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)多臺地面測試設備同時施工和監(jiān)測的作業(yè)狀態(tài)[1-2]。但是，當前國內外油氣地面測試監(jiān)測儀均為單井作業(yè)模式，每套設備僅能監(jiān)測1井次或1套設備作業(yè)，無法滿足多井次、多設備的“工廠化”作業(yè)模式需求，造成設備資源不足、技術難以全面覆蓋現(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、可燃氣體等環(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)的特殊情況做出預警和快速反應處理， 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)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

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數(shù)據(jù)監(jiān)測單元。該系統(tǒng)采用先進的隔離柵技術，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，對鉆井、完井等危險作業(yè)場所的硫化氫、可燃氣體等作業(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；當傳感器檢測到的被測氣體濃度達到或者超過設定值時，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置、IP設置，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)

為了保護儀器設備，同時給現(xiàn)場操作人員提供安全舒適的工作環(huán)境，設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)等儀器設備安裝在儀器房內，并將該儀器房作為現(xiàn)場決策指揮中心。儀器房內決策指揮中心可以容納16人座位，右側整墻投影，可隨時組織作業(yè)人員、技術專家、井控監(jiān)督人員等進行網(wǎng)絡會議，結合視頻系統(tǒng)，高效指導、監(jiān)督現(xiàn)場作業(yè)，不受時間、地點的限制。技術人員和專家通過實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，準確了解掌握現(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問題做出分析診斷，給予遠程指導和支持。

2 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)關鍵技術

2.1 一體化數(shù)據(jù)采集技術

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用先進的隔離柵技術，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、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口井數(shù)據(jù)，這些采集單元根據(jù)現(xiàn)場需要同時工作的井數(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、標準化的“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計，如圖5所示。這種設計在施工現(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設置或ID設置，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。多井數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分布式結構如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布式架構

2.2 智能化報警技術

智能化報警技術采用多個監(jiān)控模塊，可以實現(xiàn)監(jiān)控內容多通道數(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)相結合，結合實時工作狀態(tài)，設置上下限，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，對區(qū)域內物體的移動和闖入?yún)^(qū)域內物體進行偵測，保證現(xiàn)場設備和人員的安全，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，并及時調整現(xiàn)場設施如檔板、油嘴等作業(yè)狀況。同時，結合加熱器溫度、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、安全、快捷。

3 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場應用

3.1 工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)應用實例

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的現(xiàn)場應用效果良好。

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)測井數(shù)量最高達到5口。現(xiàn)場監(jiān)測應用表明，工廠化油氣地面測試監(jiān)測系統(tǒng)多井數(shù)據(jù)采集精度高，氣體求產(chǎn)產(chǎn)量準確無誤，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，可實現(xiàn)安防設施的遠程控制；現(xiàn)場會議指揮中心通過網(wǎng)絡技術與數(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、高效、快速決策提供依托?？傊ㄟ^自動化、定量化、網(wǎng)絡化、智能化等技術的應用，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)測技術實現(xiàn)了安防設施的無死角遠程監(jiān)控。應用該系統(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)絡化和便攜式的設計理念，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)視設備、氣體監(jiān)測設備、監(jiān)視分析設備9套，降低設備成本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 論

作為互聯(lián)網(wǎng)+和工業(yè)制造業(yè)相結合的產(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)技術需求，完全適應油田勘探開發(fā)快速發(fā)展的步伐，能夠節(jié)約設備成本，減少現(xiàn)場技術管理人員、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)場技術服務質量。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)新和技術創(chuàng)新的結合，有效提升了核心服務能力，具有良好的推廣應用前景。