老氣田數字化轉型升級關鍵控制技術應用與探索

陳智勇，甘德順，唐興波，廖敬，蔣俏儀，鄧軍

(中國石油西南油氣田公司重慶氣礦，重慶 405400)

1 緒論

1.1 背景

隨著信息技術的飛速發展，以“云大物移智”(云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能)為代表的新一波數字技術浪潮席卷全球[1]。油氣行業也處在數字化轉型的重要時期，正在邁向以數字化、智能化為主要特征的第五次技術革命。數字化已成為油氣行業實現轉型發展的重要戰略機遇。國內外油氣公司聚焦市場需求，加強自主創新，積極探索數字創新的前沿技術，推動業務數字化[2]。

21世紀前10年建成的主力優質氣田已陸續進入產量遞減階段[3]。川東石炭系、面臨產量逐步降低、人均生產總值逐步下降、單位天然氣生產成本逐漸升高等挑戰，因此有必要進一步推動無人值守站向縱深發展，從無人值守逐步向無人操作、智能操作轉型升級，進一步減輕對人工的依賴，實現數字化轉型升級，提升老氣田開發效益。 本文以川東地區部分氣田為例，闡述老氣田數字化轉型升級關鍵控制技術的應用效果。

1.2 基本思路

(1)堅持以需求和問題為導向。近年5G、工業機器人、人工智能、大數據等前沿技術取得了迅猛發展，新ICT技術層出不窮，給氣田生產運行信息化管控帶來眾多可選的新技術。同時，油氣田開發的本質并未改變，考慮老氣田高效開發和生產運行安全管控的需要，選擇相適應的技術用于解決實際問題，而非將新技術生搬硬套到生產現場。總之，無人值守站的轉型升級必須堅持需求導向、問題導向，從氣田開發的迫切需要和長遠需求出發，真正解決實際氣田生產問題。

(2)堅持穩定、可靠、經濟原則。天然氣具有易燃易爆特性，且部分氣田原料氣含有硫化氫，危險性大、腐蝕性強，選擇的應用技術必須優先考慮安全性，設備應運行穩定、使用可靠。同時，開展生產運行控制等技術優化應用，主要目的是提升氣田開發效益，選擇相關技術時還要著重考慮經濟效益，應充分利用已建裝置與系統，立足適應性局部改造，算好投入與產出的經濟賬。

2 現狀分析

以川東氣田為例，結合氣田工藝現狀，圍繞“產量”與“安全”兩大核心，以氣井生產、增產措施執行、井站巡檢、泄漏實時監測與應急處置為主線，川東氣田實現更高水平的開發主要面臨五個方面普遍性問題。

2.1 氣井生產制度制定與執行依賴于人工進行

2.2 氣井泡排劑加注需要有經驗的人員現場執行

川東氣田石炭系氣藏普遍存在邊水，產地層水的氣藏占97.1%，氣田實施泡排井114口，占工藝井的83.2%，其產能的正常發揮對提高氣田采收率具有重要意義。目前各無人井站基本實現了定時加注功能，藥劑的加注制度主要有技術人員制定，現場則由井站員工進行操作，存在較大的優化空間，并且泡排制度的合理性也有待驗證。

2.3 無人值守站巡檢方式和巡檢效率有待提升

目前人工巡檢單個無人站需2～3小時，至少配置3人和車輛1輛，其中50%以上時間耗費在途中。按照目前一個中心站平均管理15個單井場站計算，每個單井場站巡檢頻次是1次/周。人工巡檢花費的時間長、占用的人力、物力資源較多，巡檢效率較低。

2.4 無人值守站泄漏檢測缺乏有效手段

傳統固定式氣體檢測儀檢測現場可燃氣體濃度，報警高限為10% LEL，檢測原理是催化燃燒式，需進行被動等待甲烷氣體漂浮到檢測儀的氣室內發生反應后才會產生報警，其缺點是進行被動式檢測，響應時間長，易受環境(濕度、溫度、粉塵)影響，易受其他氣體干擾，使用壽命短且需要每半年進行一次維護更換探頭，對輕微和一般泄漏檢測效果較差。

