遠程控制在煤層氣排采中的應用
——以沁水盆地樊莊區塊為例

孟祥迎 吳倡名 李紅昕 王 寶 唐雅娟 梁春紅

(1.中國石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司，山西 048203；2.西安中星測控有限公司，陜西 710119；3.陜西安控科技有限公司，陜西 710003)

山西沁水盆地樊莊區塊的煤層氣排采井大多位于人煙稀少的溝壑和山地，井場分散，覆蓋面廣，而且海拔較高，山路崎嶇交通不便，極大地增加了煤層氣的勘探開發和生產管理的難度。為了克服重重困難，在惡劣的工作環境中貫徹“低恒套壓、變速排采、指標管控”的排采理念，嚴格執行排采計劃，強化排采管控，使煤層氣井的排采制度更加合理，保障排采井正常平穩生產，增加產氣量，減輕員工的勞動強度，提高排采的安全系數，減少人力、物力，有效節約企業成本，華北油田山西煤層氣勘探開發分公司積極探索，研究了一套行之有效的適用于煤層氣排采的遠程控制技術。

1 遠程控制技術總體設計

利用計算機分布式控制技術，結合煤層氣排采特點，以實現煤層氣井排采遠程控制為目標，從國外引入第四代SCADA自動化監控管理系統，精選硬件設備，優化RTU和PLC的參數，依托無線通信網絡，建立實時數據庫，結合組態軟件、應用軟件和通信管理軟件，運用瀏覽器技術及統一的人機界面。

2 SCADA系統

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的縮寫，即數據采集與監控系統，是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統，能對煤層氣井場的各項排采設備進行監視和控制，是石油系統煤層氣領域的實時數據源，為煤層氣的排采提供全方位、精確而及時的數據，具有數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等多種作用。

SCADA系統采用Windows XP操作系統作為軟件平臺，采用客戶端程序(Client)/服務器端程序(Server)分布式體系結構，其軟件的各功能模塊都以數據庫為核心。

SCADA系統由集氣站控制系統、閥組遠程終端測控單元、無線通信McWill R5系統、處理中心控制系統及各作業區設置的調度控制中心組成。調度控制中心具有監控、調度、管理全部管線上的各個井場和閥組的功能(圖1)。

圖1 沁水盆地樊莊區塊SCADA系統圖

3 無線通信McWill R5系統

McWill (Multi-carrier Wireless Information Local Loop，多載波無線信息本地環路)是我國自主研發的寬帶無線接入系統，選用世界一流的碼擴正交頻分多址(CS-OFDMA)、智能天線、空間零陷、聯合檢測等無線通信技術，以其高可靠性、高保密性、廣闊的覆蓋性、卓越的技術性、方便靈活的結構性、實惠的經濟性、簡單的維護性稱著于世，因此沁水盆地樊莊區塊將華北油田通信公司的McWill R5系統作為生產用的無線通信網，應用于無線數據傳輸、視頻監控、應急通信等方面。

McWill R5系統采用無線網絡星型連接，支持IEEE802.1Q協議，TDD上/下行時隙比例關系為 4:4， 在組網時分為接入層和匯聚層(圖2)。

圖2 McWill R5系統示意圖

McWill R5系統有10座基站，16個BTS，負責沁水盆地樊莊區塊6座集氣站、八百多口單井的數據業務流和視頻業務流。基站通過無線網橋連接集氣站，集氣站通過光纜接入處理中心，以有線方式接入煤層氣分公司的IP網絡。基站最大提供15Mbps的數據吞吐量，每個基站的光纜傳輸網有百兆的帶寬。

4 Intouch軟件

選用美國Wonderware公司的Intouch 10.0人機界面(HMI)自動化組態軟件包編制作為上下位機檢測、監控應用軟件。既能通過Intouch 10.0自帶的DAServer軟件經無線通信McWill R5系統與排采井現場的RTU或PLC進行通信，實時采集排采井現場的生產參數，又能通過控制RTU或PLC來達到排采井的遠程控制。

5 遠程控制的原理、實現條件及主要應用類型

5.1 原理及實現條件

位于作業區調度的下位機是客戶端(Client)，位于晉城自動化室的上位機是服務器端(Server)，遠程控制就是經無線通信McWill R5系統，由客戶端程序向服務器端程序發出信號，建立遠程服務，發送遠程控制命令，對排采井現場的RTU或PLC(前端設備)進行遠程操控，進而控制地面排采設備，從而實現遙控設備。

