智能化煤層氣井技術研究及應用

摘 要 通過對煤層氣開采的單井全方位感知和全智能控制技術進行研究，形成了完善的煤層氣井全自動排采管控模式。從煤層氣井智能化的兩個方面進行了研究——對調節閥做了改進，對功圖算水技術進行了改良。應用結果表明：所提智能化煤層氣井技術在煤層氣井智能化應用方面是有效的。

關鍵詞 煤層氣井 智能化 功圖算水 氣量智能調控 調節閥

中圖分類號 TE37"" 文獻標志碼 B"" 文章編號 1000-3932（2024）05-0950-06

近年來，我國煤層氣數字化氣田規模逐步擴大，正逐步實現生產數據的自動采集和生產井的遠程控制。中石油華北油田山西煤層氣勘探開發分公司（以下簡稱分公司）目前每日有大量的巡檢任務和儀表設備維護任務，生產管理用工人數多，隨著高質量發展的需要，降低人工成本、提高企業效益已成為大勢所趨［1］。長期以來，煤層氣井自動化建設的主要目標是實現數據采集和遠程啟停井控制［2］，其中數據采集以關鍵參數采集為核心，例如氣量、沖次等，而其他諸如電量、功圖、水量等數據并未納入必備選項。因此，要實現企業生產的全面智能化轉型，就需要對基礎技術進行研究。

分公司自動化系統運行至今，各項技術已經成熟，現階段雖初步實現了有人巡檢、無人值守的目標，但日常排采工作中還需要大量人員參與，費時費力。目前，單井自動化仍存在以下3方面問題：單井數據采集不夠完善，智能排采控制系統不完善，設備監測不完善。這些問題導致現階段井場無法實現按需巡檢的目標。隨著無人職守技術的發展，進一步完善集氣站數字化建設是極為必要的。

筆者以煤層氣XX-1井組為研究對象，通過研究單井關鍵生產參數的全面感知，形成完善的煤層氣井全自動排采管控模式，一方面可以達到減員增效的目的，另一方面可以為后續產能建設提供模板標桿，實現自動量水、自動調氣、設備狀態監測等功能，達到按需巡檢、智能管控的目的；同時開展智能化場站的適應性分析并評估效果，以期對今后煤層氣智能化發展提供技術經驗支撐。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

目前，國外油田普遍建立了從原油生產、儲存到銷售的全面監控的自動化管控系統。英國石油公司建立的自動化監控系統可以根據地質情況自動控制油井產量，保證地層原油達到最大采收率。美國油田考慮到原油銷售過程中溫度影響體積導致的銷售差額，將其設置到自動化管理系統中。2009年，挪威國家石油建立了數字化海上平臺，達到了全面感知、全面管控的智能化生產目標，實現了包括鉆井、采油、集輸等環節在內的預警和故障實時診斷，并達到了較高的智能化水平。

1.2 國內研究現狀

我國煤層氣井技術在自動化管控領域起步較晚，山西晉城晉煤集團藍焰集團的煤層氣生產初步實現了自動化數據采集，但是沒有形成專用的通信網絡以及相適應的配套管理體系；格瑞克公司生產的煤層氣資源一部分供給LNG加氣站，另一部分輸入到分公司的處理中心進行增壓、脫水、計量處理和銷售；亞美大陸煤層氣公司實現了對煤層氣井壓力、流量等的監控，但是在煤層氣的智能控制排采和生產數據管理方面還沒有形成成熟穩定的大型配套系統。

2 實現智能化煤層氣井的關鍵技術

煤層氣自動化技術是在煤層氣開采過程中產生的一種新興技術，由PLC和生產參數采集模塊組成。PLC是整個系統的核心，安裝在單個排采井上，可以直接接入井底流壓、套壓、管壓、變頻器頻率等生產參數，還可以采集電機啟停狀態等檢測信號，通過短距離有線傳輸，將多項參數融合傳輸至遠端中控室［3～5］，通過上位機系統實現遠程啟停井、遠程調參，從而提高排采管控的效率。

