宋漢華，茹志娟，李彥彬，盧文偉，高仕舉

(長(zhǎng)慶油田蘇里格氣田研究中心 低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018)

為把蘇里格氣田建設(shè)成為“科技、綠色、和諧”的現(xiàn)代化大氣田，長(zhǎng)慶油田分公司在蘇里格氣田推行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、氣田開(kāi)發(fā)方案自動(dòng)生成、生產(chǎn)運(yùn)行自動(dòng)控制等功能。其中單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣田單井生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制，是氣田數(shù)字化管理的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，其技術(shù)水平的高低將直接關(guān)系到該氣田數(shù)字化管理程度的高低。長(zhǎng)慶油田從2006年蘇里格氣田規(guī)?；_(kāi)發(fā)的初期已經(jīng)開(kāi)始單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)的研究和試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近7年的研究和應(yīng)用，單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)不斷完善和優(yōu)化，目前該技術(shù)基本能實(shí)現(xiàn)單井生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、單井井場(chǎng)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視、單井遠(yuǎn)程緊急截?cái)嗟裙δ堋?/p>

1 單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)的基本原理

單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)的基本原理： 集成國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的自動(dòng)化、通信、儀表、閥門(mén)等技術(shù)，由安裝在井口各相應(yīng)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?cái)嚅y)開(kāi)關(guān)狀態(tài)、井場(chǎng)視頻、畫(huà)面等信息，通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)傳輸至集氣站[1-2]。單井遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。單井無(wú)線監(jiān)控井口系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供電源，太陽(yáng)能供電系統(tǒng)包括有太陽(yáng)能電池和蓄電池，晴天由太陽(yáng)能電池給井口系統(tǒng)供電，陰雨天則由蓄電池供電。

該技術(shù)不僅能及時(shí)自動(dòng)地錄取氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控氣井生產(chǎn)狀態(tài)，而且實(shí)現(xiàn)了氣井異常自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)井等功能，有效解決了緊急狀態(tài)下規(guī)模關(guān)井的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了氣井生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)化管理的功能。

圖1 單井遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)示意

2 單井無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)化

2006年初該氣田搭建了基本的井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井口數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。隨著不斷的試驗(yàn)、應(yīng)用、評(píng)價(jià)和改進(jìn)，單井無(wú)線監(jiān)控在傳輸方式、數(shù)據(jù)采集類(lèi)型、儀器儀表等方面得到了進(jìn)一步拓寬和優(yōu)化。

2.1 無(wú)線傳輸方式的選擇和拓寬

無(wú)線通信技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)傳電臺(tái)—無(wú)線網(wǎng)橋—McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)試驗(yàn)。數(shù)傳電臺(tái)采用9600bit/s高速電臺(tái)，是目前該氣田的主力傳輸方式，主要以傳輸井場(chǎng)靜態(tài)圖片為主；無(wú)線網(wǎng)橋可以快速傳輸井場(chǎng)動(dòng)態(tài)視頻；McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音業(yè)務(wù)同時(shí)傳輸。

2.1.1數(shù)傳電臺(tái)

試驗(yàn)初期單井無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)只是用來(lái)采集和傳輸井口油套壓和流量計(jì)數(shù)據(jù)，從低成本開(kāi)發(fā)考慮，采用2400bit/s低速電臺(tái)。在試驗(yàn)和應(yīng)用的過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)氣井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)有效監(jiān)控，開(kāi)展了電子巡井系統(tǒng)試驗(yàn)，通過(guò)在井口安裝攝像頭定時(shí)拍照達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)控井場(chǎng)的目的，其信息采集和傳輸并入單井無(wú)線監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集通道。試驗(yàn)結(jié)果顯示電臺(tái)傳輸速率為2400bit/s時(shí)，傳輸像素為320×240的照片(17K)需70s；傳輸速率為9600bit/s時(shí)， 傳輸像素為352×288的照片(195K)只需13s，顯然低速電臺(tái)不能滿足需求。因此，單井全部改裝9600bit/s高速電臺(tái)。

目前，數(shù)傳電臺(tái)依舊是該氣田的主力無(wú)線傳輸方式，截至2013年底，蘇里格已經(jīng)在單井上安裝數(shù)傳電臺(tái)5000臺(tái)左右。

