煤層氣田遠控智能排采系統的開發(fā)與應用

才浩楠 劉湃 劉貴強 王麗玲 劉巨光 李清碧

1華北油田分公司工程技術研究院

2中國石油渤海鉆探定向井技術服務分公司

山西煤層氣馬必東4×108m3區(qū)塊建設作為中國石油集團公司的重點項目，是世界上第一個平均井深超過1 300 m的整裝煤層氣田，第一個以叢式井組為主體的煤層氣開發(fā)區(qū)塊，第一個實行全自動監(jiān)控無人值守的現代化煤層氣生產示范基地，因此高質量、高穩(wěn)定、高實時的自動化建設，成為該項目的首要任務[1]。煤層氣開采是一個排水、降壓的過程，其開采核心是井底流壓、解吸壓力、地層壓力相互契合與匹配。針對山西煤層氣低壓、低滲、低飽和、非均質性強的特征，在開采過程中經常會出現“套壓變化劇烈、氣量波動大、衰減快、排采不連續(xù)”等問題[2]，影響排采效果。經過現場分析，建立了以井底流壓為主、套壓為輔的智能排采控制流程[3]，根據單井的地質特征和所處的排采階段制定相應的方案，及時調整排查控制參數，穩(wěn)定動液面及氣水的產出量，但由于馬必東4×108m3項目中的單井往往建設在山間或山腰處，現場人工調節(jié)智能排采參數不及時、不便捷[4]，所以建立自動化智能排采系統具有很大的建設與推廣前景。

1 組態(tài)軟件設計思想

組態(tài)軟件是用戶根據應用對象及控制任務的要求，以“搭積木式[5]”的方式靈活配置、組合各功能模塊，構成用戶應用軟件，具有以下特點：

（1）自動控制過程的可視化[6]，在監(jiān)控機的屏幕上用動畫和圖表的形式實時顯示系統的工作流程和狀態(tài)，使控制過程可視化。

（2）過程的監(jiān)控報警，對過程的監(jiān)測參數和變化趨勢進行跟蹤監(jiān)測，到達極限值時報警。

（3）實時采集工業(yè)現場數據，并對數據進行處理。

（4）安全機制，不同級別的用戶有不同的操作權限。

根據以上組態(tài)軟件的特點，研發(fā)了一套適用于煤層氣開采的自動化智能排采組態(tài)系統[7]，由于智能排采需要調節(jié)的參數主要是井底流壓，現場往往通過調節(jié)變頻器的頻率來控制井底流壓與降液速率。單井通過PLC（可編程邏輯控制器）進行參數調節(jié)，PLC 則通過光纜和GPRS（通用分組無線服務技術）的傳輸方式與中控室上位機進行通信，可以實現高質量、高穩(wěn)定、高實時的監(jiān)測與控制，自動智能排采設計原理如圖1所示。

圖1 自動化智能排采設計原理Fig.1 Design principle of automatic intelligent drainage

2 遠控智能排采組態(tài)系統

遠控智能排采組態(tài)軟件的功能不僅僅只局限于排采參數的調節(jié)[8]，在構建整個通信自動化網絡時，往往還伴隨著生產參數的采集、監(jiān)控、報警、存儲和分析等功能，所以從煤層氣現場工藝、勞動強度、實時高效、自動建設四個方面考慮，組態(tài)軟件功能設計如圖2所示。

圖2 組態(tài)設計總體框架Fig.2 Overall framework of configuration design

2.1 智能排采調節(jié)子系統

由于此次單井多為投產初期的新井，根據現場排采經驗技術分析，氣井內井筒壓力與井筒外地層壓力持平，開始排采時，井筒內壓力迅速下降，周圍地層壓力也持續(xù)下降，壓力下降速率隨著距井筒距離的增大而減小[9]。當地層壓力下降到解吸壓力以下時，開始解吸產氣，形成氣與水的兩相流狀態(tài)。現場人員往往通過變速排采、調整壓降幅度，實現產水效率最大化，同時，通過采取低恒套壓控制方式，減少氣相對水相的影響，保持水力穩(wěn)定，實現壓降范圍的持續(xù)擴展，井筒壓降分布如圖3所示。根據單井的井底流壓，通過計算變頻器運行頻率調節(jié)井底流壓目標值，智能排采的效果顯著，保證了產水量的穩(wěn)定，減少了氣相對水相的影響，應用此系統之前煤層氣采用人工經驗和現場調節(jié)的方式，由于單井大多數坐落在山間或山腰處，交通不便，往往會造成調節(jié)的滯后性。

