老氣田數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵控制技術(shù)應(yīng)用與探索

陳智勇，甘德順，唐興波，廖敬，蔣俏儀，鄧軍

(中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 405400)

1 緒論

1.1 背景

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以“云大物移智”(云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能)為代表的新一波數(shù)字技術(shù)浪潮席卷全球[1]。油氣行業(yè)也處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要時(shí)期，正在邁向以數(shù)字化、智能化為主要特征的第五次技術(shù)革命。數(shù)字化已成為油氣行業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要戰(zhàn)略機(jī)遇。國(guó)內(nèi)外油氣公司聚焦市場(chǎng)需求，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，積極探索數(shù)字創(chuàng)新的前沿技術(shù)，推動(dòng)業(yè)務(wù)數(shù)字化[2]。

21世紀(jì)前10年建成的主力優(yōu)質(zhì)氣田已陸續(xù)進(jìn)入產(chǎn)量遞減階段[3]。川東石炭系、面臨產(chǎn)量逐步降低、人均生產(chǎn)總值逐步下降、單位天然氣生產(chǎn)成本逐漸升高等挑戰(zhàn)，因此有必要進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)人值守站向縱深發(fā)展，從無(wú)人值守逐步向無(wú)人操作、智能操作轉(zhuǎn)型升級(jí)，進(jìn)一步減輕對(duì)人工的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升老氣田開(kāi)發(fā)效益。 本文以川東地區(qū)部分氣田為例，闡述老氣田數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)關(guān)鍵控制技術(shù)的應(yīng)用效果。

1.2 基本思路

(1)堅(jiān)持以需求和問(wèn)題為導(dǎo)向。近年5G、工業(yè)機(jī)器人、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，新ICT技術(shù)層出不窮，給氣田生產(chǎn)運(yùn)行信息化管控帶來(lái)眾多可選的新技術(shù)。同時(shí)，油氣田開(kāi)發(fā)的本質(zhì)并未改變，考慮老氣田高效開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)行安全管控的需要，選擇相適應(yīng)的技術(shù)用于解決實(shí)際問(wèn)題，而非將新技術(shù)生搬硬套到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。總之，無(wú)人值守站的轉(zhuǎn)型升級(jí)必須堅(jiān)持需求導(dǎo)向、問(wèn)題導(dǎo)向，從氣田開(kāi)發(fā)的迫切需要和長(zhǎng)遠(yuǎn)需求出發(fā)，真正解決實(shí)際氣田生產(chǎn)問(wèn)題。

(2)堅(jiān)持穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)原則。天然氣具有易燃易爆特性，且部分氣田原料氣含有硫化氫，危險(xiǎn)性大、腐蝕性強(qiáng)，選擇的應(yīng)用技術(shù)必須優(yōu)先考慮安全性，設(shè)備應(yīng)運(yùn)行穩(wěn)定、使用可靠。同時(shí)，開(kāi)展生產(chǎn)運(yùn)行控制等技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用，主要目的是提升氣田開(kāi)發(fā)效益，選擇相關(guān)技術(shù)時(shí)還要著重考慮經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)充分利用已建裝置與系統(tǒng)，立足適應(yīng)性局部改造，算好投入與產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)賬。

2 現(xiàn)狀分析

以川東氣田為例，結(jié)合氣田工藝現(xiàn)狀，圍繞“產(chǎn)量”與“安全”兩大核心，以氣井生產(chǎn)、增產(chǎn)措施執(zhí)行、井站巡檢、泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置為主線(xiàn)，川東氣田實(shí)現(xiàn)更高水平的開(kāi)發(fā)主要面臨五個(gè)方面普遍性問(wèn)題。

2.1 氣井生產(chǎn)制度制定與執(zhí)行依賴(lài)于人工進(jìn)行

2.2 氣井泡排劑加注需要有經(jīng)驗(yàn)的人員現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行

川東氣田石炭系氣藏普遍存在邊水，產(chǎn)地層水的氣藏占97.1%，氣田實(shí)施泡排井114口，占工藝井的83.2%，其產(chǎn)能的正常發(fā)揮對(duì)提高氣田采收率具有重要意義。目前各無(wú)人井站基本實(shí)現(xiàn)了定時(shí)加注功能，藥劑的加注制度主要有技術(shù)人員制定，現(xiàn)場(chǎng)則由井站員工進(jìn)行操作，存在較大的優(yōu)化空間，并且泡排制度的合理性也有待驗(yàn)證。

