氣田單井無線監控技術的優化

宋漢華，茹志娟，李彥彬，盧文偉，高仕舉

(長慶油田蘇里格氣田研究中心 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018)

為把蘇里格氣田建設成為“科技、綠色、和諧”的現代化大氣田，長慶油田分公司在蘇里格氣田推行數字化管理，實現了現場生產數據自動采集、氣田開發方案自動生成、生產運行自動控制等功能。其中單井無線監控技術實現了對氣田單井生產實時監視和控制，是氣田數字化管理的基礎技術和關鍵技術，其技術水平的高低將直接關系到該氣田數字化管理程度的高低。長慶油田從2006年蘇里格氣田規模化開發的初期已經開始單井無線監控技術的研究和試驗，經過近7年的研究和應用，單井無線監控技術不斷完善和優化，目前該技術基本能實現單井生產數據實時監測、單井井場視頻實時監視、單井遠程緊急截斷等功能。

1 單井無線監控技術的基本原理

單井無線監控技術的基本原理： 集成國內外先進的自動化、通信、儀表、閥門等技術，由安裝在井口各相應部位的智能儀表采集井口壓力、溫度、流量、井口電磁閥(或緊急截斷閥)開關狀態、井場視頻、畫面等信息，通過無線通信技術傳輸至集氣站[1-2]。單井遠程無線監控系統如圖1所示。單井無線監控井口系統通過太陽能供電系統提供電源，太陽能供電系統包括有太陽能電池和蓄電池，晴天由太陽能電池給井口系統供電，陰雨天則由蓄電池供電。

該技術不僅能及時自動地錄取氣井生產數據，實時監控氣井生產狀態，而且實現了氣井異常自動報警、遠程控制開關井等功能，有效解決了緊急狀態下規模關井的問題，從而實現了氣井生產全過程自動化管理的功能。

圖1 單井遠程無線監控系統示意

2 單井無線監控系統的優化

2006年初該氣田搭建了基本的井口數據遠程無線傳輸系統，實現了井口數據的自動采集。隨著不斷的試驗、應用、評價和改進，單井無線監控在傳輸方式、數據采集類型、儀器儀表等方面得到了進一步拓寬和優化。

2.1 無線傳輸方式的選擇和拓寬

無線通信技術經歷了數傳電臺—無線網橋—McWiLL寬帶無線技術試驗。數傳電臺采用9600bit/s高速電臺，是目前該氣田的主力傳輸方式，主要以傳輸井場靜態圖片為主；無線網橋可以快速傳輸井場動態視頻；McWiLL寬帶無線技術則可以實現數據、視頻、語音業務同時傳輸。

2.1.1數傳電臺

試驗初期單井無線監控系統只是用來采集和傳輸井口油套壓和流量計數據，從低成本開發考慮，采用2400bit/s低速電臺。在試驗和應用的過程中，為了實現對氣井生產動態有效監控，開展了電子巡井系統試驗，通過在井口安裝攝像頭定時拍照達到動態監控井場的目的，其信息采集和傳輸并入單井無線監控的數據采集通道。試驗結果顯示電臺傳輸速率為2400bit/s時，傳輸像素為320×240的照片(17K)需70s；傳輸速率為9600bit/s時， 傳輸像素為352×288的照片(195K)只需13s，顯然低速電臺不能滿足需求。因此，單井全部改裝9600bit/s高速電臺。

目前，數傳電臺依舊是該氣田的主力無線傳輸方式，截至2013年底，蘇里格已經在單井上安裝數傳電臺5000臺左右。

2.1.2無線網橋

由于通過井口定時拍照監視井場滿足不了自動巡井的要求，因而提出了井口連續攝像動態監測井場的要求。目前廣泛使用的數傳電臺只適合窄帶數據傳送，滿足不了井口連續攝像帶寬、速率等要求，該氣田從2008年開始引入新的傳輸技術——無線網橋遠程傳輸。其原理是將井區劃分為幾個區塊，分別用wifi基站將井口數據采集，通過5.8GHz主干網橋將數據傳輸到集氣站，這樣既能避免信道間干擾，又能增強無線網絡的穩定性。其技術原理如圖2所示。截至2013年底，該氣田已經在350余口井安裝無線網橋，系統應用較為穩定。

圖2 無線網橋遠程傳輸拓撲結構示意

2.1.3McWiLL寬帶

雖然無線網橋通信技術實現了實時數據采集和視頻監控，但亦受地形和天氣的影響，主干節點出現故障后，會使其他節點大面積失效。因此，為了搭建適合蘇里格氣田環境下使用的通信網絡，滿足數據、視頻、語音業務的同時傳輸，該氣田于2009年引入了McWiLL寬帶無線技術。

McWiLL通信技術[3-4]具有覆蓋距離遠、系統功能強大、頻譜利用率高、發射功率低等特點。在該氣田采用McWiLL寬帶無線技術組建了1個無線通信網絡，形成了1個寬帶無線多媒體集群系統，該系統可以覆蓋油田生產現場所在區域，為區域內的生產井提供足夠的帶寬，在該范圍內安裝低功耗終端即可實現與中控室的通信。系統結構如圖3所示。

