煤層氣井場的數字化建設探討

陳吉平 （中石化華東分公司非常規資源勘探開發指揮部，江蘇 南京 210019）

煤層氣作為一種優質高效清潔的新能源，開發利用的市場前景十分廣闊。隨著延川南煤層氣開采規模的擴大，排采成本不斷攀升，偏遠井場駐井人員井場配套費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上井，盡快建立數字化排采管理模式是大勢所趨。排采人員通過電腦，遠程監控煤層氣井的各種工作參數，實時掌握煤層氣井的工作狀態，根據需要遠程調整煤層氣井的工作參數。最大限度的降低排采成本，提高煤層氣井的管理水平。

煤層氣井的整個排采過程，是以控制井底流壓為核心的動態調整過程，目的是保證滲透性，控制速敏效應，使液面緩慢、勻速下降從而控制井底流壓穩定在一定的壓力范圍內［1－2］。

煤層氣井的數字化建設要在充分了解煤層氣井的特點及煤層氣井日常排采工作內容的基礎之上，緊緊圍繞著監控參數全、運行成本低、排采效率高這3個基本點展開。針對煤層氣井的遠程監控系統，不僅能夠遠程監視數字化井場中各設備的運行情況，更能隨時掌握煤層氣井的工作狀態，根據井的多天連續數據，判斷煤層氣井可能存在的隱患，減少煤層氣井作業次數。

當前國內各煤層氣區塊處于大規模投資階段，投入大，產出小，回報慢。如何在數字化建設上實現較小的投入，達到自動監控的目的，最大限度的節約人力和物力，是數字化建設面臨的主要問題。

1 數字化建設遵循的原則

煤層氣井與油田油井的管理方法不同，緩慢、連續、穩定是煤層氣井排采遵循的六字方針［3－5］，根據井底流壓的變化，圍繞著產出物 “氣、水”進行調參控制。煤層氣井的數字化建設在保證安全、可靠、穩定運行的前提下，自動采集日常排采工作所必需的數據、降低建設及運行成本和減輕人員工作量，即數字化建設要與人工巡井相結合，對于不要求實時性的數據和巡井時人工可以做的工作，數字化系統可以弱化這些功能，如定期的功圖測試采集、水質的監測、閥門的調節等。

2 煤層氣井場數字化系統結構

煤層氣數字化井場主要監控參數是：套壓、動液面深度 （井底流壓）、產水量、產氣量、載荷、沖次、變頻器內的頻率、電流、電壓、功率等各種工作參數。煤層氣井場數字化系統主要監控參數獲得的途徑如下：通過液面自動監測儀采集套壓、液面深度 （井底流壓）；通過無線沖次傳感器采集抽油機井的實時沖次值；通過量水采集器采集瞬時產水量、日產水量和累計產水量；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采集日產氣量、累計產氣量、系統壓力、系統溫度等；通過讀取變頻調速器的運行狀態，采集變頻器的電流、電壓、頻率、功率等當前的運行參數。

下面通過煤層氣數字化系統拓撲結構圖 （見圖1）來說明現場各傳感器之間的關系。一個抽油機井場，通過一臺GPRS模塊與控制中心電腦連接，井場以RTU為核心，連接煤層氣井的各種數字化儀器及連接方式：液面、功圖、沖次和產水量通過ZigBee無線與RTU相連；產氣量、變頻器和發電機組供電通過485總線與RTU連接；控制氣量的電控閥通過4～20mA電流信號直接驅動電動調節閥；RTU數據通過485總線無線與GPRS模塊傳輸到服務器。

圖1 煤層氣數字化系統拓撲結構圖

只要任何一臺能訪問Internet的PC機都可以輕松實現查看數據、了解掌握煤層氣井的全部工作參數。根據用戶權限的不同，對井場的各傳感器進行遠程控制。

3 數字化建設的措施與建議

為了實現高效的低成本數字化建設，需要在以下幾個方面進行綜合的考慮，具體措施及建議如下：

3.1 采用成熟穩定的產品，避免造成選型浪費

煤層氣領域是一個較新的行業，有其自身的特點，通過已經實現數字化井場的走訪與調查，由于煤層氣井與油井的日常管理有著本質的區別，故不能將以前油田的一些成熟的產品設備和管理經驗，直接搬到這個領域，必須尋找一個適應煤層氣井特點的產品和管理方式。由于煤層氣數字化井場建設投入大、范圍廣，所以，井場的數字化產品必須經過小批次、長時間的現場應用試驗后，證明產品測試精度達到標準，可以長時間穩定、可靠運行。井場建設應該盡量采用在煤層氣領域內已經穩定運行的設備產品，避免因盲目引進新設備或新技術等原因，造成設備選型的浪費。