2.3 無(wú)人值守站巡檢方式和巡檢效率有待提升

目前人工巡檢單個(gè)無(wú)人站需2～3小時(shí)，至少配置3人和車(chē)輛1輛，其中50%以上時(shí)間耗費(fèi)在途中。按照目前一個(gè)中心站平均管理15個(gè)單井場(chǎng)站計(jì)算，每個(gè)單井場(chǎng)站巡檢頻次是1次/周。人工巡檢花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)、占用的人力、物力資源較多，巡檢效率較低。

2.4 無(wú)人值守站泄漏檢測(cè)缺乏有效手段

傳統(tǒng)固定式氣體檢測(cè)儀檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度，報(bào)警高限為10% LEL，檢測(cè)原理是催化燃燒式，需進(jìn)行被動(dòng)等待甲烷氣體漂浮到檢測(cè)儀的氣室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)后才會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，其缺點(diǎn)是進(jìn)行被動(dòng)式檢測(cè)，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易受環(huán)境(濕度、溫度、粉塵)影響，易受其他氣體干擾，使用壽命短且需要每半年進(jìn)行一次維護(hù)更換探頭，對(duì)輕微和一般泄漏檢測(cè)效果較差。

2.5 放空點(diǎn)火系統(tǒng)智能化程度低

按現(xiàn)行環(huán)保及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，井站放空火炬需精確控制點(diǎn)滅火時(shí)機(jī)、減少甲烷的燃燒量，同時(shí)放空系統(tǒng)的工作具偶發(fā)性，而火炬點(diǎn)火裝置與各放空閥閥位聯(lián)動(dòng)不足，無(wú)法自動(dòng)準(zhǔn)確預(yù)判和實(shí)現(xiàn)全過(guò)程監(jiān)控，可能導(dǎo)致點(diǎn)火不及時(shí)，出現(xiàn)“長(zhǎng)明火”的粗放性管理；并且放空火炬長(zhǎng)期位于高空，受放空、燃燒、雨水等腐蝕影響，需要定期維護(hù)，工作量大、風(fēng)險(xiǎn)高。

3 應(yīng)用與探索

針對(duì)川東氣田場(chǎng)站工藝方面存在的五大普遍性問(wèn)題，氣田管理單位積極開(kāi)展生產(chǎn)運(yùn)行控制技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用與探索，并取得了初步成效。

3.1 智能采氣

(1)實(shí)現(xiàn)方式。在采氣樹(shù)生產(chǎn)閘閥與針閥上安裝自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氣井遠(yuǎn)程控制；通過(guò)自動(dòng)程序控制，實(shí)現(xiàn)定油壓、定時(shí)間等不同模式的自動(dòng)氣井開(kāi)關(guān)控制。通過(guò)油套壓、瞬產(chǎn)、臨界攜液流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與自動(dòng)控制裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)井。

(2)原理。閥門(mén)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制裝置主要由智能控制器、角度傳感器、直流無(wú)刷電機(jī)、壓力變送器、位置編碼器、電源線(xiàn)、上位控制系統(tǒng)及下位控制元件組成，產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿(mǎn)足防爆需求。運(yùn)行時(shí)，智能控制器采集壓力變送器和位置編碼器的數(shù)據(jù)，根據(jù)控制器內(nèi)部已經(jīng)預(yù)設(shè)的工作模式或遠(yuǎn)程發(fā)送的控制指令來(lái)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)，最后直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)減速機(jī)和齒輪傳動(dòng)放大輸出扭矩進(jìn)而驅(qū)動(dòng)閥門(mén)進(jìn)行相關(guān)的開(kāi)度控制。結(jié)合實(shí)時(shí)采集的油壓、瞬產(chǎn)和計(jì)算出的臨界攜液流量，嵌入智能算法，實(shí)現(xiàn)氣井智能開(kāi)關(guān)與產(chǎn)量智能調(diào)節(jié)。

盈虧平衡分析法又稱(chēng)保本分析法或本量利分析法，是利用數(shù)學(xué)化的會(huì)計(jì)分析模型和圖文來(lái)揭示、分析固定成本、變動(dòng)成本、服務(wù)量、利潤(rùn)等變量之間的關(guān)系，為財(cái)務(wù)預(yù)測(cè)或決策提供財(cái)務(wù)信息咨詢(xún)的一種分析方法［2］。其計(jì)算公式為：

(3)特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)主要利用已有井口裝置針閥和生產(chǎn)閘閥同步安裝，通過(guò)上位系統(tǒng)下發(fā)控制指令，控制邏輯和人工操作模式保持一致。該方案主要優(yōu)勢(shì)是改造工作量不大、安裝便捷、經(jīng)濟(jì)適用，不涉及動(dòng)火、設(shè)備打開(kāi)等高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，不需要停氣；新設(shè)備不與含硫天然氣接觸，安全可靠。

