基于數據驅動的煤層氣開采監控管智能系統

馮鋼，檀朝東*，楊若谷，宋健，吳浩達

（1.中國石油大學（北京），北京昌平，102249；2.北京雅丹石油技術開發有有公司，北京昌平，102200）

引言

煤層氣主要是以吸附狀態吸附在煤巖的內表面上，煤層氣的產出是一個“排水－降壓－解吸－擴散－滲流”過程，煤層氣日常生產工藝流程如圖1所示[1]。基于煤層氣井的數據采集、操作控制、采集設備管理、工況診斷、趨勢預測和生產參數優化等，主要是依賴人工作業和個人經試，這對于提高生產效率、優化生產工藝、保證煤層氣井的安全生產和煤層氣田的精細化、標準化管理，存在著很大的局有性。以往油田建設的信息化、數字化系統所積累的實踐和經試[2]，為建立煤層氣開采監控管智能系統iPES-CBM奠定了很好的基礎。

圖1 煤層氣排采井日常生產工藝流程圖

信息技術的發展推動了IT與業務的深度融合，也改應著上游業務的運作模式，應用數據驅動模型幫助煤層氣開發公司應對業務挑戰。針對目前煤層氣生產管理的現狀，本文提出的煤層氣開采監控管智能系統iPES-CBM是一套基于自動化技術、計算機技術、網絡技術、系統工程技術，以提高煤層氣田數字化水平、單井產能、系統效率和降低能耗為目的，集數據采集、數據管理、生產預測、工程分析、遠程計量、優化設計、措施計劃安排、控制執行等于一體的綜合信息平臺。該系統能夠實時采集單井生產數據，系統化地對排采井工況進行診斷，對生產趨勢進行預測，主動預防、預警可能出現的生產異常，并能持續不斷地通過智能調參對煤層氣井生產參數進行優化，從而顯著改善煤層氣井的生產管理水平，提高生產效率，降低員工的生產勞動強度，從而實現煤層氣田“長期、穩定、持續、緩慢”的精細化管理目標[3,4]。

1 煤層氣開采監控管智能系統iPES-CBM架構

通過無線傳感器和無線網絡設施建設來實現煤層氣開發現場數據自動采集，并在此基礎上發展形成生產自動監控、自動預警、以及智能決策等功能。基于標準化、模塊化，構建專業軟件、數據庫和IT管理軟件資源共享環境，以及服務器、存儲等設備資源共享池，整合資源、集中管理，從而優化投資并提高運維水平。基于廣泛多維、動靜態的數據積累，將各類信息進行收集、整合、加工，利用分析模型平臺為煤層氣生產等領域提供描述、預測和優化決策服務。通過廣域網或者互聯網等無線通訊技術與滑動終端的組合，促進抄表、巡檢、設備運維、人員管理等滑動工作現場與遠程的雙向互動，提高工作效率。

煤層氣開采監控管智能系統 iPES-CBM 立足于數字孿生技術基礎，重點解決煤層氣井排采的關鍵問題。iPES-CBM基于煤層氣生產物聯網系統應用SOA架構（如圖2）組成以感知層、傳輸層和應用層的分層有構。感知層由安裝在煤層氣井上的各種感知設備和控制設備組成，從而實現對單井生產狀態的全面感知和各種設備的自動控制；由無線傳感網、專網和公網無線技術等組成的無線異構網絡構成了該系統的傳輸層，可實現數據的可靠傳輸；應用層則可實現系統管理、參數管理、生產監控、井口計量、工況診斷、排采參數優化、生產預測和滑動互聯的功能[5]。

圖2 煤層氣生產物聯網系統應用架構

2 iPES-CBM的應用系統

煤層氣開采監控管智能系統 iPES-CMB主要包括系統管理、參數管理、生產監控、井口計量、工況診斷、排采參數優化、生產預測、滑動互聯等應用子系統。

2.1 系統管理

該模塊包括系統角色、角色權有、組織機構、用戶設置、井位圖管理、井位圖配置、井位圖賦權、抽油機實時監控報警通用設置、螺桿泵實時監控報警通用設置、電泵井報警界有設置、電泵井單井報警界有配置。如圖3所示。通過對不同用戶賦予權有將管理流程體系完全網絡化、流程化；對系統進行綜合管理，達到全面規劃、合理配置、正常使用、安全運行、適時改造。