2.5 放空點火系統智能化程度低

按現行環保及節能標準規范的要求，井站放空火炬需精確控制點滅火時機、減少甲烷的燃燒量，同時放空系統的工作具偶發性，而火炬點火裝置與各放空閥閥位聯動不足，無法自動準確預判和實現全過程監控，可能導致點火不及時，出現“長明火”的粗放性管理；并且放空火炬長期位于高空，受放空、燃燒、雨水等腐蝕影響，需要定期維護，工作量大、風險高。

3 應用與探索

針對川東氣田場站工藝方面存在的五大普遍性問題，氣田管理單位積極開展生產運行控制技術優化應用與探索，并取得了初步成效。

3.1 智能采氣

(1)實現方式。在采氣樹生產閘閥與針閥上安裝自動控制執行機構，實現氣井遠程控制；通過自動程序控制，實現定油壓、定時間等不同模式的自動氣井開關控制。通過油套壓、瞬產、臨界攜液流量等實時數據與自動控制裝置進行聯動，實現智能開關井。

(2)原理。閥門遠程自動控制裝置主要由智能控制器、角度傳感器、直流無刷電機、壓力變送器、位置編碼器、電源線、上位控制系統及下位控制元件組成，產品設計滿足防爆需求。運行時，智能控制器采集壓力變送器和位置編碼器的數據，根據控制器內部已經預設的工作模式或遠程發送的控制指令來驅動直流無刷電機，最后直流無刷電機通過減速機和齒輪傳動放大輸出扭矩進而驅動閥門進行相關的開度控制。結合實時采集的油壓、瞬產和計算出的臨界攜液流量，嵌入智能算法，實現氣井智能開關與產量智能調節。

盈虧平衡分析法又稱保本分析法或本量利分析法，是利用數學化的會計分析模型和圖文來揭示、分析固定成本、變動成本、服務量、利潤等變量之間的關系，為財務預測或決策提供財務信息咨詢的一種分析方法［2］。其計算公式為：

(3)特點。現場主要利用已有井口裝置針閥和生產閘閥同步安裝，通過上位系統下發控制指令，控制邏輯和人工操作模式保持一致。該方案主要優勢是改造工作量不大、安裝便捷、經濟適用，不涉及動火、設備打開等高風險作業，作業風險小，不需要停氣；新設備不與含硫天然氣接觸，安全可靠。

(4)效果。在Y井投用80天后，相較未投用時氣井開井次數增加12次，產氣量增加21.59%；在X井投用60天后，相較未投用時氣井產氣量增加18.1%。該裝置的投用，成功改變了原有人工現場開關井的現狀，節約人力資源，氣井生產制度執行更精準；實現了人工開關井向智能開關井轉型升級，氣井生產制度實時調整更加合理，延長氣井采氣時率，更有利于氣井產能發揮。

3.2 智能泡排

在試驗1井投用48天，相較未投用時氣井日產氣上漲0.12萬m3，上漲4.05%，日產水上漲了6.12 m3，上漲40.83%；在試驗2井投用56天，產氣產水與試驗前持平，泡排日加注量從11.13 kg下降至6.34 kg，節約4.79 kg/d，下降43.03%。

綜合效果而言，該系統可實時獲取數據并進行判斷，泡排生產實現智能化，一方面實現泡排科學加注，提高氣井產能，另一方面還實現泡排精準加注，提高藥劑使用效率。

3.3 智能電子巡檢

(1)實現方式。通過合理的布置在現場的視頻攝像機，由現場的物聯網網關作為控制中樞，結合物聯網數據和SCADA數據實現高效的智能電子巡檢系統。

(2)原理。根據現場情況，巡檢中有超過90%的巡檢記錄都是正常的，真正需要人工仔細判讀的一般不超過10%。因此可以引入智能化識別，通過自動數據比對(物聯網數據、SCADA數據和圖像識別數據)、計算機視覺(computer vision)(閥位、放空火炬等自動識別)、機器學習(machine learning)(數據是否產生偏離)等手段自動標記巡檢記錄(智能標記的結果分為：正常、異常和不能識別三類)，優先要求人工審核異常或者不能識別的巡檢記錄，同時保留人工對所有巡檢記錄審核的權限。