(4)效果。在Y井投用80天后，相較未投用時(shí)氣井開(kāi)井次數(shù)增加12次，產(chǎn)氣量增加21.59%；在X井投用60天后，相較未投用時(shí)氣井產(chǎn)氣量增加18.1%。該裝置的投用，成功改變了原有人工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)井的現(xiàn)狀，節(jié)約人力資源，氣井生產(chǎn)制度執(zhí)行更精準(zhǔn)；實(shí)現(xiàn)了人工開(kāi)關(guān)井向智能開(kāi)關(guān)井轉(zhuǎn)型升級(jí)，氣井生產(chǎn)制度實(shí)時(shí)調(diào)整更加合理，延長(zhǎng)氣井采氣時(shí)率，更有利于氣井產(chǎn)能發(fā)揮。

3.2 智能泡排

在試驗(yàn)1井投用48天，相較未投用時(shí)氣井日產(chǎn)氣上漲0.12萬(wàn)m3，上漲4.05%，日產(chǎn)水上漲了6.12 m3，上漲40.83%；在試驗(yàn)2井投用56天，產(chǎn)氣產(chǎn)水與試驗(yàn)前持平，泡排日加注量從11.13 kg下降至6.34 kg，節(jié)約4.79 kg/d，下降43.03%。

綜合效果而言，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷，泡排生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能化，一方面實(shí)現(xiàn)泡排科學(xué)加注，提高氣井產(chǎn)能，另一方面還實(shí)現(xiàn)泡排精準(zhǔn)加注，提高藥劑使用效率。

3.3 智能電子巡檢

(1)實(shí)現(xiàn)方式。通過(guò)合理的布置在現(xiàn)場(chǎng)的視頻攝像機(jī)，由現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為控制中樞，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高效的智能電子巡檢系統(tǒng)。

(2)原理。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，巡檢中有超過(guò)90%的巡檢記錄都是正常的，真正需要人工仔細(xì)判讀的一般不超過(guò)10%。因此可以引入智能化識(shí)別，通過(guò)自動(dòng)數(shù)據(jù)比對(duì)(物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、SCADA數(shù)據(jù)和圖像識(shí)別數(shù)據(jù))、計(jì)算機(jī)視覺(jué)(computer vision)(閥位、放空火炬等自動(dòng)識(shí)別)、機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning)(數(shù)據(jù)是否產(chǎn)生偏離)等手段自動(dòng)標(biāo)記巡檢記錄(智能標(biāo)記的結(jié)果分為：正常、異常和不能識(shí)別三類(lèi))，優(yōu)先要求人工審核異常或者不能識(shí)別的巡檢記錄，同時(shí)保留人工對(duì)所有巡檢記錄審核的權(quán)限。

(3)特點(diǎn)。巡檢速度快：對(duì)于一個(gè)典型復(fù)雜場(chǎng)站(中心站、門(mén)站)現(xiàn)場(chǎng)布置高清攝像頭8～10個(gè)，單次巡檢時(shí)間可以控制在5分鐘之內(nèi)完成；巡檢覆蓋率高：通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)的合理布置和調(diào)節(jié)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的全面覆蓋；穩(wěn)定性高：采用本地安裝的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為核心控制，網(wǎng)關(guān)采用LINUX嵌入式平臺(tái)，穩(wěn)定性高(連續(xù)運(yùn)行90天無(wú)需重啟)、功耗小(3～15W)。即使在通信中斷的情況下也可以維持正常運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行基本不受天氣、溫度等外界條件的影響。

(4)效果。自動(dòng)生成巡檢記錄，完全無(wú)人值守運(yùn)行，人員只需要在空閑時(shí)候?qū)ρ矙z結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了巡檢的質(zhì)量和效果，人工巡檢由1周1次延長(zhǎng)到2周1次；實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)，為報(bào)警記錄提供了對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)照片記錄，提升了故障判斷、分析的準(zhǔn)確性；穩(wěn)定性好，連續(xù)6個(gè)月正常運(yùn)行。

3.4 智能甲烷檢測(cè)

(1)實(shí)現(xiàn)方式。部署激光甲烷檢測(cè)儀，結(jié)合站場(chǎng)設(shè)備分布進(jìn)行布置優(yōu)化，提高站場(chǎng)甲烷泄漏檢測(cè)能力。

