基于PLC技术的煤层气井生产监控系统智能排采功能的设计与实现

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　　摘 要 华北油田于2009年在沁水盆地建成我国首个数字化煤层气田，具备数据采集、远程控制、视频监控的能力。伴随着煤层气产能建设的快速发展，对煤层气井信息化的各项要求越来越高，单纯数据采集、远程控制和视频监控已无法满足煤层气生产信息化需求，煤层气智能排采被提到议事日程，构建一套煤层气井生产监控自动化系统，提升煤层气开采效果，成为当务之急。
　　关键词 煤层气井;生产设计;生产监控
　　1 煤层气井生产概述
　　煤层气井生产过程主要分为以下三个阶段：
　　第一阶段排水降压，主要排水，同时伴随有少量溶解气、游离气产出;当煤排水至解析压力临界以下时，进入稳定生产。
　　第二阶段稳定生产，储层甲烷分子在该阶段迅速解析，并在煤层裂隙中扩散，增加了气的相对渗透率，产气量逐渐增大;而降低了水的相对渗透率，排水量逐渐减小，最终形成产气为主，并达到产气高峰，而排水量则相对稳定在较低的水平。
　　第三阶段产量下降，由于地层能量逐渐衰竭，排水产气量均大幅下降。
　　煤层气井关井、卡泵、修井等因素，会导致煤层气排采的非连续性，致使液面波动，地层压力不能持续平稳下降，甚至造成排采终止，给排采带来诸多不良影响。主要表现在：
　　（1）储层压力变化，首先易造成储层裂缝闭合，使渗透率降低，气体解析更加困难;其次造成已经解析出来的甲烷在煤层中重新吸附，易造成气锁现象。
　　（2）水再次将裂隙填充，造成水锁现象，阻碍气体流动。
　　（3）因修井终止排采，敏感性储层容易受外来物质的影响，造成伤害， 如果固相颗粒进入煤储层，微孔隙微裂缝受其影响，堵塞渗流通道，渗透率急剧下降，使井的产气能力大幅下降。
　　（4）回压造成压力波及的范围变小，降压漏斗不能有效扩展，只有围绕在井筒附近小范围内的煤层实现了降压，少量煤层气被解吸出来：恢复排采后气产量变化不大，经过长时间排水，渐渐恢复到停排前的状态[1]。
　　2 煤层气井生产系统设计目标及原则
　　系统通过设计和部署一套基于PLC技术的煤层气井生产监控自动化系统，使煤层气生产管理人员迅速准确掌握煤层气井的工作状况，故障隐患，并可远程控制煤层气排采设备，从而达到提高煤层气井生产管理水平、提高工作效率、经济效益，并改善煤层气员工工作条件的目的，同时基于该系统的实现，构建并实现煤层气井的智能排采功能。
　　2.1 系统设计原则
　　（1）先进性：系统在传统油气藏信息化的经验和成果的基础上进行方案的设计，使系统的技术性能和水平具有明显的先进性。
　　（2）可靠性：系统整体运行要安全可靠，性能稳定。由于煤层气生产的特殊性，非连续排采会导致煤层气井生产诸多问题，因此系统必须需采用成熟可靠的产品与技术，而且由于煤层气井生产环境复杂多样，系统必须能够在长期连续的在恶劣环境中稳定工作，生产数据不丢失、控制稳定、状态反馈真实可靠。
　　（3）通用性：在设计时，系统应具有较强的通用性，以便在各类排采设备上得以使用。
　　（4）相容性：系统应携带不同类型的传感器，测量多种参数。
　　（5）扩展性：系统的设计容量要足够大，并留有扩展余地，如新投产井、单井采集数据的增加等，满足系统今后的扩充需要。
　　（6）经济性：系统的造价经济合理，性能价格比高。
　　（7）操作维护方便性：在软件方面，要求人机界面友好，操作简便;在硬件方面，要求维护检修方便。
　　（8）井场视频监控系统构设计。系统主要由摄像机、网络视频编码器、防雷模块和电源设备构成，能够实现对井场、蒸发池进行实时监控，抓拍图片。根据用户需求，目标系统不设计大容量数据存储，适用即可。
　　（9）数据传输通信系统结构设计。由于目标系统煤层气井场数量众多，分布区域大，采取单纯有线方式连接各排采设备进行生产监控数据的通信，不具备现实意义，而且工程造价非常高。同时由于大部分井场位于山区人员稀少地区，移动联通GPRS、CDMA、4G等数据通信网络难以实现较好的覆盖，大部分井场网络信号差，难以满足通信需要，而且由于要实时监控，数据吞吐量较高，采用以上运营商通信网络，长期运营费用也很高昂。系统采用自建MCWILL基站+无线网桥+联通基站+光缆通信的设计结构。核心网络层设备包括业务接入控制器SAC、接入网络层基站BTS、交换机以及电源等主要设备，构建覆盖整个煤层气井场的无线接入系统;数据、视频信息通过MCWILL通信模块接入MCWILL基站，基站过无线网桥与联通基站连接，经联通基站至联通机房传输汇聚后，通过光缆将数据传输至數据视频监控系统。
　　（10）数据视频监控系统结构设计：生产数据监控系统采取B/S架构设计，系统由PLC通信模块、数据处理模块、用户前台操作等模块构成。视频监控系统采取C/S架构设计，用户通过安装监控客户端软件的方式查看煤层气井场视频信息。
　　（11）智能排采系统结构设计：系统主要基于数据采集控制系统所实现功能的基础上，借助PLC运算控制能力，通过PLC梯形图编程，构建井底流压与变频器闭环控制，实现煤层气井的智能排采。
　　2.3 系统基本工作原理
　　数据采集控制系统PLC通过各类传感器对煤层气井的管压、套压、井底流压、电压、电流等生产数据和状态数据进行采集;井场视频监控系统摄像机将采集到的视频监控数据通过编码器转换成能在网络上传输的视频流，与数据采集控制系统PLC共同通过MCWILL通信模块无线接入数据传输通信系统的MCWILL基站，MCWILL基站通过无线网桥连接联通基站，最后通过光缆接入数据视频监控系统监控中心机房服务器，实现煤层气井的数据采集、视频监控、远程控制、数据存储等功能。智能排采系统在系统整体实现的基础上，根据智能排采制度构建自动化闭环控制，实现煤层气井的智能排采。
　　3 问题和展望
　　本论文研究的煤层气智能排采程序虽然可以成功应用，但煤层气井井底地质情况千差万别，按照单一的排采策略制定的智能排采程序在实践中还存在着控制精度问题，尤其是在降压井井底压力控制方面还差强人意，这既有排采策略拟定方面的问题，更有智能排采程序控制单一，智能化水平不高的因素，需与煤层气地质科技人员紧密结合，不断研究，寻求适应性强、控制精度更高的煤层气井智能排采控制方法。
　　参考文献
　　[1] 申小会，毛建设，李华峰.煤层气井智能排采控制系统试验效果分析[J].中国煤层气，2018，（05）：17-19.
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