(3)特點。巡檢速度快：對于一個典型復雜場站(中心站、門站)現場布置高清攝像頭8～10個，單次巡檢時間可以控制在5分鐘之內完成；巡檢覆蓋率高：通過對現場攝像機的合理布置和調節，理論上可以實現對現場設備的全面覆蓋；穩定性高：采用本地安裝的物聯網網關作為核心控制，網關采用LINUX嵌入式平臺，穩定性高(連續運行90天無需重啟)、功耗小(3～15W)。即使在通信中斷的情況下也可以維持正常運行，系統運行基本不受天氣、溫度等外界條件的影響。

(4)效果。自動生成巡檢記錄，完全無人值守運行，人員只需要在空閑時候對巡檢結果進行確認，有效降低勞動強度，提升了巡檢的質量和效果，人工巡檢由1周1次延長到2周1次；實現SCADA系統報警聯動，為報警記錄提供了對應的現場照片記錄，提升了故障判斷、分析的準確性；穩定性好，連續6個月正常運行。

3.4 智能甲烷檢測

(1)實現方式。部署激光甲烷檢測儀，結合站場設備分布進行布置優化，提高站場甲烷泄漏檢測能力。

(2)原理。設備工作時，對外發射特定波長范圍的探測激光，該探測激光遇到反射物后發生漫反射，部分激光返回到儀器的探測單元。在光束路徑內，如果有被測氣體泄漏形成的氣團，該氣團將對探測激光產生吸收，未被吸收的光量與被吸收光量的比值與氣團的濃度成函數比例關系，通過計算該比值反推出氣團的濃度。

(3)特點。針對天然氣生產場站，在其區域內安裝固定掃描式激光甲烷檢測儀，利用云臺可以進行水平及垂直方向旋轉的特點，形成一個扇形掃描區域，實現對區域范圍內甲烷泄漏的高精度檢測，及時測出一般和輕微泄漏點，將實時檢測數據和現場視頻信號傳送到智能分析系統，實現天然氣泄漏的 24小時實時主動式在線檢測、泄漏報警的精確定位。

(4)效果。在某站工藝區安裝云臺式激光甲烷檢測儀1臺(立桿式，高度3 m)，用于檢測室外分離器區、燃料氣區天然氣泄漏情況；在廠房內安裝了2臺云臺式激光甲烷檢測儀(立桿式與壁掛式，高度分別為3 m與3.5 m)，用于檢測9臺增壓機組天然氣泄漏情況。經現場測試，僅部署當天在增壓廠房內即查找到漏點16處，站外工藝區漏點5處。

經現場試驗，激光甲烷檢測儀具備以下效果：檢測范圍廣，檢測范圍達半徑50 m(激光探頭為中心)，可以24小時不間斷進行檢測；具有較好的靈敏度，靈敏度達10×10-6·m，能夠檢測一般泄漏和微小泄漏；對噪聲、粉塵和雨霧等天氣影響具有較好的抗干擾能力。

3.5 智能點火

(1)實現方式。設計發明了一種升降式點火裝置，實現放空智能點火，并降低了放空點火系統腐蝕損壞后的更換維修作業風險，盡可能的降低維護費用，及檢修的風險，解決引火燃燒器出現的配氣堵塞等問題。

(2)原理。自動點火系統由流量開關、壓力開關、引火燃燒器、高空點火裝置、點火嘴、點火高壓線、火焰監測器和自動點火PLC控制系統等組成，如圖1所示。

圖1 自動點火流程示意圖

(3)特點。相比于常見點火裝置，升降式點火裝置以電動升降式點火槍進行自動點火，在點火成功以后自動回縮到指定安全位置，從而提高了使用壽命，并且使其安裝維護方便；防堵塞式引火燃燒器能有效避免堵塞問題；具有安全性高、監控可靠、體積小、操作簡單、點火效率高、壽命長、實用性好等特點。

(4)效果。經現場試驗140余次，結果表明，升降式放空火炬即使在大雨、大風等惡劣環境下點火穩定性仍然較好，點火可靠，感應靈敏。

4 結語

老氣田無人值守站技術優化應用與探索應堅持需求導向和問題導向，優選穩定、可靠、經濟、便捷的技術方案，以便快速部署形成規模效應。

智能采氣、智能泡排、智能電子巡檢、智能甲烷檢測儀、智能點火等技術的探索運用，圍繞無人值守站生產與安全兩大核心基本形成了閉環，為老氣田高效開發與安全運行提供了新的思路。