2009年初，選擇某區塊超短波信號覆蓋比較弱的2座集氣站所轄氣井區域為通信網絡初期覆蓋區域，建立2個McWiLL寬帶無線技術基站進行試驗。通過仿真模擬，該區域范圍內的大部分井場的無線信號均能達到數據傳輸要求。進一步進行語音通話測試、數據傳輸測試、視頻監控測試，均達到了試驗預定要求。截至2013年底，已經在該氣田某2個區塊共建立了5座McWiLL寬帶無線技術基站，累計接入476口單井，完成了476口單井在線數據采集，133口井井場視頻連續傳輸，并開通了40余部McWiLL移動電話。

圖3 McWiLL技術系統結構示意

2.2 儀器儀表優化

試驗初期采用簡單的壓力傳感器取代油壓表和套壓表，但進行開井啟動等作業時不能觀察到井口壓力，給工作帶來不便。因此，后續試驗中推廣采用壓力變送顯示表，可以直接在井口讀出油壓和套壓數據。

試驗初期井口采用簡易流量計，僅可顯示工況的瞬時流量。在試驗的過程中，通過篩選，選用旋進旋渦流量計對單井氣量進行連續帶液計量，可以實現瞬時流量、累計流量及相應的溫度和壓力數據的自動采集與傳輸，并可根據運行壓力、溫度，將工況流量換算為標況流量。

2.3 遠程控制技術的實現及升級

2007年提出了研制遠程控制開關井裝置的要求，在氣井高壓生產階段時發揮安全保護、緊急截斷和正常關井的作用，在中、低壓階段按氣藏管理要求實現遠程開關井。目前該氣田應用比較成功的遠程控制開關井裝置是遠控緊急截斷閥和電磁閥[5]。

2.3.1遠控緊急截斷閥

遠控緊急截斷閥經歷了三個發展階段，通常稱為Ⅰ代閥、Ⅱ代閥、Ⅲ代閥，其結構圖[6]不再贅述。

雙控點緊急截斷閥即為Ⅰ代閥，它是完全由機械動作實現的快速關閉型的機械式安全截斷裝置。

Ⅱ代閥也稱為氣動遠控緊急截斷閥，它保留了Ⅰ代閥的原有機械式自動切斷功能，新增了可遠控啟閉閥門的功能，所配用的開關機構為壓力/遠控氣動開關。

Ⅲ代閥也稱為遠程控制緊急截斷閥，它在保留了Ⅱ代閥的相關功能的同時，將所配用的開關機構由氣動升級為電動。其最凸出的技術特征是以小功率拖動直通道閥門的啟、閉操作；直通道閥門保證了介質流態的穩定性，將無伴熱(加熱)天然氣流經緊急截斷閥時產生冰堵的可能性降至最低。

2.3.2電磁閥

氣井井口電磁閥是一種機械式自保持型電磁閥，它改變了常規電磁閥依靠強交流電制動的思路，利用井場太陽能電池板直流供電，瞬時通電開關，實現了弱電強動作[7]。

氣井井口電磁閥也經歷了三個發展階段，Ⅱ代閥相對于Ⅰ代閥，增加了密封接觸臺的高度，防止雜物沉積導致關閉不嚴；同時閥心增加過濾網，使雜質不易進入泄壓孔，防止泄壓太慢造成關閉不及時。

Ⅲ代電磁閥主要針對冬季老式電磁閥冰凍時不能正常開關而設計的。該閥在保留老式電磁閥的超/欠壓自我保護功能、遠程控制開關功能的基礎上，增加了機械強制提升主閥芯機構、機械開啟副閥芯電磁頭、機械關閉副閥芯電磁頭三大機構，前兩個機構是為手動開啟電磁閥設計的，第三個機構是為手動關閉電磁閥設計的。利用該機械機構，電磁閥在冰凍情況下可恢復正常工作。

3 應用效果

該氣田單井無線監控技術從單一采集井口儀表數據到無線采集傳輸井口照片，再到動態實時傳輸井口視頻，更能適應氣田數字化管理的要求，真正意義上實現了電子巡井。同時遠程控制開關井技術的實現和升級，促進了該氣田的管理轉型，在提高管理水平、精簡組織機構、提升工作效率、降低操作成本、保護草原環境等方面起到了顯著效果。

1) 提高了生產管理效率。現場生產管理由傳統的人工巡檢轉換為電子自動巡井。實施數字化管理后每5min電子巡井一次，頻率是以前人工巡井的800多倍，管理效率、工作效率大幅提高。

2) 有效控制了用工總量。電子巡井的應用，使生產前端用工減少30%。當氣田年產量達2×1010m3，實施數字化后人員可控制在2000人，用工減少了2081人，每年可節約成本約1.7億元以上。

3) 管理成本大幅下降。經過計算，數字化管理后單井成本費用較數字化前降低了2570元/a。

4) 加強了環境保護。從保護草原環境方面看，由于巡井以及人工開關井頻率大幅減少，有效避免了對草原植被的破壞，促進了“科技、綠色、和諧”現代化氣田建設。

參考文獻：

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