基于智能控制的煤層氣排采系統(tǒng)研究

摘要：目前煤層氣排采控制正向著更加智能化的方向發(fā)展。針對現(xiàn)有煤層氣排采系統(tǒng)存在的控制精度不足、生產(chǎn)成本高等問題，設計了一種智能控制的煤層氣排采系統(tǒng)。通過計算井底流壓的測量值與設定值差值，控制排采設備的工作頻率，進而實現(xiàn)排采系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。利用無線傳輸方式將信號發(fā)送至排采單元，可以實現(xiàn)排采工作的全程監(jiān)控。以胡底工區(qū)項目為系統(tǒng)試驗對象，驗證了井底流壓調(diào)節(jié)精度能夠滿足要求，該系統(tǒng)有效且運行穩(wěn)定。

關鍵詞：煤層氣;排采系統(tǒng);智能控制

0 引言

煤層氣是一種環(huán)保、綠色的清潔能源。井底流壓充分反映了產(chǎn)氣量的滲流壓力特征，是合理制定排采制度和進行精細化排采控制的基礎[1]。國外對于排采控制的重視程度和研究力度較小，主要是由于國外煤儲層普遍具有高壓高滲特征，掩蓋了煤層氣井排采過程中物性變化和流體相態(tài)變化對產(chǎn)氣量的影響[2]。鄒宇清等[3]對煤層氣排采各階段的自動控制邏輯和方法進行了研究，實現(xiàn)了煤層氣排采的遠程自動控制，采用了產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量聯(lián)動控制的排采方式，當產(chǎn)氣量或者產(chǎn)水量不穩(wěn)定時，會出現(xiàn)自動調(diào)節(jié)幅度劇烈的情況，影響井底流壓的穩(wěn)定性。本文針對上述情況，設計了一種煤層氣精準排采監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過排采控制算法，實現(xiàn)井底流壓的實時調(diào)節(jié)，并以現(xiàn)場實例驗證了該系統(tǒng)的有效性。

1 煤層氣控制系統(tǒng)硬件設計

在系統(tǒng)結構方面，煤層氣排采系統(tǒng)主要由管理檢測單元、排采控制單元以及現(xiàn)場采集單元組成。管理檢測單元配備了無線基站、云服務器及管理端等，是工作人員操作及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交換的功能單元。排采控制單元有現(xiàn)場終端，控制中心是實現(xiàn)智能控制的重要單元?，F(xiàn)場采集單元的采集數(shù)據(jù)包括水流量、井下壓力、溫度等，因此在采集單元中設置了多種傳感器。

煤層氣排采工作要減少對煤儲層的傷害，為此在煤礦井下布置了多種傳感器。傳感器將水流量、壓力、溫度等信息轉(zhuǎn)換為電信號，控制中心用通信接口與模擬量接口實時采集各種信號，這些信號經(jīng)過程序設定的算法處理后發(fā)出。在信號處理過程中，井底流壓的實際檢測結果會不斷趨近于設定值，這樣就實現(xiàn)了閉環(huán)自動控制。管理檢測單元會對排采控制中心的信號做出調(diào)節(jié)指令，做到完整的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2 煤層氣控制軟件與用戶界面

2.1 ? ?煤層氣控制軟件

煤層氣系統(tǒng)控制軟件用C++語言編寫，包括了數(shù)據(jù)采集程序、排采控制程序及通信服務程序。井下傳感器將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集端，這是串口通信程序的編寫依據(jù)。井底流壓的實際測量數(shù)據(jù)會根據(jù)排采控制單元中的PID算法逐漸接近預先設定的數(shù)值，當實測值無限趨近于設定值時，排采工作的效率到達最高。排采監(jiān)控系統(tǒng)需要一種異步通信消息協(xié)議，故在TCP協(xié)議?；A上構建了MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)訂閱并發(fā)布信息傳輸協(xié)議，在不穩(wěn)定的條件下，從空間和時間上分離發(fā)送者與消息接受者。排采監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯報與云端系統(tǒng)上的所有程序都遵照MQTT協(xié)議執(zhí)行，該協(xié)議也可以在不同環(huán)境中拓展。

程序初始化后進行參數(shù)配置。當數(shù)據(jù)采集期到期后，程序查詢現(xiàn)場數(shù)據(jù)。當?shù)竭_控制時間后，程序自動調(diào)節(jié)井底流壓值。服務器接受到調(diào)節(jié)命令后會發(fā)送排采控制指令，若數(shù)據(jù)包發(fā)送時間已到，則完成此控制過程。整個程序往復循環(huán)，經(jīng)過多次循環(huán)后就實現(xiàn)了實際值無限趨近于設定目標。

井底流壓的控制是根據(jù)PID算法實現(xiàn)的，該算法可以使井底流壓的排采控制在平穩(wěn)的過程中并逐漸降低。PID算法原理為：首先比較井底流壓的測量值與實際值，比較結果會產(chǎn)生一個誤差值并將該值作為一個獨立信號發(fā)出。

