一種在線式煤層氣井水質檢測方法和裝備

謝友友，左景欒，王楚峰

（中聯煤層氣有限責任公司，北京100015）

1 引言

煤層氣俗稱瓦斯，主要成分甲烷（CH4），是煤在形成過程中形成的藏儲于煤層或煤系地層的一種非常規天然氣，也是煤在生成及變質過程中的一種伴生物。因為煤層氣是以吸附和游離狀態賦存于煤層中，地質條件復雜，因此有著不同的開采方式，常見開采方式有地面鉆井開采、井下鉆孔開采和廢氣礦井開采。其中只有地面鉆井開采煤層氣的方式不必依托于煤礦，而且甲烷濃度高，對環境破壞最小。

地面鉆井開采煤層氣是通過對煤層進行壓裂、抽排煤層氣中的承壓水的方式采出煤層氣。檢測和分析排出水的成分，不僅有助于深入了解煤層氣的生成原理，且對優化排采工藝和設備具有極重要的參考意義。而目前對煤層氣排水的水質分析都是在井場取樣后在實驗室進行檢驗，這種離線的非實時方式不僅數據量小，而且不能反映出煤層氣井排水的最新狀況，其實際效果大打折扣。

因此，研制一種便攜式的煤層氣井水質分析儀，對在線監測煤層氣井下工況，為實時優化排采工藝是非常重要的，意義重大。

2 系統設計和構成

為保證高煤層氣井場排水水質檢測的實時性和提高其智能自動化水平，本文設計了一種便攜式水質檢測裝備。如圖1 所示，該裝備使用220 V 的AC 電源，取水裝置在其中的流水處于動態穩定狀態后，測量模塊開始采集傳感器信號并濾波后，進行分析和判斷，將最終結果在觸摸屏進行顯示并可以無線方式傳向遠端，觸摸屏也可以對本設備進行一些參數設置輸入。

圖1 系統結構圖

2.1 取水裝置

取水裝置的設計需要考慮以下幾個因素：①構造密不透光的環境；②可以控制液體的滿管程度和流速；③容易就地放置、遷移；④容易清理內壁。

基于以上考慮，本文設計的取水裝置是一個帶有進出水閥門的方形水箱，頂部蓋板拆下后可以方便地清理容器內壁；通過調整進出水閥門開度，使容器內部水流在便于測試的水平；測量時濁度儀和氯離子傳感器從頂板置入，測量完成后收回。取水裝置如圖2 所示。

圖2 取水裝置示意圖

2.2 濁度傳感器

濁度測量傳感器的原理是用一個預先聚焦調節好了的白熾光發生器來在管道中的液體內向前發射一束的光波。在液體中的懸浮物對來光進行散射，而散射程度是和懸浮物濃度成比例的。被散射的光被探測檢波器檢測，并轉化成和懸浮物濃度成比例的電流信號，電流信號再輸入至專用的信號采集模塊。傳感器有3 種安裝方式，如圖3 所示。

2.3 氯離子傳感器

本設備采用了智能數字傳感器，具有高精度氯離子電極，RS-485 接口輸出，支持標準Modbus RTU 工業數據總線協議，能夠完成銨離子濃度數據采集、校準及自動溫度補償等功能，用戶可自定義查詢子地址，設置傳輸波特率。校準方式為10 mg/kg 和100 mg/kg。

圖3 濁度傳感器安裝示意圖

2.4 數據模塊

本系統選用的數據模塊具有豐富的輸入輸出、RS-485、CAN 通訊接口，可以方便地和傳感器及各類外設進行數據交互，且計算性能卓越，制作工藝適合在野外、移動環境使用。該數據模塊的環境試驗標準如圖4 所示。

圖4 數據模塊環境標準

2.5 人機交互模塊

為便于現場操作，提高設備使用的靈活性、可視化程度和數據安全性，本系統人機交互的功能包括以下幾個方面：①報表。多種數據存盤方式，多樣報表顯示形式。②曲線。支持實時、歷史、計劃等多種曲線形式。③穩定。優化啟動屬性，內置看門狗，易用，可在各種惡劣環境下長期穩定運行。④存儲。高壓縮比的數據壓縮方式，保證數據完整性。

人機操作界面如圖5 所示。

圖5 人機操作界面

2.6 遠程模塊

利用公用蜂窩網絡為用戶提供無線長距離數據傳輸功能，通過RS-485 接口接受數據模塊的數據之后通過公網向遠程傳輸水質分析數據。

3 系統工作方法

如圖6 所示，該系統本身具有數據集成采集與處理功能，水質參數傳感器通過模擬接口或總線形式與數據分析模塊連接，所有傳感器數據都進入核心分析模塊統一處理，然后在本機人機界面顯示并遠程上傳至數據服務中心；該設備還可以實現實時數據的儲存、歷史實時數據查詢和繪制歷史曲線圖等功能，并有相關警告和提示。

圖6 系統工作流程圖

在線水質檢測裝備實物照片如圖7 所示。

圖7 在線水質檢測裝備實物照片

4 結論

綜上所述，在樣本提取方式上我們采取了專利型的取水裝置，可以滿足在不同井口情況下通過調節進出水閥門的開度，進而控制樣水的流量和充滿程度，最終營造出最為合適的檢測環境；同時在檢測自動化方面結合了最新的數據處理技術和通信技術，將所有現場在線測量結果通過存儲后統一上傳至遠程數據中心，系統實現了完整的在線、動態、實時監測，自動就地顯示、存儲和遠程傳輸備份。整套系統結構簡單，維護工作量極少，實時性強，運行成本低，便于攜帶和使用，可以提高企業的運行效率和帶來明顯的經濟效益。