工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用

張欣欣 劉興杰 趙 騰 吳志超 王建偉 古 瑩 褚萬(wàn)功 王 智

(①中國(guó)石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國(guó)石油大港油田分公司新項(xiàng)目事業(yè)部)

0 引 言

隨著頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油等非常規(guī)油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的持續(xù)深入，工廠化鉆井、大型壓裂、多井同時(shí)測(cè)試等施工作業(yè)已經(jīng)成為常態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)大量出現(xiàn)多臺(tái)地面測(cè)試設(shè)備同時(shí)施工和監(jiān)測(cè)的作業(yè)狀態(tài)[1-2]。但是，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)儀均為單井作業(yè)模式，每套設(shè)備僅能監(jiān)測(cè)1井次或1套設(shè)備作業(yè)，無(wú)法滿足多井次、多設(shè)備的“工廠化”作業(yè)模式需求，造成設(shè)備資源不足、技術(shù)難以全面覆蓋現(xiàn)場(chǎng)要求、人員需求較多、管理難度大的現(xiàn)狀，迫切需要研發(fā)一套計(jì)量精度高、操作簡(jiǎn)便的多井自動(dòng)計(jì)量與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-6]。

1 工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在油氣地面測(cè)試計(jì)量過(guò)程中，需要對(duì)地面工藝流程中的關(guān)鍵點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要參數(shù)有井口油壓A、井口油壓B、井口溫度、加熱器溫度、加熱器壓力、下游壓力、分離器溫度、分離器壓力和孔板壓差等；同時(shí)，也要對(duì)硫化氫、可燃?xì)怏w等環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境安全有效受控；還要滿足多口井同時(shí)施工作業(yè)的監(jiān)測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)數(shù)據(jù)集中采集與顯示，支持井場(chǎng)數(shù)據(jù)信息共享；必要時(shí)可召開(kāi)專家視頻會(huì)議，對(duì)可能出現(xiàn)的特殊情況做出預(yù)警和快速反應(yīng)處理， 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、現(xiàn)場(chǎng)可視、專家會(huì)商的聯(lián)動(dòng)性， 第一時(shí)間處理好第一手資料。為此，根據(jù)功能的不同，將該系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和專家決策指揮中心系統(tǒng)四大模塊。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)處理單元等，它們與采集軟件及后臺(tái)處理軟件共同組成完整的多井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)單元。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的隔離柵技術(shù)，將井口、除砂器、油嘴管匯、加熱器和分離器等點(diǎn)位的傳感器采集到的信號(hào)，通過(guò)隔離柵接入到專用數(shù)據(jù)采集板，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理單元預(yù)處理后，由采集軟件系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理、生成數(shù)據(jù)和圖表并自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示和輸出。

1.2 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)傳感器、通信、單片機(jī)等技術(shù)，對(duì)鉆井、完井等危險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)所的硫化氫、可燃?xì)怏w等作業(yè)環(huán)境中有害氣體含量進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)環(huán)境氣體含量信息、設(shè)備狀態(tài)信息的集中管理和控制，并搭建氣體報(bào)警管理平臺(tái)，支持石油勘探過(guò)程中氣體含量監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高石油勘探現(xiàn)場(chǎng)工作人員人身健康安全防護(hù)水平。

氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由氣體報(bào)警控制器、傳感器、報(bào)警器三部分組成(圖2)。當(dāng)井場(chǎng)空氣中有被測(cè)氣體時(shí)，傳感器可產(chǎn)生與被測(cè)氣體濃度成比例的電信號(hào)，該信號(hào)上傳至氣體報(bào)警控制器，氣體報(bào)警控制器實(shí)時(shí)顯示出被測(cè)氣體濃度數(shù)值；當(dāng)傳感器檢測(cè)到的被測(cè)氣體濃度達(dá)到或者超過(guò)設(shè)定值時(shí)，氣體報(bào)警控制器主機(jī)發(fā)出小功率聲光報(bào)警提示信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)井場(chǎng)安裝的大功率聲光報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員采取必要措施來(lái)避免重大事故的發(fā)生。

圖2 氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括硬盤(pán)錄像機(jī)、防爆攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等。防爆攝像頭為360°高清防爆球基監(jiān)視云臺(tái)(圖3)，可對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)100 m以內(nèi)的各個(gè)方向進(jìn)行高清視頻監(jiān)控，通過(guò)對(duì)防爆云臺(tái)的通道設(shè)置、IP設(shè)置，實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的視頻監(jiān)控。不僅能在白天實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，自動(dòng)記錄現(xiàn)場(chǎng)每一個(gè)可疑圖像，按設(shè)定要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和聲音警告，還能在漆黑的夜晚、雨霧、飛塵等視線不佳的狀況下，清晰地“看到”現(xiàn)場(chǎng)圖像，從而更好地保證安全生產(chǎn)[7]。

圖3 360°高清防爆球基監(jiān)視云臺(tái)及移動(dòng)安裝架

1.4 專家決策指揮中心系統(tǒng)

