張欣欣 劉興杰 趙 騰 吳志超 王建偉 古 瑩 褚萬功 王 智

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油大港油田分公司新項目事業(yè)部)

0 引 言

隨著頁巖氣、頁巖油等非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的持續(xù)深入，工廠化鉆井、大型壓裂、多井同時測試等施工作業(yè)已經(jīng)成為常態(tài)，現(xiàn)場大量出現(xiàn)多臺地面測試設(shè)備同時施工和監(jiān)測的作業(yè)狀態(tài)[1-2]。但是，當(dāng)前國內(nèi)外油氣地面測試監(jiān)測儀均為單井作業(yè)模式，每套設(shè)備僅能監(jiān)測1井次或1套設(shè)備作業(yè)，無法滿足多井次、多設(shè)備的“工廠化”作業(yè)模式需求，造成設(shè)備資源不足、技術(shù)難以全面覆蓋現(xiàn)場要求、人員需求較多、管理難度大的現(xiàn)狀，迫切需要研發(fā)一套計量精度高、操作簡便的多井自動計量與監(jiān)測系統(tǒng)[3-6]。

1 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

在油氣地面測試計量過程中，需要對地面工藝流程中的關(guān)鍵點位進行數(shù)據(jù)采集，主要參數(shù)有井口油壓A、井口油壓B、井口溫度、加熱器溫度、加熱器壓力、下游壓力、分離器溫度、分離器壓力和孔板壓差等；同時，也要對硫化氫、可燃?xì)怏w等環(huán)境因素進行監(jiān)測，保障現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境安全有效受控；還要滿足多口井同時施工作業(yè)的監(jiān)測要求，實現(xiàn)井場數(shù)據(jù)集中采集與顯示，支持井場數(shù)據(jù)信息共享；必要時可召開專家視頻會議，對可能出現(xiàn)的特殊情況做出預(yù)警和快速反應(yīng)處理， 實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、曲線顯示、現(xiàn)場可視、專家會商的聯(lián)動性， 第一時間處理好第一手資料。為此，根據(jù)功能的不同，將該系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、氣體監(jiān)測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和專家決策指揮中心系統(tǒng)四大模塊。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集板、信號處理單元等，它們與采集軟件及后臺處理軟件共同組成完整的多井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測單元。該系統(tǒng)采用先進的隔離柵技術(shù)，將井口、除砂器、油嘴管匯、加熱器和分離器等點位的傳感器采集到的信號，通過隔離柵接入到專用數(shù)據(jù)采集板，經(jīng)過信號處理單元預(yù)處理后，由采集軟件系統(tǒng)對接收到的信號進行計算處理、生成數(shù)據(jù)和圖表并自動存儲、顯示和輸出。

1.2 氣體監(jiān)測系統(tǒng)

氣體監(jiān)測系統(tǒng)是通過傳感器、通信、單片機等技術(shù)，對鉆井、完井等危險作業(yè)場所的硫化氫、可燃?xì)怏w等作業(yè)環(huán)境中有害氣體含量進行全面監(jiān)測，實現(xiàn)井場環(huán)境氣體含量信息、設(shè)備狀態(tài)信息的集中管理和控制，并搭建氣體報警管理平臺，支持石油勘探過程中氣體含量監(jiān)測，進一步提高石油勘探現(xiàn)場工作人員人身健康安全防護水平。

氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體報警控制器、傳感器、報警器三部分組成(圖2)。當(dāng)井場空氣中有被測氣體時，傳感器可產(chǎn)生與被測氣體濃度成比例的電信號，該信號上傳至氣體報警控制器，氣體報警控制器實時顯示出被測氣體濃度數(shù)值；當(dāng)傳感器檢測到的被測氣體濃度達到或者超過設(shè)定值時，氣體報警控制器主機發(fā)出小功率聲光報警提示信號，同時啟動井場安裝的大功率聲光報警器進行報警，提醒現(xiàn)場技術(shù)人員采取必要措施來避免重大事故的發(fā)生。

圖2 氣體監(jiān)測系統(tǒng)

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括硬盤錄像機、防爆攝像頭、網(wǎng)絡(luò)交換機等。防爆攝像頭為360°高清防爆球基監(jiān)視云臺(圖3)，可對施工現(xiàn)場100 m以內(nèi)的各個方向進行高清視頻監(jiān)控，通過對防爆云臺的通道設(shè)置、IP設(shè)置，實現(xiàn)全天候、全方位的視頻監(jiān)控。不僅能在白天實時監(jiān)控現(xiàn)場情況，自動記錄現(xiàn)場每一個可疑圖像，按設(shè)定要求進行現(xiàn)場報警和聲音警告，還能在漆黑的夜晚、雨霧、飛塵等視線不佳的狀況下，清晰地“看到”現(xiàn)場圖像，從而更好地保證安全生產(chǎn)[7]。

圖3 360°高清防爆球基監(jiān)視云臺及移動安裝架

1.4 專家決策指揮中心系統(tǒng)

