基于智能控制的煤層氣排采系統研究

摘要：目前煤層氣排采控制正向著更加智能化的方向發展。針對現有煤層氣排采系統存在的控制精度不足、生產成本高等問題，設計了一種智能控制的煤層氣排采系統。通過計算井底流壓的測量值與設定值差值，控制排采設備的工作頻率，進而實現排采系統的調節。利用無線傳輸方式將信號發送至排采單元，可以實現排采工作的全程監控。以胡底工區項目為系統試驗對象，驗證了井底流壓調節精度能夠滿足要求，該系統有效且運行穩定。

關鍵詞：煤層氣;排采系統;智能控制

0 引言

煤層氣是一種環保、綠色的清潔能源。井底流壓充分反映了產氣量的滲流壓力特征，是合理制定排采制度和進行精細化排采控制的基礎[1]。國外對于排采控制的重視程度和研究力度較小，主要是由于國外煤儲層普遍具有高壓高滲特征，掩蓋了煤層氣井排采過程中物性變化和流體相態變化對產氣量的影響[2]。鄒宇清等[3]對煤層氣排采各階段的自動控制邏輯和方法進行了研究，實現了煤層氣排采的遠程自動控制，采用了產氣量和產水量聯動控制的排采方式，當產氣量或者產水量不穩定時，會出現自動調節幅度劇烈的情況，影響井底流壓的穩定性。本文針對上述情況，設計了一種煤層氣精準排采監控系統，該系統通過排采控制算法，實現井底流壓的實時調節，并以現場實例驗證了該系統的有效性。

1 煤層氣控制系統硬件設計

在系統結構方面，煤層氣排采系統主要由管理檢測單元、排采控制單元以及現場采集單元組成。管理檢測單元配備了無線基站、云服務器及管理端等，是工作人員操作及數據分析、數據交換的功能單元。排采控制單元有現場終端，控制中心是實現智能控制的重要單元?，F場采集單元的采集數據包括水流量、井下壓力、溫度等，因此在采集單元中設置了多種傳感器。

煤層氣排采工作要減少對煤儲層的傷害，為此在煤礦井下布置了多種傳感器。傳感器將水流量、壓力、溫度等信息轉換為電信號，控制中心用通信接口與模擬量接口實時采集各種信號，這些信號經過程序設定的算法處理后發出。在信號處理過程中，井底流壓的實際檢測結果會不斷趨近于設定值，這樣就實現了閉環自動控制。管理檢測單元會對排采控制中心的信號做出調節指令，做到完整的實時數據監控。

2 煤層氣控制軟件與用戶界面

2.1 ? ?煤層氣控制軟件

煤層氣系統控制軟件用C++語言編寫，包括了數據采集程序、排采控制程序及通信服務程序。井下傳感器將數據傳送至數據采集端，這是串口通信程序的編寫依據。井底流壓的實際測量數據會根據排采控制單元中的PID算法逐漸接近預先設定的數值，當實測值無限趨近于設定值時，排采工作的效率到達最高。排采監控系統需要一種異步通信消息協議，故在TCP協議?；A上構建了MQTT協議。MQTT協議能夠實現訂閱并發布信息傳輸協議，在不穩定的條件下，從空間和時間上分離發送者與消息接受者。排采監控系統的數據匯報與云端系統上的所有程序都遵照MQTT協議執行，該協議也可以在不同環境中拓展。

程序初始化后進行參數配置。當數據采集期到期后，程序查詢現場數據。當到達控制時間后，程序自動調節井底流壓值。服務器接受到調節命令后會發送排采控制指令，若數據包發送時間已到，則完成此控制過程。整個程序往復循環，經過多次循環后就實現了實際值無限趨近于設定目標。

井底流壓的控制是根據PID算法實現的，該算法可以使井底流壓的排采控制在平穩的過程中并逐漸降低。PID算法原理為：首先比較井底流壓的測量值與實際值，比較結果會產生一個誤差值并將該值作為一個獨立信號發出。

