江 濤 范 旭 黃秋憶 章錦素

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.杭州邦維流體技術(shù)有限公司，浙江 310018)

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益突出，致密砂巖氣在能源供應(yīng)方面正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,其儲(chǔ)量不斷被探明，致密氣的開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。我國(guó)致密砂巖氣藏大多處于沙漠或半荒漠化地帶，地域分布廣泛，相對(duì)位置偏遠(yuǎn)、周遭環(huán)境惡劣、人為破壞嚴(yán)重，對(duì)井場(chǎng)的監(jiān)控依賴(lài)人工值守，每日定期檢查儀表設(shè)備運(yùn)行情況，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)信息。這種落后的工作方式，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力才能維護(hù)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，必然增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)影響著數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，最重要的是由于監(jiān)控效率低，問(wèn)題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)可能帶來(lái)不可估量的嚴(yán)重后果。顯然傳統(tǒng)的人工巡井方式已不再滿(mǎn)足生產(chǎn)管理的需求。

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，智能化成為了致密氣井場(chǎng)建設(shè)發(fā)展的重要方向。因此，建立一套井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表、傳感器等的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可靠數(shù)據(jù)傳輸，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，井場(chǎng)全天視頻監(jiān)控，構(gòu)建信息化的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，進(jìn)而提升和改造傳統(tǒng)作業(yè)模式，提高生產(chǎn)能力和管理效率，對(duì)致密氣井場(chǎng)智能化發(fā)展具有戰(zhàn)略性意義。

2 致密砂巖氣井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

(1)致密砂巖氣井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

致密砂巖氣井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)智能監(jiān)控系統(tǒng))由數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)三部分構(gòu)成，整體架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)儀表，現(xiàn)場(chǎng)RTU控制柜和數(shù)據(jù)云管理中心三層次組成，現(xiàn)場(chǎng)儀表包含撬裝流量計(jì)、撬裝壓力計(jì)和集氣樹(shù)壓力計(jì)等；現(xiàn)場(chǎng)RTU控制柜包含數(shù)據(jù)傳輸模塊、嵌入式軟件系統(tǒng)和控制器；數(shù)據(jù)云管理中心為SAAS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)操作管理系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控?cái)z像頭和4G網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，攝像頭采用?？?G網(wǎng)絡(luò)高清一體式球機(jī)。光伏離供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板和蓄電池組成。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D

(2)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)分三個(gè)層次，現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)控制柜和數(shù)據(jù)云管理中心。

現(xiàn)場(chǎng)儀表包含撬裝流量計(jì)、撬裝壓力計(jì)和集氣樹(shù)壓力計(jì)(含油壓壓力計(jì)和套壓壓力計(jì))。現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器選擇條件為滿(mǎn)足使用的工況條件的前提下，具有無(wú)限通訊功能，如具有短距離低功耗無(wú)線遠(yuǎn)傳模塊Zigbee模塊，將采集所得數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee通訊實(shí)時(shí)傳輸至控制器。撬裝流量計(jì)和撬裝壓力計(jì)安裝在井場(chǎng)致密氣采集撬裝管道上，集氣樹(shù)壓力計(jì)安裝在井口集氣樹(shù)上。各個(gè)集氣樹(shù)采出的氣體匯總到計(jì)量撬，最后匯集輸送到集氣站。

無(wú)線中繼安裝在井場(chǎng)RTU控制柜中，接收所有現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(包含集氣樹(shù)的壓力計(jì)以及撬裝的壓力計(jì)和流量計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)儀表)模擬量及數(shù)字量，存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)器中并通過(guò)RS-485通訊將數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制器通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)云管理平臺(tái)。

數(shù)據(jù)云管理中心采用SAAS平臺(tái)，通過(guò)瀏覽器登錄。任何覆蓋網(wǎng)絡(luò)的地方，都可設(shè)立數(shù)據(jù)云管理中心，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收控制器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)云管理中心將長(zhǎng)期保存其管轄范圍內(nèi)的所有井場(chǎng)的所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的顯示、查詢(xún)、分析和打印等。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能為通過(guò)高清攝像頭實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)巡邏，安防管理。攝像頭可以全方位360°水平旋轉(zhuǎn)，垂直-15°～90°；可設(shè)置300個(gè)預(yù)置點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)8條定點(diǎn)巡航路線，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵式巡邏，視頻畫(huà)面4G遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)管理中心，實(shí)現(xiàn)錄像主機(jī)與球機(jī)一體化，減少人工現(xiàn)場(chǎng)巡邏。