為了保護(hù)儀器設(shè)備，同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供安全舒適的工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了地面測(cè)試儀器房，將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集裝置、電源機(jī)柜總成、防爆電纜及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等儀器設(shè)備安裝在儀器房?jī)?nèi)，并將該儀器房作為現(xiàn)場(chǎng)決策指揮中心。儀器房?jī)?nèi)決策指揮中心可以容納16人座位，右側(cè)整墻投影，可隨時(shí)組織作業(yè)人員、技術(shù)專家、井控監(jiān)督人員等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)會(huì)議，結(jié)合視頻系統(tǒng)，高效指導(dǎo)、監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制。技術(shù)人員和專家通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，準(zhǔn)確了解掌握現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)信息，在作業(yè)需求和關(guān)鍵工況時(shí)，實(shí)現(xiàn)多井場(chǎng)、前后方的語(yǔ)音和視頻同步互傳，及時(shí)對(duì)施工中遇到的相關(guān)問(wèn)題做出分析診斷，給予遠(yuǎn)程指導(dǎo)和支持。

2 工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一體化數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用先進(jìn)的隔離柵技術(shù)，傳感器模擬量采用4～20 mA電流型傳感器經(jīng)過(guò)隔離柵，接入專用數(shù)據(jù)采集板，可同時(shí)采集2道正交編碼傳感器信號(hào)、4道脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)、32道4～20 mA模擬信號(hào)傳感器信號(hào)、4道數(shù)字輸入信號(hào)和2道數(shù)字輸出信號(hào)。數(shù)據(jù)接口方式包括：RS 485通信、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、CAN總線和無(wú)線傳輸(圖4)。

圖4 專用數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)使用多塊專用數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行組網(wǎng)，每塊數(shù)據(jù)采集板可以同時(shí)采集2口井?dāng)?shù)據(jù)，這些采集單元根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要同時(shí)工作的井?dāng)?shù)，采取靈活的疊加方式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多井次油氣地面測(cè)試作業(yè)數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)方式的創(chuàng)新型改變，建立了區(qū)域化、標(biāo)準(zhǔn)化的“工廠化油氣地面測(cè)試”協(xié)同作業(yè)模式。

信號(hào)處理單元采用便攜式和分布式設(shè)計(jì)，如圖5所示。這種設(shè)計(jì)在施工現(xiàn)場(chǎng)可以方便進(jìn)行組網(wǎng)、拆卸，使系統(tǒng)在具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)采集功能的同時(shí)，還可靈活地組網(wǎng)。系統(tǒng)最多可以同時(shí)接駁5個(gè)信號(hào)處理箱，即10口井可同時(shí)作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 信號(hào)處理單元

每個(gè)信號(hào)處理單元均配備小的液晶屏顯示，既可顯示本單元的各種傳感器信號(hào)，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能流量傳感器的信號(hào)采集，由此減輕了計(jì)算機(jī)對(duì)這些智能流量傳感器信號(hào)的采集處理工作量。此外，每個(gè)采集單元可以通過(guò)面板進(jìn)行IP設(shè)置或ID設(shè)置，最后通過(guò)網(wǎng)線實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集。多井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分布式結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布式架構(gòu)

2.2 智能化報(bào)警技術(shù)

智能化報(bào)警技術(shù)采用多個(gè)監(jiān)控模塊，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控內(nèi)容多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、數(shù)據(jù)顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)的超限報(bào)警控制等多項(xiàng)功能。報(bào)警方式為語(yǔ)音報(bào)警、聲光報(bào)警及信息顯示，任何外部異常情況都可以及時(shí)報(bào)警，增強(qiáng)了測(cè)試期間現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性。主要包括如下報(bào)警功能。

(1)作業(yè)參數(shù)異常報(bào)警：采用單參數(shù)和多參數(shù)相結(jié)合，結(jié)合實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，設(shè)置上下限，判斷現(xiàn)場(chǎng)工作異常。

(2)視頻監(jiān)控智能偵測(cè)報(bào)警：通過(guò)對(duì)移動(dòng)物體的智能識(shí)別技術(shù)，對(duì)區(qū)域內(nèi)物體的移動(dòng)和闖入?yún)^(qū)域內(nèi)物體進(jìn)行偵測(cè)，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和人員的安全，也避免了誤入造成的傷害。

(3)環(huán)境氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警：根據(jù)不同環(huán)境氣體不同的一級(jí)濃度極限和二級(jí)濃度極限分別設(shè)置各自的一級(jí)門(mén)限和二級(jí)門(mén)限，對(duì)不同的區(qū)域按照不同的聲音頻率和光的顏色進(jìn)行多級(jí)聲光報(bào)警。

2.3 專家決策

將現(xiàn)場(chǎng)的井口壓力、井口溫度、分離器壓力、分離器溫度、壓差等參數(shù)實(shí)時(shí)傳送至現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)指揮中心和基地，由專家分析壓降等參數(shù)變化，判斷地層產(chǎn)能、產(chǎn)量，并及時(shí)調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施如檔板、油嘴等作業(yè)狀況。同時(shí)，結(jié)合加熱器溫度、加熱器壓力、環(huán)境氣體濃度和視頻監(jiān)控，及時(shí)判斷現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)，保證作業(yè)決策的科學(xué)、安全、快捷。