為了保護儀器設(shè)備，同時給現(xiàn)場操作人員提供安全舒適的工作環(huán)境，設(shè)計了地面測試儀器房，將計算機、數(shù)據(jù)采集裝置、電源機柜總成、防爆電纜及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等儀器設(shè)備安裝在儀器房內(nèi)，并將該儀器房作為現(xiàn)場決策指揮中心。儀器房內(nèi)決策指揮中心可以容納16人座位，右側(cè)整墻投影，可隨時組織作業(yè)人員、技術(shù)專家、井控監(jiān)督人員等進行網(wǎng)絡(luò)會議，結(jié)合視頻系統(tǒng)，高效指導(dǎo)、監(jiān)督現(xiàn)場作業(yè)，不受時間、地點的限制。技術(shù)人員和專家通過實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，準(zhǔn)確了解掌握現(xiàn)場施工作業(yè)全過程的動態(tài)信息，在作業(yè)需求和關(guān)鍵工況時，實現(xiàn)多井場、前后方的語音和視頻同步互傳，及時對施工中遇到的相關(guān)問題做出分析診斷，給予遠(yuǎn)程指導(dǎo)和支持。

2 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 一體化數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用先進的隔離柵技術(shù)，傳感器模擬量采用4～20 mA電流型傳感器經(jīng)過隔離柵，接入專用數(shù)據(jù)采集板，可同時采集2道正交編碼傳感器信號、4道脈沖信號轉(zhuǎn)速傳感器信號、32道4～20 mA模擬信號傳感器信號、4道數(shù)字輸入信號和2道數(shù)字輸出信號。數(shù)據(jù)接口方式包括：RS 485通信、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、CAN總線和無線傳輸(圖4)。

圖4 專用數(shù)據(jù)采集板

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過使用多塊專用數(shù)據(jù)采集板進行組網(wǎng)，每塊數(shù)據(jù)采集板可以同時采集2口井?dāng)?shù)據(jù)，這些采集單元根據(jù)現(xiàn)場需要同時工作的井?dāng)?shù)，采取靈活的疊加方式，從而實現(xiàn)對多井次油氣地面測試作業(yè)數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)了作業(yè)方式的創(chuàng)新型改變，建立了區(qū)域化、標(biāo)準(zhǔn)化的“工廠化油氣地面測試”協(xié)同作業(yè)模式。

信號處理單元采用便攜式和分布式設(shè)計，如圖5所示。這種設(shè)計在施工現(xiàn)場可以方便進行組網(wǎng)、拆卸，使系統(tǒng)在具有強大數(shù)據(jù)采集功能的同時，還可靈活地組網(wǎng)。系統(tǒng)最多可以同時接駁5個信號處理箱，即10口井可同時作業(yè)，同時進行數(shù)據(jù)采集。

圖5 信號處理單元

每個信號處理單元均配備小的液晶屏顯示，既可顯示本單元的各種傳感器信號，又可實現(xiàn)對智能流量傳感器的信號采集，由此減輕了計算機對這些智能流量傳感器信號的采集處理工作量。此外，每個采集單元可以通過面板進行IP設(shè)置或ID設(shè)置，最后通過網(wǎng)線實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的連接，實現(xiàn)完整的數(shù)據(jù)采集。多井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分布式結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布式架構(gòu)

2.2 智能化報警技術(shù)

智能化報警技術(shù)采用多個監(jiān)控模塊，可以實現(xiàn)監(jiān)控內(nèi)容多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算處理、數(shù)據(jù)顯示、測量數(shù)據(jù)的超限報警控制等多項功能。報警方式為語音報警、聲光報警及信息顯示，任何外部異常情況都可以及時報警，增強了測試期間現(xiàn)場作業(yè)的安全性。主要包括如下報警功能。

(1)作業(yè)參數(shù)異常報警：采用單參數(shù)和多參數(shù)相結(jié)合，結(jié)合實時工作狀態(tài)，設(shè)置上下限，判斷現(xiàn)場工作異常。

(2)視頻監(jiān)控智能偵測報警：通過對移動物體的智能識別技術(shù)，對區(qū)域內(nèi)物體的移動和闖入?yún)^(qū)域內(nèi)物體進行偵測，保證現(xiàn)場設(shè)備和人員的安全，也避免了誤入造成的傷害。

(3)環(huán)境氣體監(jiān)測報警：根據(jù)不同環(huán)境氣體不同的一級濃度極限和二級濃度極限分別設(shè)置各自的一級門限和二級門限，對不同的區(qū)域按照不同的聲音頻率和光的顏色進行多級聲光報警。

2.3 專家決策

將現(xiàn)場的井口壓力、井口溫度、分離器壓力、分離器溫度、壓差等參數(shù)實時傳送至現(xiàn)場作業(yè)指揮中心和基地，由專家分析壓降等參數(shù)變化，判斷地層產(chǎn)能、產(chǎn)量，并及時調(diào)整現(xiàn)場設(shè)施如檔板、油嘴等作業(yè)狀況。同時，結(jié)合加熱器溫度、加熱器壓力、環(huán)境氣體濃度和視頻監(jiān)控，及時判斷現(xiàn)場工作狀態(tài)，保證作業(yè)決策的科學(xué)、安全、快捷。