圖3 井筒壓降分布Fig.3 Distribution of wellbore pressure drop

根據組態(tài)軟件的特性與現場的實際情況[10]，通過中控室監(jiān)控機控制現場PLC，直接下達變頻器頻率調節(jié)，從而間接改變單井的井底流壓以保證產水量問題?，F場管道安裝V型控制球閥，可以通過調節(jié)球閥的開度進而控制單井實際產出氣，同時，為了防止監(jiān)控員工誤操作或與現場人工調控發(fā)生沖突，增設遠程自動手動開關保證單一調節(jié)，實現了煤層氣生產的穩(wěn)產性、高效性、便捷性。

2.2 生產參數采集子系統

根據現場工藝需要，設計沖速、沖程、井底流壓、管壓、套壓等10 多個采集參數，現場從PLC控制柜對單井的數據進行采集，通過各個參數之間的變化，遠程判斷現場單井工況；通過實時監(jiān)控井底流壓與套壓之間的數值關系，實現遠程智能排采穩(wěn)定生產；通過沖速、變頻器電流、變頻器頻率、井底流壓四個參數判斷單井運行狀態(tài)，根據停井原因的不同，顯示不同的呈現形式（停電停井、作業(yè)停井、異常故障停井），不僅能夠實時、穩(wěn)定、連續(xù)地監(jiān)控單井的運行狀態(tài)，還能智能地分析停井原因，分析故障情況。距離遠的單井、叢式井組通過GPRS 專用網絡進行數據的傳輸，距離近的則通過光纜進行傳輸，能夠實現數據的穩(wěn)定傳輸，在監(jiān)控機處可以直觀地監(jiān)控生產參數的變化。

生產參數采集子系統取代了人工現場采集數據的傳統模型，建立了新型的“無人值守+中心控制”的生產管理新模型，采集的數據存儲至總控平臺，實現了“工區(qū)—采油廠—公司”三級瀏覽。

2.3 實時數據報警子系統

井底流壓、套壓、管壓、瞬時流量等作為實際生產的重要安全參數，任一參數的大幅度變化都有可能會造成生產事故，所以實時監(jiān)測每個生產參數的變化是巡井人員或中控室監(jiān)控人員的重點工作。但有時現場單井多、發(fā)現不及時，容易造成安全生產事故，本次組態(tài)系統增設參數偏值報警功能，現場人員根據單井排采規(guī)律與井下工況來判斷參數報警的上下限，通過字體閃爍或者聲音報警來提示中控室人員生產參數偏值，調度室可以指揮巡警人員現場查詢故障或者上位機調節(jié)變頻器頻率來解決問題。

2.4 遠程啟停單井子系統

由于煤層氣排采井屬于排采初期，井場建設與排采階段還處于不穩(wěn)定時期，井場存在大面積停電或現場工況需要停井，遠程啟停井代替了人工現場啟停井，很大程度上減小了人工勞動強度。采用儀表設備就地閉環(huán)控制方式，將采集到的沖速數據與變頻器電流數據作為判斷當前井狀態(tài)的條件，當兩者有一個為零時，則判斷該井為停井。通過建立離散模擬量，控制現場PLC，對單井發(fā)送啟井與停井命令。與傳統的監(jiān)控控制啟停井的組態(tài)軟件相比，本次組態(tài)軟件增添了權限安全機制與視頻實時監(jiān)控啟停功能。

為了防止監(jiān)控人員誤操作，將該系統分成二級權限，現場監(jiān)控人員只能對單井的生產參數進行監(jiān)控；專業(yè)技術人員可以根據參數監(jiān)控反饋調節(jié)單井變頻器，從而控制單井井底流壓達到安全穩(wěn)定生產要求，同時也能實現遠程啟停單井。井場實時通過光纖接入監(jiān)控機，可以實時反饋啟停井結果視頻。

3 結論

遠控智能排采系統于2019年4月正式投入并運行于山西煤層氣，實現了“遠程智能排采、實時監(jiān)控生產參數、數據偏值報警、遠程啟停井”的功能，以及“無人值守+中心控制”的管理模式。以監(jiān)控中心監(jiān)控調節(jié)單井正常生產，對單井全生命周期進行全方位控制、智能化管理，不斷優(yōu)化智慧油田自動化技術，實現高質量、高效益的排采，提高了氣田整體效益與綜合競爭力。

遠控智能排采系統的應用，實現了單井持續(xù)開采、產水量穩(wěn)定，大大提高了單井排采周期，減少了停井檢泵檢井的次數。目前正式排采了200口井，運行2個月，節(jié)約17萬元維護性作業(yè)費用；氣井日產約1 000 m3，每次作業(yè)時間按5天計算，200口井年增氣9×104m3。相較傳統的管理模式可減少80%的管理人員，同時也取代了每日巡井、調控啟停單井等現場日常工作，2個月200口井節(jié)約60萬元。