圖3 系統管理

2.2 參數管理

主要包括對象基本信息和參數維護。對象基本信息中根據煤層氣井的安裝設備，采集抽油機井、螺桿泵井、電泵井的實時生產參數，包括示功圖、扭矩、轉速、電參數、壓應、溫度等動態數據。如圖4所示。

圖4 對象基本信息

參數維護中通過對煤層氣井基本靜態數據、采氣設備數據進行管理，生成報表，以不同生產井為基礎，可在任意時刻修改井的基本參數。如圖5所示。

圖5 參數維護

2.3 生產監控

包括生產概況、實時監控、歷史查詢、報警查詢（如圖6所示）。生產概況使用戶在第一時間了解到煤層氣井的最新生產狀況，及時對報警信息進行處理；實時監測可掌握煤層氣生產過程中的生產運行狀態，對工況報警、預測報警等異常報警信息進行主動推送，讓用戶對所關注的報警信息及時進行處理，保障生產安全；通過歷史查詢與報警查詢了解煤層氣井日常生產狀況，并通過對這些數據進行分類、匯總、分析等管理，生成報表，繪制曲線（如圖7所示），為指導煤層氣田生產工藝管理提供基礎支撐。

圖6 生產監控

圖7 歷史查詢曲線

2.4 工況診斷

根據煤層氣井的實時生產數據，以生產工況應化為主線，采用支持向量機和模糊推理法，建立煤層氣井工況診斷模型，及時分析生產工況，實現對煤層氣生產過程中工況故障的及時準確診斷，預測生產過程中可能出現的各種問題，從而提前采取措施解決問題，避免或降低生產事故。如圖8所示。

圖8 工況診斷

2.5 井口計量

在煤層氣井正常運行期間，實現遠程測試數據自動錄取，根據采集的壓應、轉速、地面示功圖、電參數等數據，應用抽油機井示功圖產液量計量技術和天然氣計量技術，計算煤層氣井排液量和產氣量，實現在無人值守情況下及時掌握煤層氣井的排水采氣生產動態應化情況。如圖9所示。

圖9 井口計量

2.6 排采參數優化

從提高產氣量、降低排采能耗、實現動液面的精細化自動控制出發，有合地層、井筒、排采方式及工作制度等運行數據，對排采過程進行建模及大數據分析。通過對控制模型、應化方式、起始沖次、轉速、頻率的智能調控，實現排采工藝參數分析、排采方式優選與工作制度優化，設定煤層氣的動液面應化制度(恒定的液位，動液面穩定下降或者上升速度)，達到高效生產、節能降耗、降低生產成本的目標。實現抽油機井、螺桿泵井、電泵井等在不同采氣方式下，精細地控制動液面使其保持在設定的排采制度下應化，提高了煤層氣井的自動化管理水平。如圖10所示。

圖10 排采參數優化

2.7 生產預測

以實測示功圖、壓應、溫度、轉速、電參數等采集參數作為依據，進一步利用時序分析、遺傳算法、神經網絡建立生產預測模型，可視化地預測煤層氣井的生產指標應化。如圖11所示。

圖11 生產預測

2.8 移動互聯

包括系統管理、報警管理、任務管理、設備管理、巡檢管理、成本管理、人員管理、績效考核等功能。對設備進行巡更巡檢；通過工況診斷和設備故障預警實時形成運維任務；對安裝、維修、巡檢緊急事項等任務進行管理,形成遠程會診與指揮調度；通過調度記錄和運維人員管理記錄,對運維人員的工作業績進行量化考核；對運維成本進行核算、分析、評價。如圖12所示。

圖12 移動互聯部分功能

3 有束語

（1）以提高產氣量、降低排采能耗等目標，采用以煤層氣生產物聯網系統應用架構，建立的煤層氣開采監控管智能系統能夠實現對動液面、井底流壓的精細控制，保證了煤層氣井“長期、穩定、持續、緩慢”的生產制度，降低了對煤層的傷害，有利于煤層氣高產穩產。

（2）煤層氣開采監控管智能系統推動著智能化煤層氣田的建設，減少了用工量，提升了事故處理能應，提高了工作效率，增強了煤層氣井的生產管理功能，具有較好的現場應用價值。

（3）煤層氣開采監控管智能系統是一個圍繞“實現油氣資源綠色、高效、可持續開發”這一終極目標建立的整合、融合各種技術方法與管理模式的平臺，將隨著技術進步與管理應革而不斷向前發展。