3 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用實例

自2019年12月以來，工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)在大港、華北、長慶、四川和青海地區(qū)進行了 19 井次現(xiàn)場應(yīng)用，表明監(jiān)測系統(tǒng)的硬件接口、防爆防水、快速便攜式模塊化安裝、氣體計量模型等多項技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

在大港油區(qū)YG 3井環(huán)境監(jiān)測過程中，現(xiàn)場H2S測量范圍采用100、1 000 μL/L兩個范圍段，監(jiān)測過程中，現(xiàn)場檢測H2S最高濃度為970 μL/L，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確并及時報警，其采集精度、采集范圍和報警功能均滿足作業(yè)方現(xiàn)場作業(yè)需求，為設(shè)備和作業(yè)人員安全提供了保障。

在四川長寧頁巖氣寧209H13A等7個平臺進行監(jiān)測作業(yè)時， 其中的一個平臺監(jiān)測井?dāng)?shù)量最高達到5口?，F(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)用表明，工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)多井?dāng)?shù)據(jù)采集精度高，氣體求產(chǎn)產(chǎn)量準(zhǔn)確無誤，系統(tǒng)兼容性高，運行穩(wěn)定，完全滿足了多平臺多井次的監(jiān)測需求。

3.2 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果

工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)相比傳統(tǒng)單井或人工油氣井測試，拓展了油氣測試監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向，實現(xiàn)了作業(yè)方式的創(chuàng)新，具有“五省”的效果。

(1)省人效果：工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)能夠同時進行10井次的油氣地面測試監(jiān)測作業(yè)，作業(yè)人數(shù)僅需8人左右，而采用傳統(tǒng)人工作業(yè)模式，10井次需配備31～61人，采用該監(jiān)測系統(tǒng)可至少節(jié)省人員24人，省人效果明顯。

(2)省心效果：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)定量化和報警智能化，保障了現(xiàn)場油氣測試作業(yè)的安全科學(xué)實施；有毒有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)24 h連續(xù)監(jiān)測和實時智能化聲光兩級報警，保障了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境有效受控；視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用360°高清防爆球基監(jiān)視云臺和動態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可實現(xiàn)安防設(shè)施的遠(yuǎn)程控制；現(xiàn)場會議指揮中心通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，為科學(xué)、高效、快速決策提供依托?？傊ㄟ^自動化、定量化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等技術(shù)的應(yīng)用，簡化了現(xiàn)場作業(yè)，加強了管理，提高了安全水平和工作效率。

(3)省力效果：單井式地面測試監(jiān)測儀在多井作業(yè)時，需要進行多套設(shè)備的運輸、安裝和拆卸，費時費力，采用工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)后，僅需要進行一套設(shè)備的運輸、安裝和拆卸，大幅減輕了人員勞動強度；提供的多種油氣產(chǎn)量計算模型實現(xiàn)了不同狀況下的地面自動化計量，免去了人員繁雜計算的工作量；有毒有害在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)避免了大量的手持式人工巡檢操作；360°高清防爆球基監(jiān)視云臺和動態(tài)監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了安防設(shè)施的無死角遠(yuǎn)程監(jiān)控。應(yīng)用該系統(tǒng)全面實現(xiàn)了油氣地面測試監(jiān)測自動化，機械替代率達到95%以上。

(4)省時效果：工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)采用了模塊化、小型化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和便攜式的設(shè)計理念，現(xiàn)場安裝采用快速防爆連接裝置，現(xiàn)場快速安裝和拆卸均可在1d內(nèi)完成，與原安裝時間120 h相比，單次安裝、拆卸作業(yè)共省時3～5 d，按15 d為1個測試作業(yè)周期計算，提高了作業(yè)效率20%。

(5)省錢效果：工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)通過共享資源，可同時實現(xiàn)10井次的監(jiān)測作業(yè)，與10套單井油氣地面測試儀相比，可減少儀器房、視頻監(jiān)視設(shè)備、氣體監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)視分析設(shè)備9套，降低設(shè)備成本50%～80%，至于在作業(yè)過程中節(jié)約的維護時間和材料成本更是不可估量。

4 結(jié) 論

作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物，新研制的工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)很好地滿足了現(xiàn)場作業(yè)技術(shù)需求，完全適應(yīng)油田勘探開發(fā)快速發(fā)展的步伐，能夠節(jié)約設(shè)備成本，減少現(xiàn)場技術(shù)管理人員、作業(yè)人員和輔助人員，提高作業(yè)生產(chǎn)效率和安全管理水平，整體提升現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)質(zhì)量。采用該成果創(chuàng)新性建立了工廠化油氣地面測試監(jiān)測工作模式，實現(xiàn)了模式創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的結(jié)合，有效提升了核心服務(wù)能力，具有良好的推廣應(yīng)用前景。