陳吉平 (中石化華東分公司非常規(guī)資源勘探開發(fā)指揮部,江蘇 南京 210019)
煤層氣作為一種優(yōu)質(zhì)高效清潔的新能源,開發(fā)利用的市場(chǎng)前景十分廣闊。隨著延川南煤層氣開采規(guī)模的擴(kuò)大,排采成本不斷攀升,偏遠(yuǎn)井場(chǎng)駐井人員井場(chǎng)配套費(fèi)用成本等問題日益凸顯,排采工作也易受天氣、道路等因素影響不能及時(shí)上井,盡快建立數(shù)字化排采管理模式是大勢(shì)所趨。排采人員通過電腦,遠(yuǎn)程監(jiān)控煤層氣井的各種工作參數(shù),實(shí)時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài),根據(jù)需要遠(yuǎn)程調(diào)整煤層氣井的工作參數(shù)。最大限度的降低排采成本,提高煤層氣井的管理水平。
煤層氣井的整個(gè)排采過程,是以控制井底流壓為核心的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程,目的是保證滲透性,控制速敏效應(yīng),使液面緩慢、勻速下降從而控制井底流壓穩(wěn)定在一定的壓力范圍內(nèi)[1-2]。
煤層氣井的數(shù)字化建設(shè)要在充分了解煤層氣井的特點(diǎn)及煤層氣井日常排采工作內(nèi)容的基礎(chǔ)之上,緊緊圍繞著監(jiān)控參數(shù)全、運(yùn)行成本低、排采效率高這3個(gè)基本點(diǎn)展開。針對(duì)煤層氣井的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),不僅能夠遠(yuǎn)程監(jiān)視數(shù)字化井場(chǎng)中各設(shè)備的運(yùn)行情況,更能隨時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài),根據(jù)井的多天連續(xù)數(shù)據(jù),判斷煤層氣井可能存在的隱患,減少煤層氣井作業(yè)次數(shù)。
當(dāng)前國內(nèi)各煤層氣區(qū)塊處于大規(guī)模投資階段,投入大,產(chǎn)出小,回報(bào)慢。如何在數(shù)字化建設(shè)上實(shí)現(xiàn)較小的投入,達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控的目的,最大限度的節(jié)約人力和物力,是數(shù)字化建設(shè)面臨的主要問題。
煤層氣井與油田油井的管理方法不同,緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定是煤層氣井排采遵循的六字方針[3-5],根據(jù)井底流壓的變化,圍繞著產(chǎn)出物 “氣、水”進(jìn)行調(diào)參控制。煤層氣井的數(shù)字化建設(shè)在保證安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,自動(dòng)采集日常排采工作所必需的數(shù)據(jù)、降低建設(shè)及運(yùn)行成本和減輕人員工作量,即數(shù)字化建設(shè)要與人工巡井相結(jié)合,對(duì)于不要求實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)和巡井時(shí)人工可以做的工作,數(shù)字化系統(tǒng)可以弱化這些功能,如定期的功圖測(cè)試采集、水質(zhì)的監(jiān)測(cè)、閥門的調(diào)節(jié)等。
煤層氣數(shù)字化井場(chǎng)主要監(jiān)控參數(shù)是:套壓、動(dòng)液面深度 (井底流壓)、產(chǎn)水量、產(chǎn)氣量、載荷、沖次、變頻器內(nèi)的頻率、電流、電壓、功率等各種工作參數(shù)。煤層氣井場(chǎng)數(shù)字化系統(tǒng)主要監(jiān)控參數(shù)獲得的途徑如下:通過液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采集套壓、液面深度 (井底流壓);通過無線沖次傳感器采集抽油機(jī)井的實(shí)時(shí)沖次值;通過量水采集器采集瞬時(shí)產(chǎn)水量、日產(chǎn)水量和累計(jì)產(chǎn)水量;通過功圖傳感器可以獲得最大載荷、最小載荷和光桿位移等泵況;通過讀取氣體流量計(jì)采集日產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度等;通過讀取變頻調(diào)速器的運(yùn)行狀態(tài),采集變頻器的電流、電壓、頻率、功率等當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)。
下面通過煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 (見圖1)來說明現(xiàn)場(chǎng)各傳感器之間的關(guān)系。一個(gè)抽油機(jī)井場(chǎng),通過一臺(tái)GPRS模塊與控制中心電腦連接,井場(chǎng)以RTU為核心,連接煤層氣井的各種數(shù)字化儀器及連接方式:液面、功圖、沖次和產(chǎn)水量通過ZigBee無線與RTU相連;產(chǎn)氣量、變頻器和發(fā)電機(jī)組供電通過485總線與RTU連接;控制氣量的電控閥通過4~20mA電流信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;RTU數(shù)據(jù)通過485總線無線與GPRS模塊傳輸?shù)椒?wù)器。