3.2 提高叢式井場設備利用率

根據叢式井場有多口井的特點，數字化設備最好能夠綜合考慮、集中控制，提高設備的利用效率。

1）新井井場 在建設井場初期，采用撬裝設備。如產氣量計量可以采用撬裝設備，一臺氣體流量計配合多井氣管路切換裝置來完成叢式井場的多井產氣量計量。對于井下動液面測試，可以采用一拖N模式的液面自動監測儀，即一臺主機依次循環測試每口井的液面深度，最大限度的減少井場自動化設備數量，降低數字化建設成本。

2）現有井場 采用一拖N模式的液面自動監測儀測量井下液面深度，無需更改現有井場的任何設施，提高設備利用率，降低建設成本。

3.3 現場布線采用短距離無線方式

已經建成的煤層氣井場的各種設備，大都是由多個廠家提供的，如氣體流量計、變頻控制柜、壓力傳感器、井下壓力計等。不同廠家的傳感器在進行數字化建設時，互聯互通通常采用通過485總線模式電纜連接，這種方式簡單方便，同時帶來的問題主要表現在應用過程中，一旦有個別傳感器損壞或總線干擾，整個總線上的設備都會受到影響，分析查找故障點很困難，如遇到多家廠商推諉責任，會造成數字化系統的長時間癱瘓。

利用免費頻段的無線組網技術，將現場的各種傳感器改成短距離無線通訊模式，查找故障點、更換設備簡單方便，可以方便現場安裝，不用挖溝穿管布線，減少現場施工，降低后期維護成本。

3.4 井場設備和傳感器功能盡量簡單化，穩定耐用是重點

井場的各種傳感器穩定可靠是主要的考核指標，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試的數據直接遠傳到服務器中，現場的智能判斷、分析功能由服務器中的軟件來完成。如在服務器中增加一個液面波形處理分析軟件模塊，就可以將現場液面自動監測儀內部的自動計算、軟件濾波等功能去掉，既節省了傳感器的開發維護成本，又提高了現場設備的可靠性。

所有現場數據直接遠傳，大大弱化了井場RTU的功能，甚至可以考慮取消井場RTU功能，最大限度的降低了現場設備成本。

3.5 關鍵數據實時上傳

煤層氣井的產氣量、產水量、套壓、動液面深度、當前的排采強度 （沖次）、抽油機的工作狀態等主要參數，必須及時上傳到服務器中，要求數據的實時性，以便隨時掌握煤層氣井的工作狀態和排采動態，及時調整煤層氣井日常排采的生產參數。

抽油機工作參數控制，盡量采用變頻調速控制系統，可以方便的實現遠程改變變頻器的頻率，控制電機轉數；套壓控制可使用定壓閥，也可使用針閥，針型閥調節可人工參與，盡量節約投入成本。現場的控制流程是：通過調節變頻器的工作頻率，控制電機轉數，從而改變沖次，控制產水量；通過調節閥門的開啟角度，控制煤層氣井的套壓和產氣量。

3.6 突出煤層氣井工作狀態監測功能

煤層氣井排采過程中最忌諱非故障性意外停井，嚴重影響了排采的連續性，要求自動化系統能夠及時檢測到煤層氣井的工作狀態。因煤層氣井無需一天多次測量示功圖，且功圖傳感器無法實現實時性沖次測量，為減少井場施工布線，減少投入，可將此功能分為實時沖次和光桿受力2個參數。

1）實時沖次監測功能 此參數可提供實時的煤層氣井的沖次變化；可判斷遠程調參后最終抽油機速度變化了多少、是否有皮帶斷裂、打滑等現象；判斷抽油機是否處于停機狀態等。

2）實時光桿受力監測 光桿受力情況可以由固定式載荷頭配相關電路來完成，它主要實現測量光桿運行過程中受到的最大、最小負荷值，軟件根據這個值的變化范圍來判斷和預警井下泵況，包括軟卡、桿斷、卡泵等。