(4)光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)功能

光伏離網(wǎng)供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板和蓄電池組成。根據(jù)井場(chǎng)所處的地理位置經(jīng)緯度及峰值日照時(shí)數(shù)確定太陽(yáng)能板最佳傾斜角度，根據(jù)負(fù)載功率及電壓計(jì)算所需太陽(yáng)能板數(shù)量，給整個(gè)智能化系統(tǒng)供電。

3 智能化系統(tǒng)在臨興區(qū)塊氣田的應(yīng)用

(1)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

致密氣開(kāi)采智能化系統(tǒng)已經(jīng)在山西臨興區(qū)塊氣田得到了實(shí)施應(yīng)用，具有成功經(jīng)驗(yàn)。以LX-105井場(chǎng)監(jiān)控方案為例，該井場(chǎng)為臺(tái)式井，共有5口井，儀表分布情況見(jiàn)表1。

表1 105井場(chǎng)儀表分布狀況

油壓和套壓壓力計(jì)安裝在集氣樹(shù)上，每個(gè)集氣樹(shù)上安裝一組，分別采集井底噴出致密氣的油壓和套壓。數(shù)據(jù)通訊方式為Zigbee無(wú)線傳輸。

計(jì)量撬壓力計(jì)裝在計(jì)量撬上，采集致密氣匯總到計(jì)量撬的壓力，數(shù)據(jù)通訊方式為Zigbee無(wú)線傳輸。

計(jì)量撬流量計(jì)采用高壓耐磨損旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，每個(gè)撬裝安裝一臺(tái)如圖2所示。流量計(jì)采集通過(guò)計(jì)量撬的致密氣的流量，就地顯示標(biāo)況流量、標(biāo)況總量、溫度、壓力、工況流量，并將以上數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee無(wú)線傳輸?shù)綗o(wú)線中繼站。

圖2 井場(chǎng)撬裝及監(jiān)控設(shè)備安裝場(chǎng)景

計(jì)量撬附近設(shè)RTU現(xiàn)場(chǎng)控制柜，無(wú)線中繼設(shè)在RTU控制柜中，無(wú)線中繼也叫中轉(zhuǎn)站，接收井場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)管理中心。管理人員通過(guò)瀏覽器，輸入管理員賬號(hào)和密碼登錄，選擇對(duì)應(yīng)單位，要查看的井場(chǎng)，選擇進(jìn)入狀態(tài)信息界面或歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面。狀態(tài)界面實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)的相關(guān)信息，集氣樹(shù)油壓、集氣樹(shù)套壓、標(biāo)況流量、氣體溫度、氣體壓力和管道壓力，以曲線形式表示。以上數(shù)據(jù)以及氣體總量、時(shí)間等數(shù)據(jù)以表格形式顯示。查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)時(shí)，選擇設(shè)置時(shí)間段，可以選擇數(shù)據(jù)以曲線、圖表、EXCEL表格形式顯示，也可以直接生成工作日?qǐng)?bào)，可以直接打印。圖3為2020年1月9日集氣樹(shù)油壓、集氣樹(shù)套壓、標(biāo)況流量、氣體溫度、氣體壓力和管道壓力參數(shù)變化曲線，數(shù)據(jù)采集間隔2分鐘。

圖3 臨興區(qū)塊數(shù)據(jù)管理中心105井場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線

圖3中數(shù)據(jù)曲線表明，該采集時(shí)間段內(nèi)，集氣樹(shù)套壓無(wú)壓力，數(shù)據(jù)為0，集氣樹(shù)油壓在2.5～3.0MPa之間波動(dòng)，管道壓力穩(wěn)定在1.74MPa,由于流量計(jì)安裝位置與管道壓力采集位置不同，存在管道壓力損失，流量計(jì)壓力約為1.8MPa,由于對(duì)工況流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償后，流量計(jì)標(biāo)況流量與流量計(jì)溫度成正比關(guān)系，故兩者變化趨勢(shì)相同，該采集時(shí)間段，標(biāo)況流量變化范圍為90～140m3/h。