2.1.2無(wú)線網(wǎng)橋

由于通過(guò)井口定時(shí)拍照監(jiān)視井場(chǎng)滿足不了自動(dòng)巡井的要求，因而提出了井口連續(xù)攝像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)井場(chǎng)的要求。目前廣泛使用的數(shù)傳電臺(tái)只適合窄帶數(shù)據(jù)傳送，滿足不了井口連續(xù)攝像帶寬、速率等要求，該氣田從2008年開(kāi)始引入新的傳輸技術(shù)——無(wú)線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程傳輸。其原理是將井區(qū)劃分為幾個(gè)區(qū)塊，分別用wifi基站將井口數(shù)據(jù)采集，通過(guò)5.8GHz主干網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)郊瘹庹?，這樣既能避免信道間干擾，又能增強(qiáng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。其技術(shù)原理如圖2所示。截至2013年底，該氣田已經(jīng)在350余口井安裝無(wú)線網(wǎng)橋，系統(tǒng)應(yīng)用較為穩(wěn)定。

圖2 無(wú)線網(wǎng)橋遠(yuǎn)程傳輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

2.1.3McWiLL寬帶

雖然無(wú)線網(wǎng)橋通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控，但亦受地形和天氣的影響，主干節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障后，會(huì)使其他節(jié)點(diǎn)大面積失效。因此，為了搭建適合蘇里格氣田環(huán)境下使用的通信網(wǎng)絡(luò)，滿足數(shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音業(yè)務(wù)的同時(shí)傳輸，該氣田于2009年引入了McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)。

McWiLL通信技術(shù)[3-4]具有覆蓋距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)功能強(qiáng)大、頻譜利用率高、發(fā)射功率低等特點(diǎn)。在該氣田采用McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)組建了1個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，形成了1個(gè)寬帶無(wú)線多媒體集群系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以覆蓋油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所在區(qū)域，為區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)井提供足夠的帶寬，在該范圍內(nèi)安裝低功耗終端即可實(shí)現(xiàn)與中控室的通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2009年初，選擇某區(qū)塊超短波信號(hào)覆蓋比較弱的2座集氣站所轄氣井區(qū)域?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)初期覆蓋區(qū)域，建立2個(gè)McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)基站進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)仿真模擬，該區(qū)域范圍內(nèi)的大部分井場(chǎng)的無(wú)線信號(hào)均能達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸要求。進(jìn)一步進(jìn)行語(yǔ)音通話測(cè)試、數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試、視頻監(jiān)控測(cè)試，均達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)定要求。截至2013年底，已經(jīng)在該氣田某2個(gè)區(qū)塊共建立了5座McWiLL寬帶無(wú)線技術(shù)基站，累計(jì)接入476口單井，完成了476口單井在線數(shù)據(jù)采集，133口井井場(chǎng)視頻連續(xù)傳輸，并開(kāi)通了40余部McWiLL移動(dòng)電話。

圖3 McWiLL技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 儀器儀表優(yōu)化

試驗(yàn)初期采用簡(jiǎn)單的壓力傳感器取代油壓表和套壓表，但進(jìn)行開(kāi)井啟動(dòng)等作業(yè)時(shí)不能觀察到井口壓力，給工作帶來(lái)不便。因此，后續(xù)試驗(yàn)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(shù)據(jù)。

試驗(yàn)初期井口采用簡(jiǎn)易流量計(jì)，僅可顯示工況的瞬時(shí)流量。在試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)篩選，選用旋進(jìn)旋渦流量計(jì)對(duì)單井氣量進(jìn)行連續(xù)帶液計(jì)量，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量、累計(jì)流量及相應(yīng)的溫度和壓力數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與傳輸，并可根據(jù)運(yùn)行壓力、溫度，將工況流量換算為標(biāo)況流量。

2.3 遠(yuǎn)程控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及升級(jí)

2007年提出了研制遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)井裝置的要求，在氣井高壓生產(chǎn)階段時(shí)發(fā)揮安全保護(hù)、緊急截?cái)嗪驼ｊP(guān)井的作用，在中、低壓階段按氣藏管理要求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)井。目前該氣田應(yīng)用比較成功的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)井裝置是遠(yuǎn)控緊急截?cái)嚅y和電磁閥[5]。

2.3.1遠(yuǎn)控緊急截?cái)嚅y

遠(yuǎn)控緊急截?cái)嚅y經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，通常稱為Ⅰ代閥、Ⅱ代閥、Ⅲ代閥，其結(jié)構(gòu)圖[6]不再贅述。