遠程控制必須同時滿足五個條件：①通信正常；②井場內排采設備、配電柜、自動化柜等硬件設施及線路正常；③電力線路正常送電；④數據庫服務器正常；⑤井場內無人干擾。

5.2 主要應用類型

遠程啟停井、間抽、遠程調頻率、智能排采。

5.2.1 遠程啟停井

遠程啟停井即人工遠程啟動或停止抽油機、螺桿泵等排采設備，以實現啟井或停井。

(1)遠程啟停井的原理

沁水盆地樊莊區塊的排采設備主要有抽油機和螺桿泵兩大類，它們的遠程啟停井的原理不同。抽油機的遠程啟停井是由作業區調度或自動化室的計算機使用特定的用戶名和密碼遠程登錄數據庫服務器，然后使用Intouch 10.0軟件發出“啟井”或“停井”命令，經通信處McWill基站無線發送到井場的McWill模塊，再經線路傳送到RTU或PLC。由RTU或PLC再下發“啟井”或“停井”指令，引起啟井繼電器吸合或停井繼電器斷開，進而形成相應的通路或斷路，帶動電動機的啟動或停轉，從而實現抽油機的啟動或停止(圖3)。

圖3 抽油機遠程啟停井原理圖

螺桿泵的遠程啟停井是由變頻器帶動的，RTU或PLC下發“啟井”或“停井”指令后，變頻器就以低頻率啟動或停止運行，帶動變頻電動機的啟動或停轉，從而實現螺桿泵的啟動或停止(圖4)。

(2)遠程啟停井的實現條件

滿足遠程控制的五個條件。

(3)遠程啟停井的應用情況

圖4 螺桿泵遠程啟停井原理圖

在沁水盆地樊莊區塊，為了保證產量，用的最多的是遠程啟井，而遠程啟井率也呈現季節變化，即“夏低春秋冬高”。因為，每年春季，為保證電力線路的安全暢通，華北油田水電工程處都會組織人員進行電力線路檢修，需要停電，屬于正常維護，設備均正常，再送電時遠程啟井率就很高，都在99%以上，甚至多次100%，呈現出“啟井次數多，啟井率高”的特點。秋冬時節多風，容易刮斷電力線路，搶修后也可遠程啟井，其遠程啟井率與春季持平，呈現出“啟井次數少，啟井率高”的特點。而夏季多雷雨，雷電容易劈壞甚至擊穿高壓變壓器或24伏電源、PLC等配件，造成井場硬件設施損毀；還會造成變頻器報警，無法帶動變頻電動機，致使再送電時遠程啟井率較低，只有不到九成。

5.2.2 間抽

間抽即間歇性抽排，指抽油機、螺桿泵等排采設備間歇性地抽排。

間抽分為以時間為節點的時間間抽和以液面值為節點的智能間抽。通過作業區調度或自動化室的計算機，遠程登錄數據庫服務器，再使用Intouch 10.0的測試工具——WWclient軟件來設定排采設備是否間抽、間抽參數，實現遠程控制間抽。

(1)時間間抽的原理

間抽的過程與遠程啟停井相似，不同的是，經過優化，間抽程序已實現本地化，不再依賴數據庫服務器下達命令，避免了數據庫服務器故障和通信故障時不能運行間抽程序。具體來說，時間間抽是先在煤層氣排采井現場，通過電腦或觸摸屏對RTU或PLC進行時間設置，以便判斷時間，到達啟井時間就由RTU或PLC下發“啟井”指令，從而帶動電動機啟動，實現抽油機或螺桿泵的啟動；到達停井時間就由RTU或PLC下發“停井”指令，從而帶動電動機停轉，實現抽油機或螺桿泵的停止。

(2)時間間抽的實現條件

滿足遠程控制的五個條件。

(3)時間間抽的應用情況

在沁水盆地樊莊區塊，時間間抽被廣泛應用，有效節約了電力成本。抽油泵滿時啟井，泵空時停井，減少了抽油泵空抽和抽油桿干磨等現象，充分提高了泵效和系統效率，延長了抽油機、螺桿泵等排采設備的使用年限。

