陳大偉

（山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

0 引言

煤層氣開發(fā)利用技術(shù)能夠在一定程度上彌補(bǔ)煤氣資源的不足，也能降低煤氣泄漏給人們帶來的危害，該技術(shù)在全球范圍內(nèi)得到了廣闊的應(yīng)用[1]。但是，由于煤層氣是賦存于煤層中，儲層埋藏較淺，它不同于常規(guī)油和氣儲集層，具有較強(qiáng)的壓力敏感性，在鉆井時(shí)易產(chǎn)生崩塌、污染等危害[2]。因此，在鉆井工程中采用充氣欠平衡鉆井工藝，并對壓力進(jìn)行監(jiān)測。在我國煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，常用的監(jiān)測方法是利用壓力計(jì)進(jìn)行壓力測量。通常是在巖巷處測量，通過巖柱進(jìn)入未經(jīng)過開發(fā)的煤層。在每層處放置測壓管，將孔洞封閉，直接用壓力表測量[3]。這種測量方法采集的數(shù)據(jù)量小，不能直接、可靠地測量氣體壓力的變化，一旦出現(xiàn)煤氣泄漏問題，就會給人們帶來巨大的危害；基于充氣欠平衡原理設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)控系統(tǒng)，通過總線接口采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給上位機(jī)。煤井鉆探過程中，由于欠平衡過程的復(fù)雜性，常規(guī)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)往往無法對具體的區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控。針對這一問題，本文提出了一種基于多傳感器的煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過計(jì)算光桿載荷，確定最大懸點(diǎn)和最小懸點(diǎn)負(fù)荷，能快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出煤層氣集輸管道壓力的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

煤層氣井與油氣田井相似，并且井場都分布在野外。每一個(gè)井場抽采設(shè)備包括抽油機(jī)和井下管柱，抽油機(jī)由7.5 kW 或11 kW 電機(jī)驅(qū)動[4]。監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要是由各個(gè)傳感器、信號傳輸裝置、采集裝置、上位機(jī)組成的。煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)和新型鉆井參數(shù)采集儀可實(shí)現(xiàn)煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測的硬件組合，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析[5]。本系統(tǒng)的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，以煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過對施工現(xiàn)場煤層氣鉆井后產(chǎn)生的崩塌、卡鉆等事故進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測分析，并配備了新型鉆井參數(shù)儀硬件系統(tǒng)。更新替換傳統(tǒng)測井設(shè)備，使得技術(shù)人員可以及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測和探測出鉆井中的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

1.1 基于多傳感器的電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置

電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置內(nèi)部裝有電阻、電容傳感器和電流傳感器，采用串聯(lián)方式將3 條電路串聯(lián)起來，每條電路的電阻值直接與相線相連，電容端直接接地[7]。在溫度過高的影響下，多個(gè)傳感器引起電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置產(chǎn)生過電壓時(shí)，其內(nèi)部電阻傳感器傳輸電阻會發(fā)生較大變化，將過電壓轉(zhuǎn)化為耐壓，使線路不受高壓潛水電泵電機(jī)沖擊，有效保證了電機(jī)良好工作狀態(tài)[8]。

電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置如圖2 所示。由圖可知，電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置中的電源電壓由開關(guān)K 控制，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)， A、 B、 C 三條線纜產(chǎn)生電流，傳送到電動機(jī)MD，啟動壓降保護(hù)裝置。將X1、X2、X3安裝在設(shè)備殼體上的接線端子，可保護(hù)起動壓降裝置。和A、 B、C 電纜對接的X1、X2、X3 的接線端子，直接連接電容C1、C2、C3，然后通過電容C4接地。

圖2 電機(jī)啟動壓降保護(hù)裝置

1.2 自供電裝置

所用電機(jī)主要有普通勵磁電機(jī)和變頻電機(jī)，供配電系統(tǒng)由35 kV 變電所向某井場輸10 kV 高壓，再從某井場建立10 kV 至380 V 變電站，將380 V 低壓線路輸送到周圍各井場[9]。約在10 kV 變電所周圍有8～12 口井，變臺數(shù)由采氣區(qū)的氣井?dāng)?shù)決定。變頻調(diào)速電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，以適應(yīng)當(dāng)前負(fù)載的動態(tài)變化。將傳統(tǒng)電扇改造成獨(dú)立式電扇，并用聚合物絕緣材料制成特殊的絕緣結(jié)構(gòu)，有效地提高了設(shè)備絕緣耐壓性，極大地提高了裝置的機(jī)械性，并使其能承受高頻電流沖擊和電壓對高速運(yùn)行絕緣的破壞[10]。

保證電動機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下都能有效散熱，特別是在長時(shí)間運(yùn)行條件下，它具有較大的調(diào)速范圍，利用變頻磁場來抑制高次諧波，避免受到外界電磁干擾。自供器能很好地與變頻電機(jī)參數(shù)匹配，通過矢量控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動運(yùn)行。