處理器收到誤差信號后進行糾偏運算，運算結果即為調節誤差的指令。糾偏指令通過執行器改變工作頻率，控制電機速度以及排采設備轉速來實現。經過反饋環節中的井下壓力計來糾正井底流壓的精度，此程序循環運行形成自動閉環控制流程。

2.2 ? ?煤層氣用戶界面

控制程序可連接智能手機，在使用過程中可通過人機交互界面直接觀測系統運行情況，以便對設備進行控制操作。手機操作界面主要包括設備運行工作量參數、設備運行時間參數、設備硬件參數、參數實時和歷史曲線、設備故障分類、設備報警推送等內容。

3 煤層氣排采項目試驗

本文以胡底工區項目為試驗對象，測試了排采系統的控制效果。試驗為現場測試，可以體現排采系統的控制準確性和在煤層氣開發項目上的運行穩定性。胡底工區項目的井場日常管理采取定時巡查機電設備、人工抄表的工作機制。由于地理環境的特殊性，工區氣井、集輸站多數在偏遠山區，路途遙遠，交通環境惡劣，尤其在雨雪天氣，職工需每天駕車到山區各個井場巡查的工作方式，存在耗時間、耗油量、人力資源利用低、安全隱患多等弊端。一旦井場生產設備出現故障不能及時發現和排除，就會影響到公司氣量的生產任務，給公司造成嚴重的經濟損失?；谝陨锨闆r，該項目十分適合作為煤層氣排采系統的試驗對象。

胡底工區項目的煤層具有較大的瓦斯含量和壓力。測試的三號礦井使用管式泵與抽油機外加油套環并聯工作的方式進行區域作業。根據地質勘探結果與相鄰煤礦的排采曲線制定了排采方案，方案劃分為4個階段：排水階段、產氣量提高階段、產氣量平穩階段、產氣量衰減階段。每個階段的井底流壓日降數值分別0.04 MPa、0.03 MPa、0.01 MPa、0.005 MPa，同時設置了排水階段的壓力誤差為±0.01 MPa，產氣量提高階段的壓力誤差為±0.005 MPa。若用Pd表示井底流壓降低幅度，即試驗日期的井底流壓與前一日的井底流壓間的差值。在一個完整的監測周期內，實時采集到的井底流壓制作出的井底流壓變換趨勢如圖1所示。

由圖1可以看出，煤層氣排采控制系統在完成排采監控工作時具有明顯效果，圖中兩條曲線呈逐漸接近趨勢，說明該系統實現了事先預定的目標。井底流壓的給定值與實際測量值的誤差穩定控制在0.5%左右，能夠實現準確的煤層氣排采控制。

4 結語

煤層氣井類型多樣，不同階段的排采調整需要由智能控制系統控制。本文設計的排采智能控制系統，利用了無線網絡傳輸及云服務器等技術，實現了排采數據的實時傳輸。通過改變變頻器的工作頻率，調節排采相關設備的運行速度，形成了一套完整的井底流壓閉環控制系統。以胡底工區項目為系統試驗對象，結果顯示該系統可以到達精確調節井底流壓的目的，并且誤差均值在0.5%左右，滿足控制要求。

[參考文獻]

[1] 鄭軍領，金毅，李偉娜，等.基于LBM方法的井間干擾對煤層氣排采的影響機理分析[J].煤礦安全，2020，51（4）：157-161.

[2] 姜杉鈺，王峰.中國煤系天然氣共探合采的戰略選擇與發展對策[J].天然氣工業，2020，40（1）：152-159.

[3] 鄒宇清，趙鳳坤，黃勇，等.煤層氣排采遠程自動控制平臺的建立與應用[J].天然氣工業，2015，35（12）：42-47.

收稿日期：2020-04-27

作者簡介：鞏海歐（1986—），男，山西高平人，助理工程師，研究方向：煤層氣地面開發設備。