智能排采控制是在自動化實施后自主研發的一種新技術，可在無人直接參與下使生產過程或其他過程按期望規律或預定程序進行。整個控制系統的核心為井底流壓，智能排采控制器通過運算給變頻器一個頻率，當井底流壓不滿足工作制度時對煤層氣井沖次進行調節，最終達到工作目標實現煤層氣井的平穩運行，減輕人員的工作負擔，實現精細化排采。

2.1 氣量智能調控技術

煤層氣井排采氣量的調節至關重要，尤其在氣水兩向流階段，在該階段若氣量調節不平穩將造成流壓頻繁波動，使得煤層氣排采控制無法連續穩定，導致煤層氣排采事故的發生。為此，根據煤層氣井生產特點，定制了一種具有特殊流量特性的調節閥，用于解決單井調氣難的問題，進而通過自動化手段實現遠程智能氣量調控。但是在實際應用過程中還存在一些問題，例如產氣曲線波動大、供氣能力與放氣量不匹配、套壓波動大的問題，流壓、套壓、放氣量三者之間平衡關系不穩定的問題。為此，筆者提出一種智能調氣控制方法，實現定閥門開度、定放氣量、定放氣增量、定套壓降速率的氣井智能調控。同時，通過穩產期帶優先級的自動控制，實現在流壓安全范圍內的套壓控制，只需明確流壓安全范圍，確保儲層受影響小、流壓波動小，即可保證產量穩定。

其次，筆者研究了一種變壓差下的高精度調節閥。目前，閥門流量特性與現場控制要求是存在普遍矛盾的。不同壓差下，常規調節閥相同開度對應的流通能力是不同的［6～8］。如圖1所示，對0.8 MPa套壓與0.05 MPa套壓下的流通能力進行對比，閥門開度假設為50%，此時流通能力比為50∶2.5；另外，當套壓降低后，全開閥門也無法達到連續調氣的要求。

常規閥門一般有4種流量特性（圖2）：快開、直線、拋物線、等百分比。這4種閥門流量特性均無法適用于煤層氣生產井。經測試，V形球閥、截止閥等的控制曲線無法滿足單井排采全生命周期的氣量調整，因此需要采購具有針對性開發的閥門。

如圖3所示，通過在0.1、1.0 MPa閥前壓力、0.05 MPa閥后壓力的條件下進行流量曲線擬合，對常規閥芯結構進行優化設計，將閥芯設計成近似拋物線結構，如圖4所示。

煤層氣井的放氣過程是在一定高套壓的條件下逐漸放氣的，氣量起始流量較小，僅為100～200 m3/d，所以在高壓差下閥芯的開度必須非常小。隨著生產的進行，流量逐漸增加，閥門開度相對增大。在充分模擬現場生產情況的基礎上，確定合理的流量特性曲線，即可設計出符合要求的閥芯結構。

最后，筆者對智能調氣控制工藝流程進行了設計。通過查閱文獻［9］可知：當旋進旋渦流量計上游存在收縮管、閥門等阻流件時，會對流量計內的流動產生干擾，進而影響測量準確性。通過對不同形式旋渦流下的旋進旋渦流量計內的流場進行分析可以發現，正向旋渦會減小流量計進口熵產進而減小流量計內的壓力損失，反向旋渦的作用則相反。

以XX-1井組為例，其關鍵變量計量情況如圖5所示，可以看到XX-1-1L井在正常生產過程中出現了計量斷續情況，只有當瞬時氣量在70 m3/h左右時才能被顯示，這極大地影響了流量調節及其調節精度。根據現場情況，通過調整不同供氣量進行試驗，發現只有關斷該閥組其他計量管線，XX-1井組的瞬時氣量才能連續且穩定，由此可見，并聯閥組的干擾是影響氣量準確調整的一個重要因素。

研究發現造成斷續計量問題的原因為：一是閥門安裝位置不合適；二是流量計前后直管段過短，針對這種情況，筆者將調壓閥安裝到套壓測試閥門外部，以充分加長閥門至流量計穩壓段的長度，減少湍流引起的流量計波動。

