間開(kāi)氣井智能化管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

古純勇 ，熊婉曦，李志寬，楊立，李靜

（中國(guó)石油西南油氣田分公司川中油氣礦，四川遂寧629000）

目前川中油氣礦共有間開(kāi)氣井61口，其中含硫氣井9口、非含硫氣井52口，月產(chǎn)氣量655萬(wàn)方。間開(kāi)氣井主要存在以下幾個(gè)方面的不適應(yīng)性：①存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)：“點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣”，員工往返開(kāi)關(guān)井存在交通及現(xiàn)場(chǎng)操作安全風(fēng)險(xiǎn)；②人工成本高，綜合效益低：61口間開(kāi)氣井，平均日耗時(shí)間58小時(shí)，參與開(kāi)、關(guān)井人數(shù)28人，日均占用工作時(shí)間的五分之一；③生產(chǎn)制度不合理：每口井開(kāi)井生產(chǎn)時(shí)間及恢復(fù)壓力等各不相同，人工開(kāi)關(guān)井無(wú)法滿足及時(shí)操作，導(dǎo)致了間開(kāi)井產(chǎn)能得不到充分發(fā)揮；④氣井生產(chǎn)變化不能及時(shí)調(diào)整：依賴人工操作，氣井的工況變化基本靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化調(diào)整生產(chǎn)[1]-[2]。

因此，通過(guò)工藝信息化升級(jí)改造，開(kāi)展間開(kāi)氣井智能管理系統(tǒng)技術(shù)研究，對(duì)于降低員工工作強(qiáng)度和管理難度、節(jié)省生產(chǎn)運(yùn)行成本、增加氣井產(chǎn)量具有重要意義。

1 智能化管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

將生產(chǎn)數(shù)據(jù)接入開(kāi)發(fā)的智能管理系統(tǒng)，在系統(tǒng)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，通過(guò)邏輯算法遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)井，實(shí)現(xiàn)間開(kāi)井的提質(zhì)增效。智能間開(kāi)控制技術(shù)總體架構(gòu)分為感知層、物聯(lián)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層四個(gè)層級(jí)（圖1）。

圖1 總體架構(gòu)圖

（1）感知層：主要是通過(guò)儀器儀表采集和識(shí)別油壓、套壓、輸壓、生產(chǎn)流速、氣體泄漏等參數(shù)。

（2）物聯(lián)層：主要是將采集的參數(shù)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

（3）數(shù)據(jù)層：主要是將參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并按照算法對(duì)數(shù)據(jù)集中處理。

（4）應(yīng)用層：主要是將通過(guò)算法后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用，與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合，達(dá)到應(yīng)用要求。

智能化管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）多參數(shù)采集器對(duì)各項(xiàng)參數(shù)如油壓、套壓、輸壓、產(chǎn)氣量等實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺仄?，再由主控器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理系統(tǒng)；

（2）主控器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)初步分析、上傳以及與云服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互，獲得該氣井的生產(chǎn)狀況并根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整開(kāi)度，執(zhí)行相應(yīng)指令。

（3）遠(yuǎn)端智能管理軟件分析產(chǎn)地?cái)?shù)據(jù)，調(diào)整氣井運(yùn)行模式，異常報(bào)警并記錄，控制參數(shù)設(shè)置，繪制氣井油套壓、產(chǎn)氣、產(chǎn)水、生流速的歷史曲線。

2 智能控制閥

通過(guò)對(duì)比智能流量調(diào)節(jié)器、氣動(dòng)薄膜閥、電動(dòng)針閥三種控制閥的參數(shù)和功能（表1）。智能流量調(diào)節(jié)器集成了井口油套輸壓、井口流速、可燃?xì)怏w泄漏監(jiān)測(cè)等傳感器，可實(shí)現(xiàn)千分度的調(diào)節(jié)精度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，擁有部分基礎(chǔ)控制模式，并支持二次開(kāi)發(fā)，能滿足智能間開(kāi)技術(shù)的感知、計(jì)算、決策、執(zhí)行要求。