3 工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

自2019年12月以來(lái)，工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大港、華北、長(zhǎng)慶、四川和青海地區(qū)進(jìn)行了 19 井次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，表明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件接口、防爆防水、快速便攜式模塊化安裝、氣體計(jì)量模型等多項(xiàng)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。

在大港油區(qū)YG 3井環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)H2S測(cè)量范圍采用100、1 000 μL/L兩個(gè)范圍段，監(jiān)測(cè)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)H2S最高濃度為970 μL/L，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確并及時(shí)報(bào)警，其采集精度、采集范圍和報(bào)警功能均滿足作業(yè)方現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需求，為設(shè)備和作業(yè)人員安全提供了保障。

在四川長(zhǎng)寧頁(yè)巖氣寧209H13A等7個(gè)平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)時(shí)， 其中的一個(gè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量最高達(dá)到5口?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用表明，工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多井?dāng)?shù)據(jù)采集精度高，氣體求產(chǎn)產(chǎn)量準(zhǔn)確無(wú)誤，系統(tǒng)兼容性高，運(yùn)行穩(wěn)定，完全滿足了多平臺(tái)多井次的監(jiān)測(cè)需求。

3.2 工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用效果

工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)單井或人工油氣井測(cè)試，拓展了油氣測(cè)試監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)方式的創(chuàng)新，具有“五省”的效果。

(1)省人效果：工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行10井次的油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)作業(yè)，作業(yè)人數(shù)僅需8人左右，而采用傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，10井次需配備31～61人，采用該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可至少節(jié)省人員24人，省人效果明顯。

(2)省心效果：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)定量化和報(bào)警智能化，保障了現(xiàn)場(chǎng)油氣測(cè)試作業(yè)的安全科學(xué)實(shí)施；有毒有害氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)智能化聲光兩級(jí)報(bào)警，保障了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境有效受控；視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用360°高清防爆球基監(jiān)視云臺(tái)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)安防設(shè)施的遠(yuǎn)程控制；現(xiàn)場(chǎng)會(huì)議指揮中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，為科學(xué)、高效、快速?zèng)Q策提供依托?？傊ㄟ^(guò)自動(dòng)化、定量化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等技術(shù)的應(yīng)用，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，加強(qiáng)了管理，提高了安全水平和工作效率。

(3)省力效果：?jiǎn)尉降孛鏈y(cè)試監(jiān)測(cè)儀在多井作業(yè)時(shí)，需要進(jìn)行多套設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和拆卸，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采用工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，僅需要進(jìn)行一套設(shè)備的運(yùn)輸、安裝和拆卸，大幅減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度；提供的多種油氣產(chǎn)量計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了不同狀況下的地面自動(dòng)化計(jì)量，免去了人員繁雜計(jì)算的工作量；有毒有害在線氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)避免了大量的手持式人工巡檢操作；360°高清防爆球基監(jiān)視云臺(tái)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安防設(shè)施的無(wú)死角遠(yuǎn)程監(jiān)控。應(yīng)用該系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)了油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，機(jī)械替代率達(dá)到95%以上。

(4)省時(shí)效果：工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了模塊化、小型化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和便攜式的設(shè)計(jì)理念，現(xiàn)場(chǎng)安裝采用快速防爆連接裝置，現(xiàn)場(chǎng)快速安裝和拆卸均可在1d內(nèi)完成，與原安裝時(shí)間120 h相比，單次安裝、拆卸作業(yè)共省時(shí)3～5 d，按15 d為1個(gè)測(cè)試作業(yè)周期計(jì)算，提高了作業(yè)效率20%。

(5)省錢(qián)效果：工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)共享資源，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)10井次的監(jiān)測(cè)作業(yè)，與10套單井油氣地面測(cè)試儀相比，可減少儀器房、視頻監(jiān)視設(shè)備、氣體監(jiān)測(cè)設(shè)備、監(jiān)視分析設(shè)備9套，降低設(shè)備成本50%～80%，至于在作業(yè)過(guò)程中節(jié)約的維護(hù)時(shí)間和材料成本更是不可估量。

4 結(jié) 論

作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，新研制的工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)系統(tǒng)很好地滿足了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)技術(shù)需求，完全適應(yīng)油田勘探開(kāi)發(fā)快速發(fā)展的步伐，能夠節(jié)約設(shè)備成本，減少現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員、作業(yè)人員和輔助人員，提高作業(yè)生產(chǎn)效率和安全管理水平，整體提升現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)質(zhì)量。采用該成果創(chuàng)新性建立了工廠化油氣地面測(cè)試監(jiān)測(cè)工作模式，實(shí)現(xiàn)了模式創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合，有效提升了核心服務(wù)能力，具有良好的推廣應(yīng)用前景。