圖1 煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
只要任何一臺(tái)能訪問Internet的PC機(jī)都可以輕松實(shí)現(xiàn)查看數(shù)據(jù)、了解掌握煤層氣井的全部工作參數(shù)。根據(jù)用戶權(quán)限的不同,對(duì)井場(chǎng)的各傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
為了實(shí)現(xiàn)高效的低成本數(shù)字化建設(shè),需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行綜合的考慮,具體措施及建議如下:
煤層氣領(lǐng)域是一個(gè)較新的行業(yè),有其自身的特點(diǎn),通過已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化井場(chǎng)的走訪與調(diào)查,由于煤層氣井與油井的日常管理有著本質(zhì)的區(qū)別,故不能將以前油田的一些成熟的產(chǎn)品設(shè)備和管理經(jīng)驗(yàn),直接搬到這個(gè)領(lǐng)域,必須尋找一個(gè)適應(yīng)煤層氣井特點(diǎn)的產(chǎn)品和管理方式。由于煤層氣數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)投入大、范圍廣,所以,井場(chǎng)的數(shù)字化產(chǎn)品必須經(jīng)過小批次、長時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)后,證明產(chǎn)品測(cè)試精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn),可以長時(shí)間穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。井場(chǎng)建設(shè)應(yīng)該盡量采用在煤層氣領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備產(chǎn)品,避免因盲目引進(jìn)新設(shè)備或新技術(shù)等原因,造成設(shè)備選型的浪費(fèi)。
根據(jù)叢式井場(chǎng)有多口井的特點(diǎn),數(shù)字化設(shè)備最好能夠綜合考慮、集中控制,提高設(shè)備的利用效率。
1)新井井場(chǎng) 在建設(shè)井場(chǎng)初期,采用撬裝設(shè)備。如產(chǎn)氣量計(jì)量可以采用撬裝設(shè)備,一臺(tái)氣體流量計(jì)配合多井氣管路切換裝置來完成叢式井場(chǎng)的多井產(chǎn)氣量計(jì)量。對(duì)于井下動(dòng)液面測(cè)試,可以采用一拖N模式的液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀,即一臺(tái)主機(jī)依次循環(huán)測(cè)試每口井的液面深度,最大限度的減少井場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備數(shù)量,降低數(shù)字化建設(shè)成本。
2)現(xiàn)有井場(chǎng) 采用一拖N模式的液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀測(cè)量井下液面深度,無需更改現(xiàn)有井場(chǎng)的任何設(shè)施,提高設(shè)備利用率,降低建設(shè)成本。
已經(jīng)建成的煤層氣井場(chǎng)的各種設(shè)備,大都是由多個(gè)廠家提供的,如氣體流量計(jì)、變頻控制柜、壓力傳感器、井下壓力計(jì)等。不同廠家的傳感器在進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)時(shí),互聯(lián)互通通常采用通過485總線模式電纜連接,這種方式簡單方便,同時(shí)帶來的問題主要表現(xiàn)在應(yīng)用過程中,一旦有個(gè)別傳感器損壞或總線干擾,整個(gè)總線上的設(shè)備都會(huì)受到影響,分析查找故障點(diǎn)很困難,如遇到多家廠商推諉責(zé)任,會(huì)造成數(shù)字化系統(tǒng)的長時(shí)間癱瘓。
利用免費(fèi)頻段的無線組網(wǎng)技術(shù),將現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器改成短距離無線通訊模式,查找故障點(diǎn)、更換設(shè)備簡單方便,可以方便現(xiàn)場(chǎng)安裝,不用挖溝穿管布線,減少現(xiàn)場(chǎng)施工,降低后期維護(hù)成本。