1.3 數(shù)據(jù)采集器

以FPGA 為核心的多路傳輸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對多路中頻信號進(jìn)行處理，然后對A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)。采用中頻接收為主的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，混合頻率儀、抗噪儀和功能模擬設(shè)備都需要從天線接收射頻信號，在接收設(shè)備進(jìn)行處理后可將信號作為中頻模擬信號輸入，經(jīng)過電路調(diào)整后，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過FPGA 閘門序列可獲得井口套管壓力、井底流壓、氣體流量、單井水量等數(shù)據(jù)。利用模塊化的方法將信號轉(zhuǎn)換為光電模式，并將光電閃爍頻率數(shù)據(jù)傳送給記錄器完成光電轉(zhuǎn)換。

1.4 壓力監(jiān)控設(shè)備

將壓力監(jiān)測設(shè)備安裝在煤層氣集輸管道上，設(shè)備的報(bào)警電路主要用于對管路故障進(jìn)行報(bào)警。一旦監(jiān)測到有煤氣泄漏時(shí)，報(bào)警電路中蜂鳴器將會自動發(fā)出報(bào)警信號。

報(bào)警電路如圖3 所示。由圖可知，報(bào)警器主要由蜂鳴器、LED、R1、R2組成。電阻器R1和R2作為電路保護(hù)的功能，當(dāng)報(bào)警電路輸入接口連接蜂鳴器時(shí)，蜂鳴器通過判斷流經(jīng)R2電流的大小而報(bào)警。

圖3 報(bào)警電路

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集器通過MC55 通信程序完成數(shù)據(jù)傳輸，在啟動MC55 無線模塊之前，系統(tǒng)先對每個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后打開全局終端，判斷是否啟動。若不能啟動成功，應(yīng)繼續(xù)啟動直到啟動完成，成功完成啟動后，再開始搜索網(wǎng)絡(luò)[11]。搜索成功后，將GPRS 網(wǎng)絡(luò)連接起來，成功地連接之后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、轉(zhuǎn)換和存儲，以確定數(shù)據(jù)是否越界并顯示數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集過程如圖4 所示。由圖可知，單井的套管壓力、井底流壓、煤氣流量都可通過ZigBee 無線模塊，對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與傳輸。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

2.2 煤層氣井自動化控制

將煤層氣開采井口套管壓力產(chǎn)水量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸后，通過泵速遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速沖次能夠控制單井排水量達(dá)到最高等級，既可對井場各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，又實(shí)現(xiàn)了自動化控制的要求[12]。如果現(xiàn)場煤層氣井無電，可采取人工到各井送電，再進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和泵速的調(diào)節(jié)。

煤層氣井自動化控制步驟為：（1）根據(jù)煤層氣地質(zhì)資料，選擇煤層氣井的排采數(shù)據(jù)參數(shù)；（2）將這些數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸?shù)街悄芘挪煽刂葡到y(tǒng)；（3）智能化泵控系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)參數(shù)的分析，將調(diào)頻指令發(fā)送給變頻器，使變頻器可以調(diào)節(jié)游梁式抽油機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和沖程次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量和壓力的穩(wěn)定提升控制。在特殊情況下，智能提取控制系統(tǒng)可以對電機(jī)的起停進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)間歇提取。

通過抽油桿運(yùn)動所產(chǎn)生的光桿載荷，分析其受力情況。抽油桿在井液中的重量mr′可表示為：

式中：mr為抽油桿空氣重力；ρf為煤層氣井液密度；ρr為抽油桿密度。

上沖程沖次懸點(diǎn)荷載mj可表示為：

式中：m0為液體載荷之差。

最大懸點(diǎn)荷載mmax可表示為：

式中：m1為最大懸點(diǎn)荷載系數(shù)。

最小懸點(diǎn)荷載mmin可表示為：

式中：m2為最小懸點(diǎn)荷載系數(shù)。

選擇油桿一個(gè)微段，作為主要分析單元，由此確定兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上的受力情況，以此作為調(diào)整轉(zhuǎn)速沖次的依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到單井排水量排采目的。

2.3 基于多傳感器的監(jiān)控流程設(shè)計(jì)

通過多傳感器采集單井的套管壓力、井底流壓、煤氣流量數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，使得監(jiān)控結(jié)果更加明確。當(dāng)煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控處于n種狀態(tài)，就可以對狀態(tài)的評價(jià)集U表示為{ }u1,u2,…,um，而多傳感器的信息因素集V可以表示為{ }v1,v2,…,vm，針對V中的每一個(gè)因素，可根據(jù)評價(jià)等級指標(biāo)構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣。將多源信息中的冗余部分和互補(bǔ)部分進(jìn)行再充分利用，使其檢測能力得到了提高，滿足了井下具體監(jiān)測的要求。

煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控流程如圖5 所示。由圖可知，由于煤層氣集輸管道壓力監(jiān)測系統(tǒng)由多種傳感器組成，采用多傳感器模糊信息融合算法，有助于擴(kuò)大系統(tǒng)處理信息的范圍，提高處理信息的確定性和邏輯推理能力。

圖5 煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控流程

將影響煤層氣集輸管路事故的不同傳感器作為一類，例如第i個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)xi為作為一類數(shù)據(jù)，可記為δi，使用歐式距離計(jì)算不同類別之間的距離，由此形成歐式矩陣W。將歐式矩陣中的參數(shù)全部聚集為一個(gè)大類，通過對最小元素個(gè)體編號，可以對δf={ }δi,δj進(jìn)行融合：

式中：c為最小元素個(gè)體。

具體融合步驟為：（1）初始化泵沖、流量、立壓、套壓及風(fēng)速多個(gè)傳感器；（2）計(jì)算各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)間的歐式距離，獲取距離矩陣；（3）選擇距離矩陣中最小的兩個(gè)元素所在的數(shù)據(jù)組，將其合并為一類；（4）計(jì)算新類和其他數(shù)據(jù)組距離，由此形成距離矩陣；（5）將多組數(shù)據(jù)合并為一類，根據(jù)合并結(jié)果確定多個(gè)傳感器融合次序。

結(jié)合多傳感器模糊信息融合算法，監(jiān)控系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確地處理信息，而且還能有效地處理模糊、不準(zhǔn)確的信息，不僅消除冗余信息，避免復(fù)雜的處理過程，同時(shí)也保證了測量數(shù)據(jù)的精度性和高效率。

3 系統(tǒng)調(diào)試

在經(jīng)過基于多傳感器的煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)之后，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，進(jìn)而確保設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

3.1 參數(shù)配置

在對煤層氣集輸管路的硬件和軟件模塊化調(diào)試后，將各個(gè)設(shè)備通過電纜連接到一起，并在計(jì)算機(jī)上安裝軟件，由此開始測試系統(tǒng)整體功能。將上電后的各個(gè)模塊在上位機(jī)上錄入煤層氣集輸管路信息，具體參數(shù)界面如表1所示。將煤層氣集輸管路運(yùn)行信息錄入到系統(tǒng)之中，這樣就能在煤氣泄漏危險(xiǎn)情況出現(xiàn)時(shí)，讓工作人員第一時(shí)間獲取監(jiān)控信息。

表1 參數(shù)配置

3.2 監(jiān)控結(jié)果分析

設(shè)定當(dāng)前編號為01的管路，壓力為5.2 kPa，低限為0.5 kPa，中限為2.0 kPa，高限為5 kPa，以此為基礎(chǔ)，分別使用壓力表測壓、基于充氣欠平衡的壓力監(jiān)控系統(tǒng)和基于多傳感器的壓力監(jiān)控系統(tǒng)對煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控，對比結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，使用壓力表測壓結(jié)果與理想情況不符，在0～0.8 s時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為1.5 kPa 保持不變；在0.8～1.3 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值由1.5 kPa 變?yōu)?.1 kPa；在1.3～3.0 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為3.1 kPa 保持不變。使用基于充氣欠平衡的壓力監(jiān)控系統(tǒng)測到的壓力值與理想情況不符，在0～1.3 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為4.0 kPa 保持不變；在1.3～2.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值由4.0 kPa 變?yōu)?.6 kPa；在2.5～3.0 s時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為4.8 kPa 保持不變。使用基于多傳感器的壓力監(jiān)控系統(tǒng)，在0～0.6 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為4.8 kPa 保持不變；在0.6～0.8 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為0 kPa 保持不變；在0.8～1.3 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為1.3 kPa 保持不變；在1.3～2.5 s 時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值由1.3 kPa 變?yōu)?.3 kPa；在2.5～3.0 s時(shí)間范圍內(nèi)，測得的壓力值為4.3 kPa 保持不變，與理想情況一致。

圖6 三種系統(tǒng)煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控對比結(jié)果

通過上述分析結(jié)果可知，使用基于多傳感器的壓力監(jiān)控系統(tǒng)對煤層氣集輸管路壓力監(jiān)控結(jié)果較為精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

利用多傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤層氣集輸管道壓力自動、高效監(jiān)控，進(jìn)而保證煤氣泄漏數(shù)值在安全數(shù)值范圍內(nèi)。為更好地確定礦井溫度和通風(fēng)數(shù)據(jù)，使用多傳感器模糊信息融合算法對大量分布的傳感器進(jìn)行判斷和估計(jì)，提高了系統(tǒng)的監(jiān)測性能。該系統(tǒng)能夠自動控制瓦斯抽采管道的氣壓，與現(xiàn)有手工檢測方式相比，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人值守，極大地提高了煤層氣集輸管道的安全性和有效性。應(yīng)用此功能，可使煤層氣集輸管道在一開始就能觀測到抽氣，無需人工操作，大大節(jié)省人力物力。