摘要：目前煤層氣排采控制正向著更加智能化的方向發(fā)展。針對(duì)現(xiàn)有煤層氣排采系統(tǒng)存在的控制精度不足、生產(chǎn)成本高等問題，設(shè)計(jì)了一種智能控制的煤層氣排采系統(tǒng)。通過計(jì)算井底流壓的測(cè)量值與設(shè)定值差值，控制排采設(shè)備的工作頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排采系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。利用無線傳輸方式將信號(hào)發(fā)送至排采單元，可以實(shí)現(xiàn)排采工作的全程監(jiān)控。以胡底工區(qū)項(xiàng)目為系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象，驗(yàn)證了井底流壓調(diào)節(jié)精度能夠滿足要求，該系統(tǒng)有效且運(yùn)行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：煤層氣;排采系統(tǒng);智能控制

0 引言

煤層氣是一種環(huán)保、綠色的清潔能源。井底流壓充分反映了產(chǎn)氣量的滲流壓力特征，是合理制定排采制度和進(jìn)行精細(xì)化排采控制的基礎(chǔ)[1]。國外對(duì)于排采控制的重視程度和研究力度較小，主要是由于國外煤儲(chǔ)層普遍具有高壓高滲特征，掩蓋了煤層氣井排采過程中物性變化和流體相態(tài)變化對(duì)產(chǎn)氣量的影響[2]。鄒宇清等[3]對(duì)煤層氣排采各階段的自動(dòng)控制邏輯和方法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了煤層氣排采的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，采用了產(chǎn)氣量和產(chǎn)水量聯(lián)動(dòng)控制的排采方式，當(dāng)產(chǎn)氣量或者產(chǎn)水量不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)幅度劇烈的情況，影響井底流壓的穩(wěn)定性。本文針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了一種煤層氣精準(zhǔn)排采監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過排采控制算法，實(shí)現(xiàn)井底流壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 煤層氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，煤層氣排采系統(tǒng)主要由管理檢測(cè)單元、排采控制單元以及現(xiàn)場(chǎng)采集單元組成。管理檢測(cè)單元配備了無線基站、云服務(wù)器及管理端等，是工作人員操作及數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)交換的功能單元。排采控制單元有現(xiàn)場(chǎng)終端，控制中心是實(shí)現(xiàn)智能控制的重要單元?，F(xiàn)場(chǎng)采集單元的采集數(shù)據(jù)包括水流量、井下壓力、溫度等，因此在采集單元中設(shè)置了多種傳感器。

煤層氣排采工作要減少對(duì)煤儲(chǔ)層的傷害，為此在煤礦井下布置了多種傳感器。傳感器將水流量、壓力、溫度等信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制中心用通信接口與模擬量接口實(shí)時(shí)采集各種信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過程序設(shè)定的算法處理后發(fā)出。在信號(hào)處理過程中，井底流壓的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果會(huì)不斷趨近于設(shè)定值，這樣就實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)自動(dòng)控制。管理檢測(cè)單元會(huì)對(duì)排采控制中心的信號(hào)做出調(diào)節(jié)指令，做到完整的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控。

2 煤層氣控制軟件與用戶界面

2.1 ? ?煤層氣控制軟件

煤層氣系統(tǒng)控制軟件用C++語言編寫，包括了數(shù)據(jù)采集程序、排采控制程序及通信服務(wù)程序。井下傳感器將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)采集端，這是串口通信程序的編寫依據(jù)。井底流壓的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)排采控制單元中的PID算法逐漸接近預(yù)先設(shè)定的數(shù)值，當(dāng)實(shí)測(cè)值無限趨近于設(shè)定值時(shí)，排采工作的效率到達(dá)最高。排采監(jiān)控系統(tǒng)需要一種異步通信消息協(xié)議，故在TCP協(xié)議?；A(chǔ)上構(gòu)建了MQTT協(xié)議。MQTT協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)訂閱并發(fā)布信息傳輸協(xié)議，在不穩(wěn)定的條件下，從空間和時(shí)間上分離發(fā)送者與消息接受者。排采監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯報(bào)與云端系統(tǒng)上的所有程序都遵照MQTT協(xié)議執(zhí)行，該協(xié)議也可以在不同環(huán)境中拓展。

程序初始化后進(jìn)行參數(shù)配置。當(dāng)數(shù)據(jù)采集期到期后，程序查詢現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)控制時(shí)間后，程序自動(dòng)調(diào)節(jié)井底流壓值。服務(wù)器接受到調(diào)節(jié)命令后會(huì)發(fā)送排采控制指令，若數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間已到，則完成此控制過程。整個(gè)程序往復(fù)循環(huán)，經(jīng)過多次循環(huán)后就實(shí)現(xiàn)了實(shí)際值無限趨近于設(shè)定目標(biāo)。