井場(chǎng)的各種傳感器穩(wěn)定可靠是主要的考核指標(biāo),功能可以盡量簡化,目的是降低成本、提高可靠性。傳感器的功能簡化不代表降低了使用要求,而是通過將傳感器測(cè)試的數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)傳到服務(wù)器中,現(xiàn)場(chǎng)的智能判斷、分析功能由服務(wù)器中的軟件來完成。如在服務(wù)器中增加一個(gè)液面波形處理分析軟件模塊,就可以將現(xiàn)場(chǎng)液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀內(nèi)部的自動(dòng)計(jì)算、軟件濾波等功能去掉,既節(jié)省了傳感器的開發(fā)維護(hù)成本,又提高了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可靠性。
所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)直接遠(yuǎn)傳,大大弱化了井場(chǎng)RTU的功能,甚至可以考慮取消井場(chǎng)RTU功能,最大限度的降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備成本。
煤層氣井的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、套壓、動(dòng)液面深度、當(dāng)前的排采強(qiáng)度 (沖次)、抽油機(jī)的工作狀態(tài)等主要參數(shù),必須及時(shí)上傳到服務(wù)器中,要求數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性,以便隨時(shí)掌握煤層氣井的工作狀態(tài)和排采動(dòng)態(tài),及時(shí)調(diào)整煤層氣井日常排采的生產(chǎn)參數(shù)。
抽油機(jī)工作參數(shù)控制,盡量采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng),可以方便的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程改變變頻器的頻率,控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù);套壓控制可使用定壓閥,也可使用針閥,針型閥調(diào)節(jié)可人工參與,盡量節(jié)約投入成本?,F(xiàn)場(chǎng)的控制流程是:通過調(diào)節(jié)變頻器的工作頻率,控制電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù),從而改變沖次,控制產(chǎn)水量;通過調(diào)節(jié)閥門的開啟角度,控制煤層氣井的套壓和產(chǎn)氣量。
煤層氣井排采過程中最忌諱非故障性意外停井,嚴(yán)重影響了排采的連續(xù)性,要求自動(dòng)化系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)到煤層氣井的工作狀態(tài)。因煤層氣井無需一天多次測(cè)量示功圖,且功圖傳感器無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性沖次測(cè)量,為減少井場(chǎng)施工布線,減少投入,可將此功能分為實(shí)時(shí)沖次和光桿受力2個(gè)參數(shù)。
1)實(shí)時(shí)沖次監(jiān)測(cè)功能 此參數(shù)可提供實(shí)時(shí)的煤層氣井的沖次變化;可判斷遠(yuǎn)程調(diào)參后最終抽油機(jī)速度變化了多少、是否有皮帶斷裂、打滑等現(xiàn)象;判斷抽油機(jī)是否處于停機(jī)狀態(tài)等。
2)實(shí)時(shí)光桿受力監(jiān)測(cè) 光桿受力情況可以由固定式載荷頭配相關(guān)電路來完成,它主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量光桿運(yùn)行過程中受到的最大、最小負(fù)荷值,軟件根據(jù)這個(gè)值的變化范圍來判斷和預(yù)警井下泵況,包括軟卡、桿斷、卡泵等。
生產(chǎn)壓差是儲(chǔ)層壓力與井底流壓之間的差值,是煤層氣井排采控制的重要依據(jù),合理的生產(chǎn)壓差是制定煤層氣井排采制度的基礎(chǔ),也是保證煤層氣井能夠正常排采的關(guān)鍵。而井底流壓主要通過套壓和動(dòng)液面來控制,目前獲得井底流壓的方法有電子壓力計(jì)和液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀2種。
1)電子壓力計(jì) 優(yōu)點(diǎn)是精度高,同時(shí)也存在缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在:電子壓力計(jì)每口井安裝一個(gè),不能調(diào)換,設(shè)備利用率低;電子壓力計(jì)安裝拆卸不方便,必須停井作業(yè);扶正器等從屬設(shè)備較多,綜合成本很高;當(dāng)電子壓力計(jì)損壞或電纜出現(xiàn)故障,即使煤層氣井工作正常,也只能被迫作業(yè),后期維護(hù)成本很高,嚴(yán)重違反煤層氣井排采必須遵循的穩(wěn)定和連續(xù)原則,影響井的排采壽命和總產(chǎn)氣量。
