謝友友，左景欒，王楚峰

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京100015）

1 引言

煤層氣俗稱瓦斯，主要成分甲烷（CH4），是煤在形成過程中形成的藏儲(chǔ)于煤層或煤系地層的一種非常規(guī)天然氣，也是煤在生成及變質(zhì)過程中的一種伴生物。因?yàn)槊簩託馐且晕胶陀坞x狀態(tài)賦存于煤層中，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此有著不同的開采方式，常見開采方式有地面鉆井開采、井下鉆孔開采和廢氣礦井開采。其中只有地面鉆井開采煤層氣的方式不必依托于煤礦，而且甲烷濃度高，對(duì)環(huán)境破壞最小。

地面鉆井開采煤層氣是通過對(duì)煤層進(jìn)行壓裂、抽排煤層氣中的承壓水的方式采出煤層氣。檢測(cè)和分析排出水的成分，不僅有助于深入了解煤層氣的生成原理，且對(duì)優(yōu)化排采工藝和設(shè)備具有極重要的參考意義。而目前對(duì)煤層氣排水的水質(zhì)分析都是在井場(chǎng)取樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢驗(yàn)，這種離線的非實(shí)時(shí)方式不僅數(shù)據(jù)量小，而且不能反映出煤層氣井排水的最新狀況，其實(shí)際效果大打折扣。

因此，研制一種便攜式的煤層氣井水質(zhì)分析儀，對(duì)在線監(jiān)測(cè)煤層氣井下工況，為實(shí)時(shí)優(yōu)化排采工藝是非常重要的，意義重大。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)成

為保證高煤層氣井場(chǎng)排水水質(zhì)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和提高其智能自動(dòng)化水平，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式水質(zhì)檢測(cè)裝備。如圖1 所示，該裝備使用220 V 的AC 電源，取水裝置在其中的流水處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后，測(cè)量模塊開始采集傳感器信號(hào)并濾波后，進(jìn)行分析和判斷，將最終結(jié)果在觸摸屏進(jìn)行顯示并可以無線方式傳向遠(yuǎn)端，觸摸屏也可以對(duì)本設(shè)備進(jìn)行一些參數(shù)設(shè)置輸入。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 取水裝置

取水裝置的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素：①構(gòu)造密不透光的環(huán)境；②可以控制液體的滿管程度和流速；③容易就地放置、遷移；④容易清理內(nèi)壁。

基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)的取水裝置是一個(gè)帶有進(jìn)出水閥門的方形水箱，頂部蓋板拆下后可以方便地清理容器內(nèi)壁；通過調(diào)整進(jìn)出水閥門開度，使容器內(nèi)部水流在便于測(cè)試的水平；測(cè)量時(shí)濁度儀和氯離子傳感器從頂板置入，測(cè)量完成后收回。取水裝置如圖2 所示。

圖2 取水裝置示意圖

2.2 濁度傳感器

濁度測(cè)量傳感器的原理是用一個(gè)預(yù)先聚焦調(diào)節(jié)好了的白熾光發(fā)生器來在管道中的液體內(nèi)向前發(fā)射一束的光波。在液體中的懸浮物對(duì)來光進(jìn)行散射，而散射程度是和懸浮物濃度成比例的。被散射的光被探測(cè)檢波器檢測(cè)，并轉(zhuǎn)化成和懸浮物濃度成比例的電流信號(hào)，電流信號(hào)再輸入至專用的信號(hào)采集模塊。傳感器有3 種安裝方式，如圖3 所示。

2.3 氯離子傳感器

本設(shè)備采用了智能數(shù)字傳感器，具有高精度氯離子電極，RS-485 接口輸出，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU 工業(yè)數(shù)據(jù)總線協(xié)議，能夠完成銨離子濃度數(shù)據(jù)采集、校準(zhǔn)及自動(dòng)溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?，用戶可自定義查詢子地址，設(shè)置傳輸波特率。校準(zhǔn)方式為10 mg/kg 和100 mg/kg。

圖3 濁度傳感器安裝示意圖

2.4 數(shù)據(jù)模塊

本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)模塊具有豐富的輸入輸出、RS-485、CAN 通訊接口，可以方便地和傳感器及各類外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，且計(jì)算性能卓越，制作工藝適合在野外、移動(dòng)環(huán)境使用。該數(shù)據(jù)模塊的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)模塊環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

2.5 人機(jī)交互模塊

為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，提高設(shè)備使用的靈活性、可視化程度和數(shù)據(jù)安全性，本系統(tǒng)人機(jī)交互的功能包括以下幾個(gè)方面：①報(bào)表。多種數(shù)據(jù)存盤方式，多樣報(bào)表顯示形式。②曲線。支持實(shí)時(shí)、歷史、計(jì)劃等多種曲線形式。③穩(wěn)定。優(yōu)化啟動(dòng)屬性，內(nèi)置看門狗，易用，可在各種惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。④存儲(chǔ)。高壓縮比的數(shù)據(jù)壓縮方式，保證數(shù)據(jù)完整性。

人機(jī)操作界面如圖5 所示。

圖5 人機(jī)操作界面

2.6 遠(yuǎn)程模塊

利用公用蜂窩網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，通過RS-485 接口接受數(shù)據(jù)模塊的數(shù)據(jù)之后通過公網(wǎng)向遠(yuǎn)程傳輸水質(zhì)分析數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)工作方法

如圖6 所示，該系統(tǒng)本身具有數(shù)據(jù)集成采集與處理功能，水質(zhì)參數(shù)傳感器通過模擬接口或總線形式與數(shù)據(jù)分析模塊連接，所有傳感器數(shù)據(jù)都進(jìn)入核心分析模塊統(tǒng)一處理，然后在本機(jī)人機(jī)界面顯示并遠(yuǎn)程上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)中心；該設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢和繪制歷史曲線圖等功能，并有相關(guān)警告和提示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

在線水質(zhì)檢測(cè)裝備實(shí)物照片如圖7 所示。

圖7 在線水質(zhì)檢測(cè)裝備實(shí)物照片

4 結(jié)論

綜上所述，在樣本提取方式上我們采取了專利型的取水裝置，可以滿足在不同井口情況下通過調(diào)節(jié)進(jìn)出水閥門的開度，進(jìn)而控制樣水的流量和充滿程度，最終營(yíng)造出最為合適的檢測(cè)環(huán)境；同時(shí)在檢測(cè)自動(dòng)化方面結(jié)合了最新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和通信技術(shù)，將所有現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量結(jié)果通過存儲(chǔ)后統(tǒng)一上傳至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完整的在線、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)就地顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸備份。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量極少，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行成本低，便于攜帶和使用，可以提高企業(yè)的運(yùn)行效率和帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。