(2)視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

氣田與油田、礦區(qū)都具有共同特點(diǎn)，地理位置偏遠(yuǎn)且分散，不同井場(chǎng)之間需經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)小時(shí)車(chē)程，現(xiàn)場(chǎng)管理需要配備較大人力和物力，卻難以保證實(shí)時(shí)監(jiān)控井場(chǎng)運(yùn)行情況，故視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了一人通過(guò)電腦操作遠(yuǎn)程管理多個(gè)井場(chǎng)，完成現(xiàn)場(chǎng)管理。應(yīng)用區(qū)塊安裝一個(gè)攝像頭，實(shí)現(xiàn)整個(gè)井場(chǎng)全天視頻巡邏，達(dá)到預(yù)定效果。

(3)太陽(yáng)能供電方案計(jì)算

致密氣井場(chǎng)位置偏遠(yuǎn)，供電困難，致密氣開(kāi)采智能化系統(tǒng)整體功耗低，均采用無(wú)線傳輸，故可配置綠色電源-太陽(yáng)能供電以滿(mǎn)足系統(tǒng)的用電需求，對(duì)太陽(yáng)能板的配置方案進(jìn)行計(jì)算。

鄂爾多斯盆地臨興中區(qū)塊，位于山西臨縣和興縣境內(nèi)，歸屬于呂梁地區(qū)。經(jīng)度111.1°，緯度37.5°，峰值日照實(shí)數(shù)4.46，最佳安裝傾角36°，105井場(chǎng)井口功耗見(jiàn)表2。

根據(jù)中聯(lián)煤山西臨興區(qū)塊氣田智能井場(chǎng)建設(shè)需求以及現(xiàn)場(chǎng)儀表實(shí)際功率，計(jì)算設(shè)計(jì)72W離網(wǎng)系統(tǒng)，所需太陽(yáng)能板和蓄電池?cái)?shù)量。

據(jù)統(tǒng)計(jì)該地區(qū)氣象條件，降水較少，連續(xù)陰雨天超過(guò)3天的概率較小，以續(xù)航時(shí)長(zhǎng)3天為例，選擇規(guī)格為工作額定電壓DC24V功率265W，每日發(fā)電量平均為650Wh的太陽(yáng)能板，當(dāng)前井口每日所需電量為1728Wh，太陽(yáng)能板數(shù)量=所需電量/每塊太陽(yáng)能發(fā)電量=(72*24)/650≈2.7塊。

以現(xiàn)場(chǎng)工作額定電壓DC24V計(jì)算，假設(shè)陰雨

表2 105井場(chǎng)井口功耗

天氣連續(xù)工作3天，蓄電池效率為70%，所需蓄電池?cái)?shù)量：

蓄電池?cái)?shù)量=所需電量/每塊蓄電池容量=(72W*24H*3D)/(24V*200AH*0.7)≈1.5塊。

考慮一定的安全系數(shù)，使用3塊265W太陽(yáng)能板以及4塊12V、200AH蓄電池組成供電陣列，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)弱電設(shè)備的用電需求。

4 結(jié)論

致密砂巖氣井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用在減少人工巡檢、降低經(jīng)營(yíng)成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、可靠傳輸和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的全面監(jiān)控，符合國(guó)家工業(yè)信息化建設(shè)要求；

智能化系統(tǒng)無(wú)線傳輸方式大大降低了系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源；減少因供電而產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)施工工作；避免了因施工而帶來(lái)的系統(tǒng)線路故障，避免了二次施工。

光伏離網(wǎng)供電，具有清潔性、安全性、廣泛性、長(zhǎng)壽命和免維護(hù)性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，符合國(guó)家能源管理要求。

井場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改進(jìn)后還可以根據(jù)具體情況控制井底閥門(mén)開(kāi)停情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)致密氣開(kāi)采過(guò)程及井場(chǎng)的自動(dòng)化監(jiān)控。