2)液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀 安裝在套管口,隨時(shí)拆裝,不影響煤層氣井的正常排采,對(duì)于叢式井,可改用一拖N模式的液面自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀,提高設(shè)備利用率。對(duì)于測(cè)試精度,在不同的基層隊(duì)和排采井針對(duì)不同的煤層氣井況進(jìn)行了一年多的現(xiàn)場(chǎng)試用測(cè)試,經(jīng)過多井次的與井下壓力計(jì)對(duì)比、與人工手動(dòng)測(cè)試儀器對(duì)比,測(cè)試精度、穩(wěn)定性等方面能滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求。
煤層氣井產(chǎn)出液體的主要成分是水,也含有少量的煤粉和氣體,常用的水表和流量計(jì)由于水中含有氣體和煤粉原因,不能準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際產(chǎn)水量。錯(cuò)誤的產(chǎn)水量計(jì)量,容易導(dǎo)致煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)誤判,尤其是當(dāng)產(chǎn)液量較低或含氣量較多時(shí)其測(cè)量準(zhǔn)確度誤差更大,從而導(dǎo)致人們對(duì)煤層氣井的生產(chǎn)狀態(tài)嚴(yán)重誤判,采取錯(cuò)誤的調(diào)參措施,造成經(jīng)濟(jì)損失。
現(xiàn)有產(chǎn)水量的獲得只能依靠人工蹲守在井口,待量筒內(nèi)的水積滿,利用秒表定時(shí),完成一次產(chǎn)水量測(cè)量,效率低下。現(xiàn)有的水量流量計(jì)產(chǎn)品和測(cè)試模式,測(cè)試精度和維護(hù)率方面,都不能滿足數(shù)字化井場(chǎng)需要。
產(chǎn)水量的采集,是煤層氣井?dāng)?shù)字化系統(tǒng)不可或缺的參數(shù),而且必須要解決小水量準(zhǔn)確計(jì)量、間歇性出水準(zhǔn)確計(jì)量、消除煤粉和水中氣體對(duì)測(cè)量精度的影響問題。
煤層氣井?dāng)?shù)字化,由多設(shè)備組成,多廠家共同建設(shè)井場(chǎng),要保證井場(chǎng)內(nèi)各廠家設(shè)備之間能夠互聯(lián)互通,可以任意替代更換其他設(shè)備,必須盡快制定煤層氣井?dāng)?shù)字化實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),為煤層氣數(shù)字化推廣鋪平道路。
煤層氣井不同于傳統(tǒng)油井,有其顯著的行業(yè)特點(diǎn),存在著本質(zhì)的區(qū)別,故數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)不能照搬油井?dāng)?shù)據(jù)化建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。排采過程中,一定要適合煤層氣井的排采緩慢、連續(xù)、穩(wěn)定的特點(diǎn),井場(chǎng)建設(shè)需遵循的基本原則是:建設(shè)維護(hù)成本低;主要參數(shù)采集精度高;設(shè)備運(yùn)行需要實(shí)時(shí)、連續(xù)、穩(wěn)定;自動(dòng)化設(shè)備功能與人工巡井制度要有機(jī)結(jié)合,最大限度提高工作效率。
通過對(duì)煤層氣數(shù)字化系統(tǒng)的調(diào)研,結(jié)合鄂爾多斯盆地煤層氣井的特點(diǎn),數(shù)字化建設(shè)勢(shì)在必行。而在數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)過程中,采集重要排采參數(shù)的儀器設(shè)備,能否長期、穩(wěn)定的運(yùn)行,直接影響到煤層氣井產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣壽命,也決定著數(shù)字化建設(shè)的成敗。故選擇技術(shù)成熟的儀器,在井場(chǎng)建設(shè)中尤為關(guān)鍵。在建設(shè)數(shù)字化井場(chǎng)的同時(shí),排采人員要提高綜合素質(zhì),可根據(jù)井場(chǎng)數(shù)據(jù)掌握煤層氣井的工作狀態(tài),及時(shí)預(yù)測(cè)問題,發(fā)現(xiàn)問題,解決問題。在低成本建設(shè)、低成本運(yùn)行的情況下,達(dá)到高效的人機(jī)結(jié)合,使煤層氣數(shù)字化井場(chǎng)建設(shè)快速發(fā)展,提高產(chǎn)氣量,為國家的能源建設(shè)提供有力保障。
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