智能流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)（圖2）：主要由驅(qū)動(dòng)模塊、流量調(diào)節(jié)模塊、閥座三大部分構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)模塊主要提供流量調(diào)節(jié)動(dòng)力；流量調(diào)節(jié)模塊主要實(shí)現(xiàn)流體通道面積改變，通過(guò)改變流體通過(guò)面積的大小來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整流量；閥座主要用于設(shè)備安裝。

圖2 智能流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

智能流量調(diào)節(jié)器工作原理：當(dāng)智能流量調(diào)節(jié)器接收到調(diào)大開(kāi)度指令后，驅(qū)動(dòng)模塊中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥桿上移，隨著閥桿上移，流道通流面積增加，智能流量調(diào)節(jié)器開(kāi)度調(diào)大；反之，智能流量調(diào)節(jié)器開(kāi)度調(diào)小。

3 智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物聯(lián)方案

設(shè)備傳感器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接云平臺(tái)，壓力傳感器用于測(cè)量油壓、套壓、輸壓；溫度、濕度傳感器測(cè)量氣井環(huán)境參數(shù)；氣體傳感器測(cè)量氣井的甲烷含量以及其他氣體；磁傳感器用于測(cè)量產(chǎn)氣量，根據(jù)其輸出信號(hào)計(jì)算氣井的產(chǎn)氣量。各傳感器與調(diào)節(jié)閥以及主控之間通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)，并可以將數(shù)據(jù)下載到設(shè)備的控制器中。當(dāng)主控收到數(shù)據(jù)或者請(qǐng)求，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通訊，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)連接云平臺(tái)[3]，示意圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)方案示意圖

3.2 智能流量調(diào)節(jié)器硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)調(diào)節(jié)閥的要求，在硬件電路設(shè)計(jì)中，選用STM32F407芯片作為控制器展開(kāi)電路設(shè)計(jì)，其總體框架如圖4所示。電源模塊增加了防反接、防雷擊、防靜電的功能，時(shí)鐘模塊為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)能控制時(shí)鐘電路產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)。ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器將傳感器采集的輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中。電機(jī)帶動(dòng)閥門進(jìn)行開(kāi)、關(guān)井動(dòng)作以及開(kāi)度調(diào)節(jié)。核心控制器采用STM32系列的STM32407單片機(jī)[4]，可以采用C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言等指令進(jìn)行控制，具有32位計(jì)算精度，計(jì)算能力更強(qiáng)、計(jì)算速度更快。下位機(jī)通訊模塊采用RS485差分傳輸，傳輸速率較高且支持多點(diǎn)通信，最多允許連接128個(gè)收發(fā)器。

圖4 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

3.3 智能開(kāi)關(guān)運(yùn)行模式

根據(jù)氣井調(diào)研情況，研究制定了智能時(shí)間開(kāi)關(guān)模式、智能多開(kāi)度模式、智能定壓調(diào)節(jié)模式、智能臨界攜液流速控制模式等四種運(yùn)行模式。在不同的氣井生產(chǎn)狀況下會(huì)自動(dòng)匹配最為合適的運(yùn)行模式，其目的也是將氣井產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)最大發(fā)揮[5]。

（1）智能時(shí)間開(kāi)關(guān)模式（圖5）：系統(tǒng)通過(guò)輸入續(xù)流生產(chǎn)時(shí)長(zhǎng)、關(guān)井復(fù)壓時(shí)長(zhǎng)、執(zhí)行等待時(shí)長(zhǎng)三個(gè)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)井循環(huán)；

圖5 智能時(shí)間開(kāi)關(guān)模式

（2）智能多開(kāi)度模式（圖6）：系統(tǒng)最多可設(shè)置6個(gè)開(kāi)度梯度，開(kāi)度由低到高調(diào)整調(diào)節(jié)器；

圖6 智能多開(kāi)度模式

（3）智能定壓調(diào)節(jié)模式（圖7）：以井口油壓與輸壓關(guān)系為條件，調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)整保證井口油壓在設(shè)置的范圍內(nèi)；