處理器收到誤差信號后進行糾偏運算，運算結果即為調(diào)節(jié)誤差的指令。糾偏指令通過執(zhí)行器改變工作頻率，控制電機速度以及排采設備轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)中的井下壓力計來糾正井底流壓的精度，此程序循環(huán)運行形成自動閉環(huán)控制流程。

2.2 ? ?煤層氣用戶界面

控制程序可連接智能手機，在使用過程中可通過人機交互界面直接觀測系統(tǒng)運行情況，以便對設備進行控制操作。手機操作界面主要包括設備運行工作量參數(shù)、設備運行時間參數(shù)、設備硬件參數(shù)、參數(shù)實時和歷史曲線、設備故障分類、設備報警推送等內(nèi)容。

3 煤層氣排采項目試驗

本文以胡底工區(qū)項目為試驗對象，測試了排采系統(tǒng)的控制效果。試驗為現(xiàn)場測試，可以體現(xiàn)排采系統(tǒng)的控制準確性和在煤層氣開發(fā)項目上的運行穩(wěn)定性。胡底工區(qū)項目的井場日常管理采取定時巡查機電設備、人工抄表的工作機制。由于地理環(huán)境的特殊性，工區(qū)氣井、集輸站多數(shù)在偏遠山區(qū)，路途遙遠，交通環(huán)境惡劣，尤其在雨雪天氣，職工需每天駕車到山區(qū)各個井場巡查的工作方式，存在耗時間、耗油量、人力資源利用低、安全隱患多等弊端。一旦井場生產(chǎn)設備出現(xiàn)故障不能及時發(fā)現(xiàn)和排除，就會影響到公司氣量的生產(chǎn)任務，給公司造成嚴重的經(jīng)濟損失。基于以上情況，該項目十分適合作為煤層氣排采系統(tǒng)的試驗對象。

胡底工區(qū)項目的煤層具有較大的瓦斯含量和壓力。測試的三號礦井使用管式泵與抽油機外加油套環(huán)并聯(lián)工作的方式進行區(qū)域作業(yè)。根據(jù)地質(zhì)勘探結果與相鄰煤礦的排采曲線制定了排采方案，方案劃分為4個階段：排水階段、產(chǎn)氣量提高階段、產(chǎn)氣量平穩(wěn)階段、產(chǎn)氣量衰減階段。每個階段的井底流壓日降數(shù)值分別0.04 MPa、0.03 MPa、0.01 MPa、0.005 MPa，同時設置了排水階段的壓力誤差為±0.01 MPa，產(chǎn)氣量提高階段的壓力誤差為±0.005 MPa。若用Pd表示井底流壓降低幅度，即試驗日期的井底流壓與前一日的井底流壓間的差值。在一個完整的監(jiān)測周期內(nèi)，實時采集到的井底流壓制作出的井底流壓變換趨勢如圖1所示。

由圖1可以看出，煤層氣排采控制系統(tǒng)在完成排采監(jiān)控工作時具有明顯效果，圖中兩條曲線呈逐漸接近趨勢，說明該系統(tǒng)實現(xiàn)了事先預定的目標。井底流壓的給定值與實際測量值的誤差穩(wěn)定控制在0.5%左右，能夠?qū)崿F(xiàn)準確的煤層氣排采控制。

4 結語

煤層氣井類型多樣，不同階段的排采調(diào)整需要由智能控制系統(tǒng)控制。本文設計的排采智能控制系統(tǒng)，利用了無線網(wǎng)絡傳輸及云服務器等技術，實現(xiàn)了排采數(shù)據(jù)的實時傳輸。通過改變變頻器的工作頻率，調(diào)節(jié)排采相關設備的運行速度，形成了一套完整的井底流壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。以胡底工區(qū)項目為系統(tǒng)試驗對象，結果顯示該系統(tǒng)可以到達精確調(diào)節(jié)井底流壓的目的，并且誤差均值在0.5%左右，滿足控制要求。

[參考文獻]

[1] 鄭軍領，金毅，李偉娜，等.基于LBM方法的井間干擾對煤層氣排采的影響機理分析[J].煤礦安全，2020，51（4）：157-161.

[2] 姜杉鈺，王峰.中國煤系天然氣共探合采的戰(zhàn)略選擇與發(fā)展對策[J].天然氣工業(yè)，2020，40（1）：152-159.

[3] 鄒宇清，趙鳳坤，黃勇，等.煤層氣排采遠程自動控制平臺的建立與應用[J].天然氣工業(yè)，2015，35（12）：42-47.

收稿日期：2020-04-27

作者簡介：鞏海歐（1986—），男，山西高平人，助理工程師，研究方向：煤層氣地面開發(fā)設備。