氣體壓力和管道壓力參數(shù)變化曲線，數(shù)據(jù)采集間隔2分鐘。

圖3 臨興區(qū)塊數(shù)據(jù)管理中心105井場實時數(shù)據(jù)曲線

圖3中數(shù)據(jù)曲線表明，該采集時間段內(nèi)，集氣樹套壓無壓力，數(shù)據(jù)為0，集氣樹油壓在2.5～3.0MPa之間波動，管道壓力穩(wěn)定在1.74MPa,由于流量計安裝位置與管道壓力采集位置不同，存在管道壓力損失，流量計壓力約為1.8MPa,由于對工況流量進行溫壓補償后，流量計標況流量與流量計溫度成正比關系，故兩者變化趨勢相同，該采集時間段，標況流量變化范圍為90～140m3/h。

(2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應用

氣田與油田、礦區(qū)都具有共同特點，地理位置偏遠且分散，不同井場之間需經(jīng)過數(shù)個小時車程，現(xiàn)場管理需要配備較大人力和物力，卻難以保證實時監(jiān)控井場運行情況，故視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了一人通過電腦操作遠程管理多個井場，完成現(xiàn)場管理。應用區(qū)塊安裝一個攝像頭，實現(xiàn)整個井場全天視頻巡邏，達到預定效果。

(3)太陽能供電方案計算

致密氣井場位置偏遠，供電困難，致密氣開采智能化系統(tǒng)整體功耗低，均采用無線傳輸，故可配置綠色電源-太陽能供電以滿足系統(tǒng)的用電需求，對太陽能板的配置方案進行計算。

鄂爾多斯盆地臨興中區(qū)塊，位于山西臨縣和興縣境內(nèi)，歸屬于呂梁地區(qū)。經(jīng)度111.1°，緯度37.5°，峰值日照實數(shù)4.46，最佳安裝傾角36°，105井場井口功耗見表2。

根據(jù)中聯(lián)煤山西臨興區(qū)塊氣田智能井場建設需求以及現(xiàn)場儀表實際功率，計算設計72W離網(wǎng)系統(tǒng)，所需太陽能板和蓄電池數(shù)量。

據(jù)統(tǒng)計該地區(qū)氣象條件，降水較少，連續(xù)陰雨天超過3天的概率較小，以續(xù)航時長3天為例，選擇規(guī)格為工作額定電壓DC24V功率265W，每日發(fā)電量平均為650Wh的太陽能板，當前井口每日所需電量為1728Wh，太陽能板數(shù)量=所需電量/每塊太陽能發(fā)電量=(72*24)/650≈2.7塊。

以現(xiàn)場工作額定電壓DC24V計算，假設陰雨

表2 105井場井口功耗

天氣連續(xù)工作3天，蓄電池效率為70%，所需蓄電池數(shù)量：

蓄電池數(shù)量=所需電量/每塊蓄電池容量=(72W*24H*3D)/(24V*200AH*0.7)≈1.5塊。

考慮一定的安全系數(shù)，使用3塊265W太陽能板以及4塊12V、200AH蓄電池組成供電陣列，滿足現(xiàn)場弱電設備的用電需求。

4 結(jié)論

致密砂巖氣井場智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用在減少人工巡檢、降低經(jīng)營成本的基礎上，實現(xiàn)了對井場數(shù)據(jù)的實時采集、可靠傳輸和動態(tài)監(jiān)測，整個生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控，符合國家工業(yè)信息化建設要求；

智能化系統(tǒng)無線傳輸方式大大降低了系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源；減少因供電而產(chǎn)生的現(xiàn)場施工工作；避免了因施工而帶來的系統(tǒng)線路故障，避免了二次施工。

光伏離網(wǎng)供電，具有清潔性、安全性、廣泛性、長壽命和免維護性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點，實現(xiàn)現(xiàn)場長期穩(wěn)定的工作，符合國家能源管理要求。

井場智能監(jiān)控系統(tǒng)升級改進后還可以根據(jù)具體情況控制井底閥門開停情況，實現(xiàn)對整個致密氣開采過程及井場的自動化監(jiān)控。