圖7 智能定壓調(diào)節(jié)模式

（4）智能臨界攜液流速控制模式（圖8）：以氣井流速高于臨界攜液流速為條件，調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)整保證氣井流速在設(shè)置的范圍內(nèi)。

圖8 智能臨界攜液流速控制模式

3.4 軟件平臺(tái)

智能間開(kāi)管理系統(tǒng)主要由生產(chǎn)情況總覽、生產(chǎn)狀態(tài)、數(shù)據(jù)查詢、生產(chǎn)日?qǐng)?bào)、遠(yuǎn)程控制五大部分組成，實(shí)現(xiàn)氣井生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢，自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，氣井遠(yuǎn)程控制等功能，實(shí)現(xiàn)間開(kāi)井生產(chǎn)過(guò)程智能化、精細(xì)化管理，減少老井生產(chǎn)成本。

（1）總覽：主要顯示總井?dāng)?shù)、開(kāi)井?dāng)?shù)、關(guān)井?dāng)?shù)、異常井?dāng)?shù)、總產(chǎn)量、日產(chǎn)量、異常報(bào)警記錄、各井開(kāi)關(guān)井時(shí)間等數(shù)據(jù)

（2）生產(chǎn)狀態(tài)：主要顯示單井實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)推移、閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)、調(diào)節(jié)器開(kāi)度顯示、單井開(kāi)關(guān)井運(yùn)行模式以及單井相關(guān)資料；

（3）數(shù)據(jù)查詢：主要顯示開(kāi)關(guān)井記錄、關(guān)鍵參數(shù)、生成油套壓、生產(chǎn)流速、產(chǎn)水、產(chǎn)氣等歷史曲線圖；

（4）生產(chǎn)日?qǐng)?bào)：自動(dòng)生成日數(shù)據(jù)、單井日數(shù)據(jù)曲線圖及當(dāng)天操作記錄；

（5）遠(yuǎn)程控制：顯示當(dāng)前運(yùn)行模式，可對(duì)運(yùn)行模式參數(shù)進(jìn)行調(diào)整及設(shè)置新的運(yùn)行模式。

4 應(yīng)用效果

目前智能化管理系統(tǒng)已在在XX作業(yè)區(qū)實(shí)施應(yīng)用，共安裝了5口井，最直接的改變是由原來(lái)現(xiàn)場(chǎng)操作變?yōu)檫h(yuǎn)程操作，大大的降低了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)智能化管理系統(tǒng)建立了智能開(kāi)關(guān)井制度，相比原來(lái)人工開(kāi)關(guān)制度，解決了生產(chǎn)調(diào)節(jié)受限于時(shí)間地點(diǎn)等問(wèn)題，以小時(shí)為單位進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大增長(zhǎng)了氣井的生產(chǎn)時(shí)間，也能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣井的生產(chǎn)狀態(tài)。

通過(guò)實(shí)施智能化管理系統(tǒng)前后對(duì)比，較原來(lái)可調(diào)減操作人員1人，年節(jié)約生產(chǎn)成本14萬(wàn)元，生產(chǎn)制度優(yōu)化后5口井月產(chǎn)氣量增加28.48萬(wàn)方，單井提產(chǎn)31%-104%，預(yù)計(jì)年增加收益480萬(wàn)元。

表2 人工開(kāi)關(guān)與智能開(kāi)關(guān)制度對(duì)比表

5 結(jié)論

間開(kāi)氣井智能化管理系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了技術(shù)和理論是適應(yīng)間開(kāi)氣井生產(chǎn)實(shí)際的。通過(guò)五種智能控制模式精細(xì)的刻畫(huà)了所有間開(kāi)井的生產(chǎn)特征，通過(guò)遠(yuǎn)程控制，減少了人工開(kāi)、關(guān)井，單口井節(jié)約工時(shí)1小時(shí)/天，通過(guò)生產(chǎn)制度優(yōu)化，提高了氣井產(chǎn)量，單井提產(chǎn)31%-104%，為間開(kāi)氣井無(wú)人值守管理奠定了信息化基礎(chǔ)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。