雙控點(diǎn)緊急截?cái)嚅y即為Ⅰ代閥，它是完全由機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的快速關(guān)閉型的機(jī)械式安全截?cái)嘌b置。

Ⅱ代閥也稱為氣動(dòng)遠(yuǎn)控緊急截?cái)嚅y，它保留了Ⅰ代閥的原有機(jī)械式自動(dòng)切斷功能，新增了可遠(yuǎn)控啟閉閥門(mén)的功能，所配用的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)為壓力/遠(yuǎn)控氣動(dòng)開(kāi)關(guān)。

Ⅲ代閥也稱為遠(yuǎn)程控制緊急截?cái)嚅y，它在保留了Ⅱ代閥的相關(guān)功能的同時(shí)，將所配用的開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)由氣動(dòng)升級(jí)為電動(dòng)。其最凸出的技術(shù)特征是以小功率拖動(dòng)直通道閥門(mén)的啟、閉操作；直通道閥門(mén)保證了介質(zhì)流態(tài)的穩(wěn)定性，將無(wú)伴熱(加熱)天然氣流經(jīng)緊急截?cái)嚅y時(shí)產(chǎn)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(jī)械式自保持型電磁閥，它改變了常規(guī)電磁閥依靠強(qiáng)交流電制動(dòng)的思路，利用井場(chǎng)太陽(yáng)能電池板直流供電，瞬時(shí)通電開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了弱電強(qiáng)動(dòng)作[7]。

氣井井口電磁閥也經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，Ⅱ代閥相對(duì)于Ⅰ代閥，增加了密封接觸臺(tái)的高度，防止雜物沉積導(dǎo)致關(guān)閉不嚴(yán)；同時(shí)閥心增加過(guò)濾網(wǎng)，使雜質(zhì)不易進(jìn)入泄壓孔，防止泄壓太慢造成關(guān)閉不及時(shí)。

Ⅲ代電磁閥主要針對(duì)冬季老式電磁閥冰凍時(shí)不能正常開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)的。該閥在保留老式電磁閥的超/欠壓自我保護(hù)功能、遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)功能的基礎(chǔ)上，增加了機(jī)械強(qiáng)制提升主閥芯機(jī)構(gòu)、機(jī)械開(kāi)啟副閥芯電磁頭、機(jī)械關(guān)閉副閥芯電磁頭三大機(jī)構(gòu)，前兩個(gè)機(jī)構(gòu)是為手動(dòng)開(kāi)啟電磁閥設(shè)計(jì)的，第三個(gè)機(jī)構(gòu)是為手動(dòng)關(guān)閉電磁閥設(shè)計(jì)的。利用該機(jī)械機(jī)構(gòu)，電磁閥在冰凍情況下可恢復(fù)正常工作。

3 應(yīng)用效果

該氣田單井無(wú)線監(jiān)控技術(shù)從單一采集井口儀表數(shù)據(jù)到無(wú)線采集傳輸井口照片，再到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)傳輸井口視頻，更能適應(yīng)氣田數(shù)字化管理的要求，真正意義上實(shí)現(xiàn)了電子巡井。同時(shí)遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)井技術(shù)的實(shí)現(xiàn)和升級(jí)，促進(jìn)了該氣田的管理轉(zhuǎn)型，在提高管理水平、精簡(jiǎn)組織機(jī)構(gòu)、提升工作效率、降低操作成本、保護(hù)草原環(huán)境等方面起到了顯著效果。

1) 提高了生產(chǎn)管理效率?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的人工巡檢轉(zhuǎn)換為電子自動(dòng)巡井。實(shí)施數(shù)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(yīng)用，使生產(chǎn)前端用工減少30%。當(dāng)氣田年產(chǎn)量達(dá)2×1010m3，實(shí)施數(shù)字化后人員可控制在2000人，用工減少了2081人，每年可節(jié)約成本約1.7億元以上。

3) 管理成本大幅下降。經(jīng)過(guò)計(jì)算，數(shù)字化管理后單井成本費(fèi)用較數(shù)字化前降低了2570元/a。

4) 加強(qiáng)了環(huán)境保護(hù)。從保護(hù)草原環(huán)境方面看，由于巡井以及人工開(kāi)關(guān)井頻率大幅減少，有效避免了對(duì)草原植被的破壞，促進(jìn)了“科技、綠色、和諧”現(xiàn)代化氣田建設(shè)。

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