3.7 用液面自動監測儀代替井下壓力計

生產壓差是儲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，合理的生產壓差是制定煤層氣井排采制度的基礎，也是保證煤層氣井能夠正常排采的關鍵。而井底流壓主要通過套壓和動液面來控制，目前獲得井底流壓的方法有電子壓力計和液面自動監測儀2種。

1）電子壓力計 優點是精度高，同時也存在缺點，主要表現在：電子壓力計每口井安裝一個，不能調換，設備利用率低；電子壓力計安裝拆卸不方便，必須停井作業；扶正器等從屬設備較多，綜合成本很高；當電子壓力計損壞或電纜出現故障，即使煤層氣井工作正常，也只能被迫作業，后期維護成本很高，嚴重違反煤層氣井排采必須遵循的穩定和連續原則，影響井的排采壽命和總產氣量。

2）液面自動監測儀 安裝在套管口，隨時拆裝，不影響煤層氣井的正常排采，對于叢式井，可改用一拖N模式的液面自動監測儀，提高設備利用率。對于測試精度，在不同的基層隊和排采井針對不同的煤層氣井況進行了一年多的現場試用測試，經過多井次的與井下壓力計對比、與人工手動測試儀器對比，測試精度、穩定性等方面能滿足現場測試需求。

3.8 產水量計量

煤層氣井產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由于水中含有氣體和煤粉原因，不能準確測量實際產水量。錯誤的產水量計量，容易導致煤層氣井的生產狀態誤判，尤其是當產液量較低或含氣量較多時其測量準確度誤差更大，從而導致人們對煤層氣井的生產狀態嚴重誤判，采取錯誤的調參措施，造成經濟損失。

現有產水量的獲得只能依靠人工蹲守在井口，待量筒內的水積滿，利用秒表定時，完成一次產水量測量，效率低下。現有的水量流量計產品和測試模式，測試精度和維護率方面，都不能滿足數字化井場需要。

產水量的采集，是煤層氣井數字化系統不可或缺的參數，而且必須要解決小水量準確計量、間歇性出水準確計量、消除煤粉和水中氣體對測量精度的影響問題。

3.9 盡快制定煤層氣數字化行業標準

煤層氣井數字化，由多設備組成，多廠家共同建設井場，要保證井場內各廠家設備之間能夠互聯互通，可以任意替代更換其他設備，必須盡快制定煤層氣井數字化實施標準，為煤層氣數字化推廣鋪平道路。

4 結 語

煤層氣井不同于傳統油井，有其顯著的行業特點，存在著本質的區別，故數字化井場建設不能照搬油井數據化建設經驗。排采過程中，一定要適合煤層氣井的排采緩慢、連續、穩定的特點，井場建設需遵循的基本原則是：建設維護成本低；主要參數采集精度高；設備運行需要實時、連續、穩定；自動化設備功能與人工巡井制度要有機結合，最大限度提高工作效率。

通過對煤層氣數字化系統的調研，結合鄂爾多斯盆地煤層氣井的特點，數字化建設勢在必行。而在數字化井場建設過程中，采集重要排采參數的儀器設備，能否長期、穩定的運行，直接影響到煤層氣井產氣量和產氣壽命，也決定著數字化建設的成敗。故選擇技術成熟的儀器，在井場建設中尤為關鍵。在建設數字化井場的同時，排采人員要提高綜合素質，可根據井場數據掌握煤層氣井的工作狀態，及時預測問題，發現問題，解決問題。在低成本建設、低成本運行的情況下，達到高效的人機結合，使煤層氣數字化井場建設快速發展，提高產氣量，為國家的能源建設提供有力保障。

［1］蘇俊 .煤層氣勘探開發方法與技術 ［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［2］孫贊東，賈承造，李相方，等 .非常規油氣勘探與開發 ［M］.北京：石油工業出版社，2011.

［3］蔣長春 .采氣工藝技術 ［M］.北京：石油工業出版社，2009.

［4］王東浩，郭大力，計勇，等 .煤層氣增產措施及存在的問題 ［J］.煤，2008，17（12）：33－35.

［5］吳佩芳 .煤層氣開發的理論與實踐 ［M］.北京：地質出版社，2000.