煤層氣井負壓排采智能評價系統研制

馮 堃 孫曉勇

(1.中聯煤層氣國家工程研究中心有限責任公司，北京 100095；2.沈陽新石科技有限公司，遼寧 110122)

隨著煤層氣開采規模的擴大，產量日益下降的老井逐漸增多，為促進煤層氣的解吸和滲流，現場多次采用了負壓排采技術并取得了顯著的增產效果。根據重大專項項目“煤層氣高效增產及排采關鍵技術研究”的科研工作任務需要，通過詳細的現場調研，項目組掌握了煤層氣負壓排采過程中重要的參數采集需求，結合煤層氣負壓排采井分布在野外山區維護管理費時費力情況，綜合多家公司的油田數字化產品開發經驗，經過詳細論證后，研發了負壓排采智能評價系統。

圖1 煤層氣井負壓排采智能評價系統現場監控部分結構圖

1 功能介紹

煤層氣井負壓排采智能評價系統是具有采集、控制、通訊、分析等功能，能夠實現對壓縮機轉速、排采井的套壓、產氣量、井底流壓、示功圖等生產參數的自動采集與無線傳輸，控制模塊能夠對抽油機沖次、閥門開啟角度、壓縮機轉速等生產參數的遠程調節。提供及時、準確的動態數據，分析總結工作參數調整后井場數據變化規律，根據數據規律變化尋找更適合煤層氣井生產的排采制度。對比穩壓排采、定產排采對煤層氣開采方法與井況適應性，以便更好地服務煤層氣排采生產。本系統為模塊化組合式系統，集先進成熟的計算機軟件技術、網絡技術、無線通信技術、數據采集技術以及領先的傳感器技術于一體，是一套完整的負壓排采智能分析系統。

2 設計要點

(1)實時監控數據，分析歸納總結負壓排采規律，預測產氣趨勢，實現閾值報警系統，能夠對排采異常參數適時調整，分析整理出各種情況下的變化規律。再由人工干預調控井場內煤層氣井或壓縮機的工作制度實現遠程控制的功能，從而起到承上啟下的作用。

(2)針對煤層氣叢式井場可以將一個平臺作為一個對外的信息點，只配備一套在系統中起到核心作用的單井負壓智能排采裝置，連接煤層氣井的各種數字化儀器，最大限度的降低成本。

(3)設備組裝時注重元件、部件的安裝布局設計，考慮到操作及維修方便，散熱通暢，機柜的重心穩定，各部件間的布線短捷方便，降低布局電磁干擾，預防空間電磁輻射干擾。

(4)加裝輔助傳感器，完善數據采集手段。通過液面自動監測儀采集套壓、液面深度；通過無線功圖傳感器采集抽油機井的最大載荷、最小載荷、光桿位移、沖次值、示功圖；通過讀取氣體流量計采集日產氣量、累計產氣量、系統壓力、溫度等；通過讀取變頻器的運行狀態，采集變頻器的電流、電壓、頻率等運行參數；通過讀取防爆電動調節閥的電流信號獲取閥門的開啟大小；通過監測產生負壓環境的壓縮機的各項工作參數，讀取壓縮機的內部控制器信息獲取壓縮機的進氣壓力、排氣壓力、壓縮機電流、電機轉速、運行時間參數和壓縮機的各種報警信息。系統現場監控結構如圖1所示。

3 關鍵技術

系統設計時多處利用ZigBee短距離無線組網通訊技術，降低現場安裝工作量。

為了準確監測井底流壓變化，連續監測井下液位變化，及時調整油井工作參數，我們研制了適合煤層氣井的液面自動監測儀。儀器采用回聲反射原理，即可以測試有壓井又可以測試無壓井。通過設置測試方式及測試間隔，儀器自動測試，自動精確計算井下液面深度，計算誤差小于1m，能夠自動計算井底流壓，儀器還可以提供套壓數據，監測煤層氣井從無壓-見氣-產氣的全過程，測試結果可以通過無線網絡傳輸，還可以通過標準通訊接口與數字化系統連接。

軟件平臺控制2個以上壓縮機機組組成時，機組之間相互獨立，互不影響，可同時開啟，也可單獨開啟任意一臺(但保持一臺是開啟的)，兩臺機組同時開啟或單獨開啟時，其工作邏輯是一致的，何時同開或單開，取決井場氣井壓力。通過軟件平臺的程序設計對煤層氣井特征數據的智能分析、快速掌握每口井的排采特征，據此將接收到的排采任務分解為若干個排采控制周期，根據每個控制周期的井況實施針對性的控制。該系統針對穩產階段，穩壓排采，定產排采，設計不同的控制邏輯，當控制模塊接收到排采任務時，依據判斷當前的排采階段，執行對應的控制邏輯。

通過負壓排采智能評價系統與往復式壓縮機配合，研究出負壓排采效果與工作制度的關系，閥組與單井進管網的關系，分析影響單井負壓排采效果的各因素間的關系，確定井口負壓與產氣量的最佳匹配參數，通過數據尋找兩者之間的規律和聯系。穩壓排采參數綜合調節將井底流壓控制在最適合解析的范圍內，尋找井筒內液面高度和井口負壓的最佳匹配參數之間至關重要的規律和聯系，根據產氣量變化及井下壓力變化，為每一口井摸索制定穩壓排采的井底流壓上下限；定產排采參數綜合調節將產氣量控制在最適合生產的范圍內，尋找井筒內液面高度和井口負壓的最佳匹配參數之間至關重要的規律和聯系，根據生產井的產能和井下壓力變化情況，為每一口井摸索制定定產排采的產氣量上下限，最終達穩產、增產的目標，以便更好地服務煤層氣排采生產。

4 現場應用效果

經過多次現場調研， 對排采裝備產品的機、 電、 信、 控一體化方案進行研究， 通過兩套系統近一年多的連續運行，在保德區塊選擇產氣量呈明顯衰減趨勢，接近煤礦采空區的老井開展煤層氣井負壓排采試驗，各項技術指標均達到了設計要求。負壓排采期間壓縮機參數調整數據變化曲線如圖2所示。

圖2 負壓排采期間壓縮機參數調整數據變化曲線

5 結論與認識

(1)基于煤層氣井排采動態預警指標體系的軟件平臺建設思路，負壓排采智能評價系統實現了實時監控，短信預警，動態跟蹤，對比分析，自動調控，降低成本，提高工作效率。

(2)通過大量的監測數據表明，液面自動監測儀測試數據結果精確可靠，儀器工作穩定、結構簡單、安裝方便，具有廣泛的推廣應用價值，對于

需要連續監測的煤層氣井，通過對比測試可以代替井下壓力計，綜合使用成本低，適合層氣井場數字化建設需要，為煤層氣井連續液面監測方案，提供了一種新方法。

(3)通過研究煤層氣定量化排采自動調控主要技術參數和相關工藝流程，尋找排采規律，制定排采制度，采用智能曲線分析系統，數據篩選更加便捷，報表生成更簡單，減少生產技術繁忙分析過程。

(4)通過分析對比煤層氣井排采數據，合理劃分排采生產階段并總結出不同階段排采參數與產量之間的變化規律，運用動態監控技術、數據分析技術，趨勢預測技術，實現對煤層氣井負壓排采的實時監控數據分析與輔助決策，符合煤層氣井數字化的可靠低成本運行理念。

(5)通過技術研究與試驗，投入使用數據準確可靠，自動調節性能良好，執行排采制度精度高，故障率低，實現了穩壓排采和定產排采對煤層氣提產的效果，滿足精細化排采要求。