根據排采原理實現智能調氣控制技術，即定閥門開度、定放氣量、定放氣增量、定套壓降速率的氣井智能調控邏輯及技術。從現場控制情況看，新結構的電動調節閥完全滿足單井放氣要求，調節精度可以達到300∶1，可以準確實現遠程調氣功能。

2.2 功圖算水技術

應用邊緣計算技術，實現抽油機運行狀態監測示功圖算水技術。通過測試排采井地面示功圖，應用桿柱、液柱和油管三維振動系統數學模型求解，得到井下各級桿柱功圖和泵功圖，然后依據排采井深井泵工作狀態與排采井產出水液量變化關系，從而確定泵的有效沖程、充滿系數和氣體影響程度。最后對此泵功圖進行定量分析，從而確定泵的有效排量，求出地面折算排采井產出液量。

油氣井有桿泵系統包括井口檢測設備和診斷計量分析軟件。其中，井口監控可實現對排采井的24 h實時監控，診斷計量軟件接收數據后可以進行分析計算、入庫和發布。

示功圖算水技術是把油氣井有桿泵系統視為一個復雜的振動系統（包含抽油桿、油管和井液3個振動子系統），在一定的邊界條件（如3個振動子系統的連接條件）和一定的初始條件（如周期條件）下，對外部激勵（地面功圖）產生響應（泵功圖），其流程如圖6所示。

通過建立油氣井有桿泵抽油系統的力學和數學模型，可以計算出給定系統在不同井口示功圖激勵下的泵功圖響應。

其中，固定凡爾、游動凡爾的開啟、關閉點是判斷決定有效沖程、充滿程度的重要指標，固定凡爾、游動凡爾的開啟、關閉點的相關面積是計算泵漏失量的重要依據，可計算出一沖的泵產出液，全天24個功圖，累計可以得到綜合日產量。

采用優化后的無線載荷角位移示功儀采集準確功圖，然后在一體化采集軟件上建立相應配置的單井，綁定數據庫，以實現功圖數據完整、穩定、連續的采集與入庫，最后算產軟件根據數據庫中的功圖數據、氣藏參數和抽油機參數計算產水量，并在Web網頁上準確顯示。

遠程調氣和功圖算水技術彌補了智能控制技術的缺陷，降壓、穩壓井的控制思路精簡、細化，形成了一套新的控制流程，將此流程寫入PLC中，最終達到了通過PLC編程實現智能排采的目的。針對煤層氣井后期產水少、干磨的問題，通過設置壓力限幅或采用周期方法可以實現自動啟停，流壓平穩，套壓精細控制，氣量自動調節，模型自動切換，設備問題自動預警，真正實現了按需巡井。

3 應用效果

對XX-2井組等50口井增加自動放氣閥后，解決了初期流壓控制不穩定的問題，井底流壓控制誤差減小至±1%以內，如圖7所示。結合智能控制技術，實現了煤層氣全生命周期流壓的穩定控制。在對XX-3井組和XX-4井組安裝煤層氣無線載荷加速度示功儀，并依托自動化系統實現功圖算水后，誤差平均值僅6%，節省了人員上井測量功圖測量水量的時間，產水量大于1 m3，泵效大于80%，可推廣應用。

4 結束語

智能化煤層氣井技術為大規模開發煤層氣田儲備了技術基礎，簡化優化了崗位設置，轉變了企業用工方式，節約了人力成本，提高了工作效率和井站管控水平。精細化單井排采管控不但節約人力資源，還進一步提升了單井控制精度，降低了生產過程中人為操作對管控體系的沖擊，減少了系統波動，保證了產氣量的持續穩定。全面實現煤層氣井智能化技術對煤層氣行業的低成本開發和高效益生產模式起到了技術支撐，實現了企業經濟效益最大化。后續可進一步完善智能調氣試驗，從而實現流壓、套壓、放氣量的三者平衡，達到按地產能力有序提產的目的。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-08-25，修回日期：2024-09-03）