5.2.3 智能間抽

智能間抽是通過計算沉沒度來判斷井下壓力計所在液面值，設定液面值為啟停井節點的間歇性抽排。

(1)智能間抽的原理

通過井下壓力計采集井底壓力，套壓壓變采集套壓，二者傳輸到RTU或PLC，RTU或PLC通過計算沉沒度(沉沒度=(井底壓力-套壓)×100)來判斷井下壓力計所在液面值，到達啟井液面就由RTU或PLC下發“啟井”指令，從而帶動電動機啟動，實現抽油機或螺桿泵的啟動；到達停井液面就由RTU或PLC下發“停井”指令，從而帶動電動機停轉，實現抽油機或螺桿泵的停止。

(2)智能間抽的實現條件

除了滿足遠程控制的五個條件，排采井還必須安裝井下壓力計。

(3)智能間抽的應用情況

井下壓力計所在的液面值通常有波動，因為螺桿泵的運轉較抽油機平穩，液面值波動小，所以螺桿泵智能間抽的效果優于抽油機。

5.2.4 遠程調頻率

遠程調頻率即人工遠程調節變頻器的運行頻率，進而調節變頻電動機的轉速，從而實現遠程調節抽油機的沖次或螺桿泵的轉速。

(1)遠程調頻率的原理

遠程調頻率是由作業區調度或自動化室的計算機遠程登錄數據庫服務器，然后使用Intouch 10.0軟件，將“調頻模式”定于“手動”處，在“設定頻率”處輸入相應值即可。設定的頻率經通信處McWill基站無線發送到井場的McWill模塊，再經線路傳送到RTU或PLC，由RTU或PLC再下發指令到變頻器，變頻器依指令調節頻率，帶動變頻電動機調節轉速，從而調節抽油機的沖次或螺桿泵的轉速(圖5)。

圖5 遠程調頻率原理圖

(2)遠程調頻率的實現條件

除了滿足遠程控制的五個條件，抽油機還必須處于“變頻”狀態。

(3)遠程調頻率的應用情況

用于手動遠程改變排采制度。

5.2.5 智能排采

智能排采即智能控制系統排采，是采用了PID調節的閉環控制，指抽油機、螺桿泵等排采設備根據遠程設定的目標井底壓力、降液速率，結合煤層氣排采井井場的井底壓力與套壓，不斷地自動調節沖次或轉速，實現排采制度的最優化。

智能排采分為降壓法和穩壓法，即降低井底壓力控制法和穩住井底壓力控制法。

(1)智能排采的實現條件

除了滿足遠程控制的五個條件，還必須滿足五個條件：①排采井必須安裝井下壓力計；②排采設備必須處于變頻工作狀態；③井下壓力計、套壓壓變、接近開關等儀器儀表必須正常采集，傳輸；④自動化柜的沖次調節方式必須為“自動”；⑤遠程設定的智能排采的方式必須為“自動”。

(2)智能排采的原理

首先，由作業區調度或自動化室的計算機遠程登錄數據庫服務器，然后使用Intouch 10.0軟件進行遠程設定，設定目標井底壓力和達到目標井底壓力所需的降液速率。

然后，在煤層氣排采井井場，通過井下壓力計采集井底壓力，套壓壓變采集套壓，二者傳輸到RTU或PLC，RTU或PLC通過計算沉沒度來判斷井下壓力計所在液面值，將液面值與設定的降液速率作對比，將井底壓力與設定的井底壓力作對比，通過程序的核心算法計算出此時抽油機或螺桿泵運行的最佳沖次或轉速，并將其轉換為相應的變頻器頻率。RTU或PLC再下發指令到變頻器，變頻器依指令調節頻率，帶動變頻電動機調節轉速，進而帶動抽油機調節沖次或螺桿泵調節轉速。接近開關等配件將調節后的沖次或轉速反饋RTU或PLC，RTU或PLC繼續對比設定值和井場值，如此往復，閉環控制，直到實現設定的井底壓力和降液速率(圖6)。

圖6 智能排采原理圖

(3)智能排采的應用情況

在沁水盆地樊莊區塊，智能排采的降壓法廣泛應用于新井投產初期，因為煤層氣的排采需要排水降壓，即通過排采設備抽排出煤儲層中的水并降低井底壓力，促成煤層氣的解析。不同的排采階段需要不同的排采制度，如解析前的降液速率要快，解析后的降液速率要慢，放氣時的降液速率要穩。智能排采系統根據不同的排采階段自動實時地調節抽油機的沖次或螺桿泵的轉速，平穩地降低井底壓力，精準地控制降液速率，使排采更加合理、高效。

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