井底流壓的控制是根據(jù)PID算法實(shí)現(xiàn)的，該算法可以使井底流壓的排采控制在平穩(wěn)的過程中并逐漸降低。PID算法原理為：首先比較井底流壓的測(cè)量值與實(shí)際值，比較結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤差值并將該值作為一個(gè)獨(dú)立信號(hào)發(fā)出。

處理器收到誤差信號(hào)后進(jìn)行糾偏運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果即為調(diào)節(jié)誤差的指令。糾偏指令通過執(zhí)行器改變工作頻率，控制電機(jī)速度以及排采設(shè)備轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)中的井下壓力計(jì)來糾正井底流壓的精度，此程序循環(huán)運(yùn)行形成自動(dòng)閉環(huán)控制流程。

2.2 ? ?煤層氣用戶界面

控制程序可連接智能手機(jī)，在使用過程中可通過人機(jī)交互界面直接觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作。手機(jī)操作界面主要包括設(shè)備運(yùn)行工作量參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間參數(shù)、設(shè)備硬件參數(shù)、參數(shù)實(shí)時(shí)和歷史曲線、設(shè)備故障分類、設(shè)備報(bào)警推送等內(nèi)容。

3 煤層氣排采項(xiàng)目試驗(yàn)

本文以胡底工區(qū)項(xiàng)目為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試了排采系統(tǒng)的控制效果。試驗(yàn)為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，可以體現(xiàn)排采系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性和在煤層氣開發(fā)項(xiàng)目上的運(yùn)行穩(wěn)定性。胡底工區(qū)項(xiàng)目的井場(chǎng)日常管理采取定時(shí)巡查機(jī)電設(shè)備、人工抄表的工作機(jī)制。由于地理環(huán)境的特殊性，工區(qū)氣井、集輸站多數(shù)在偏遠(yuǎn)山區(qū)，路途遙遠(yuǎn)，交通環(huán)境惡劣，尤其在雨雪天氣，職工需每天駕車到山區(qū)各個(gè)井場(chǎng)巡查的工作方式，存在耗時(shí)間、耗油量、人力資源利用低、安全隱患多等弊端。一旦井場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，就會(huì)影響到公司氣量的生產(chǎn)任務(wù)，給公司造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失?；谝陨锨闆r，該項(xiàng)目十分適合作為煤層氣排采系統(tǒng)的試驗(yàn)對(duì)象。

胡底工區(qū)項(xiàng)目的煤層具有較大的瓦斯含量和壓力。測(cè)試的三號(hào)礦井使用管式泵與抽油機(jī)外加油套環(huán)并聯(lián)工作的方式進(jìn)行區(qū)域作業(yè)。根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果與相鄰煤礦的排采曲線制定了排采方案，方案劃分為4個(gè)階段：排水階段、產(chǎn)氣量提高階段、產(chǎn)氣量平穩(wěn)階段、產(chǎn)氣量衰減階段。每個(gè)階段的井底流壓日降數(shù)值分別0.04 MPa、0.03 MPa、0.01 MPa、0.005 MPa，同時(shí)設(shè)置了排水階段的壓力誤差為±0.01 MPa，產(chǎn)氣量提高階段的壓力誤差為±0.005 MPa。若用Pd表示井底流壓降低幅度，即試驗(yàn)日期的井底流壓與前一日的井底流壓間的差值。在一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，實(shí)時(shí)采集到的井底流壓制作出的井底流壓變換趨勢(shì)如圖1所示。

由圖1可以看出，煤層氣排采控制系統(tǒng)在完成排采監(jiān)控工作時(shí)具有明顯效果，圖中兩條曲線呈逐漸接近趨勢(shì)，說明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了事先預(yù)定的目標(biāo)。井底流壓的給定值與實(shí)際測(cè)量值的誤差穩(wěn)定控制在0.5%左右，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的煤層氣排采控制。

4 結(jié)語

煤層氣井類型多樣，不同階段的排采調(diào)整需要由智能控制系統(tǒng)控制。本文設(shè)計(jì)的排采智能控制系統(tǒng)，利用了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸及云服務(wù)器等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了排采數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。通過改變變頻器的工作頻率，調(diào)節(jié)排采相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行速度，形成了一套完整的井底流壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。以胡底工區(qū)項(xiàng)目為系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象，結(jié)果顯示該系統(tǒng)可以到達(dá)精確調(diào)節(jié)井底流壓的目的，并且誤差均值在0.5%左右，滿足控制要求。

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收稿日期：2020-04-27

作者簡介：鞏海歐（1986—），男，山西高平人，助理工程師，研究方向：煤層氣地面開發(fā)設(shè)備。