(2)原理。設(shè)備工作時(shí)，對(duì)外發(fā)射特定波長(zhǎng)范圍的探測(cè)激光，該探測(cè)激光遇到反射物后發(fā)生漫反射，部分激光返回到儀器的探測(cè)單元。在光束路徑內(nèi)，如果有被測(cè)氣體泄漏形成的氣團(tuán)，該氣團(tuán)將對(duì)探測(cè)激光產(chǎn)生吸收，未被吸收的光量與被吸收光量的比值與氣團(tuán)的濃度成函數(shù)比例關(guān)系，通過(guò)計(jì)算該比值反推出氣團(tuán)的濃度。

(3)特點(diǎn)。針對(duì)天然氣生產(chǎn)場(chǎng)站，在其區(qū)域內(nèi)安裝固定掃描式激光甲烷檢測(cè)儀，利用云臺(tái)可以進(jìn)行水平及垂直方向旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，形成一個(gè)扇形掃描區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域范圍內(nèi)甲烷泄漏的高精度檢測(cè)，及時(shí)測(cè)出一般和輕微泄漏點(diǎn)，將實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)傳送到智能分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)天然氣泄漏的 24小時(shí)實(shí)時(shí)主動(dòng)式在線(xiàn)檢測(cè)、泄漏報(bào)警的精確定位。

(4)效果。在某站工藝區(qū)安裝云臺(tái)式激光甲烷檢測(cè)儀1臺(tái)(立桿式，高度3 m)，用于檢測(cè)室外分離器區(qū)、燃料氣區(qū)天然氣泄漏情況；在廠房?jī)?nèi)安裝了2臺(tái)云臺(tái)式激光甲烷檢測(cè)儀(立桿式與壁掛式，高度分別為3 m與3.5 m)，用于檢測(cè)9臺(tái)增壓機(jī)組天然氣泄漏情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，僅部署當(dāng)天在增壓廠房?jī)?nèi)即查找到漏點(diǎn)16處，站外工藝區(qū)漏點(diǎn)5處。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，激光甲烷檢測(cè)儀具備以下效果：檢測(cè)范圍廣，檢測(cè)范圍達(dá)半徑50 m(激光探頭為中心)，可以24小時(shí)不間斷進(jìn)行檢測(cè)；具有較好的靈敏度，靈敏度達(dá)10×10-6·m，能夠檢測(cè)一般泄漏和微小泄漏；對(duì)噪聲、粉塵和雨霧等天氣影響具有較好的抗干擾能力。

3.5 智能點(diǎn)火

(1)實(shí)現(xiàn)方式。設(shè)計(jì)發(fā)明了一種升降式點(diǎn)火裝置，實(shí)現(xiàn)放空智能點(diǎn)火，并降低了放空點(diǎn)火系統(tǒng)腐蝕損壞后的更換維修作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，盡可能的降低維護(hù)費(fèi)用，及檢修的風(fēng)險(xiǎn)，解決引火燃燒器出現(xiàn)的配氣堵塞等問(wèn)題。

(2)原理。自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)由流量開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、引火燃燒器、高空點(diǎn)火裝置、點(diǎn)火嘴、點(diǎn)火高壓線(xiàn)、火焰監(jiān)測(cè)器和自動(dòng)點(diǎn)火PLC控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)點(diǎn)火流程示意圖

(3)特點(diǎn)。相比于常見(jiàn)點(diǎn)火裝置，升降式點(diǎn)火裝置以電動(dòng)升降式點(diǎn)火槍進(jìn)行自動(dòng)點(diǎn)火，在點(diǎn)火成功以后自動(dòng)回縮到指定安全位置，從而提高了使用壽命，并且使其安裝維護(hù)方便；防堵塞式引火燃燒器能有效避免堵塞問(wèn)題；具有安全性高、監(jiān)控可靠、體積小、操作簡(jiǎn)單、點(diǎn)火效率高、壽命長(zhǎng)、實(shí)用性好等特點(diǎn)。

(4)效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)140余次，結(jié)果表明，升降式放空火炬即使在大雨、大風(fēng)等惡劣環(huán)境下點(diǎn)火穩(wěn)定性仍然較好，點(diǎn)火可靠，感應(yīng)靈敏。

4 結(jié)語(yǔ)

老氣田無(wú)人值守站技術(shù)優(yōu)化應(yīng)用與探索應(yīng)堅(jiān)持需求導(dǎo)向和問(wèn)題導(dǎo)向，優(yōu)選穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)、便捷的技術(shù)方案，以便快速部署形成規(guī)模效應(yīng)。

智能采氣、智能泡排、智能電子巡檢、智能甲烷檢測(cè)儀、智能點(diǎn)火等技術(shù)的探索運(yùn)用，圍繞無(wú)人值守站生產(chǎn)與安全兩大核心基本形成了閉環(huán)，為老氣田高效開(kāi)發(fā)與安全運(yùn)行提供了新的思路。