基于PLC技術的煤層氣井生產監控系統智能排采功能的設計與實現
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摘 要 華北油田于2009年在沁水盆地建成我國首個數字化煤層氣田，具備數據采集、遠程控制、視頻監控的能力。伴隨著煤層氣產能建設的快速發展，對煤層氣井信息化的各項要求越來越高，單純數據采集、遠程控制和視頻監控已無法滿足煤層氣生產信息化需求，煤層氣智能排采被提到議事日程，構建一套煤層氣井生產監控自動化系統，提升煤層氣開采效果，成為當務之急。
關鍵詞 煤層氣井;生產設計;生產監控
1 煤層氣井生產概述
煤層氣井生產過程主要分為以下三個階段：
第一階段排水降壓，主要排水，同時伴隨有少量溶解氣、游離氣產出;當煤排水至解析壓力臨界以下時，進入穩定生產。
第二階段穩定生產，儲層甲烷分子在該階段迅速解析，并在煤層裂隙中擴散，增加了氣的相對滲透率，產氣量逐漸增大;而降低了水的相對滲透率，排水量逐漸減小，最終形成產氣為主，并達到產氣高峰，而排水量則相對穩定在較低的水平。
第三階段產量下降，由于地層能量逐漸衰竭，排水產氣量均大幅下降。
煤層氣井關井、卡泵、修井等因素，會導致煤層氣排采的非連續性，致使液面波動，地層壓力不能持續平穩下降，甚至造成排采終止，給排采帶來諸多不良影響。主要表現在：
?。?）儲層壓力變化，首先易造成儲層裂縫閉合，使滲透率降低，氣體解析更加困難;其次造成已經解析出來的甲烷在煤層中重新吸附，易造成氣鎖現象。
?。?）水再次將裂隙填充，造成水鎖現象，阻礙氣體流動。
（3）因修井終止排采，敏感性儲層容易受外來物質的影響，造成傷害， 如果固相顆粒進入煤儲層，微孔隙微裂縫受其影響，堵塞滲流通道，滲透率急劇下降，使井的產氣能力大幅下降。
?。?）回壓造成壓力波及的范圍變小，降壓漏斗不能有效擴展，只有圍繞在井筒附近小范圍內的煤層實現了降壓，少量煤層氣被解吸出來：恢復排采后氣產量變化不大，經過長時間排水，漸漸恢復到停排前的狀態[1]。
2 煤層氣井生產系統設計目標及原則
系統通過設計和部署一套基于PLC技術的煤層氣井生產監控自動化系統，使煤層氣生產管理人員迅速準確掌握煤層氣井的工作狀況，故障隱患，并可遠程控制煤層氣排采設備，從而達到提高煤層氣井生產管理水平、提高工作效率、經濟效益，并改善煤層氣員工工作條件的目的，同時基于該系統的實現，構建并實現煤層氣井的智能排采功能。
2.1 系統設計原則
?。?）先進性：系統在傳統油氣藏信息化的經驗和成果的基礎上進行方案的設計，使系統的技術性能和水平具有明顯的先進性。
?。?）可靠性：系統整體運行要安全可靠，性能穩定。由于煤層氣生產的特殊性，非連續排采會導致煤層氣井生產諸多問題，因此系統必須需采用成熟可靠的產品與技術，而且由于煤層氣井生產環境復雜多樣，系統必須能夠在長期連續的在惡劣環境中穩定工作，生產數據不丟失、控制穩定、狀態反饋真實可靠。
（3）通用性：在設計時，系統應具有較強的通用性，以便在各類排采設備上得以使用。
?。?）相容性：系統應攜帶不同類型的傳感器，測量多種參數。
?。?）擴展性：系統的設計容量要足夠大，并留有擴展余地，如新投產井、單井采集數據的增加等，滿足系統今后的擴充需要。
?。?）經濟性：系統的造價經濟合理，性能價格比高。
（7）操作維護方便性：在軟件方面，要求人機界面友好，操作簡便;在硬件方面，要求維護檢修方便。
?。?）井場視頻監控系統構設計。系統主要由攝像機、網絡視頻編碼器、防雷模塊和電源設備構成，能夠實現對井場、蒸發池進行實時監控，抓拍圖片。根據用戶需求，目標系統不設計大容量數據存儲，適用即可。
?。?）數據傳輸通信系統結構設計。由于目標系統煤層氣井場數量眾多，分布區域大，采取單純有線方式連接各排采設備進行生產監控數據的通信，不具備現實意義，而且工程造價非常高。同時由于大部分井場位于山區人員稀少地區，移動聯通GPRS、CDMA、4G等數據通信網絡難以實現較好的覆蓋，大部分井場網絡信號差，難以滿足通信需要，而且由于要實時監控，數據吞吐量較高，采用以上運營商通信網絡，長期運營費用也很高昂。系統采用自建MCWILL基站+無線網橋+聯通基站+光纜通信的設計結構。核心網絡層設備包括業務接入控制器SAC、接入網絡層基站BTS、交換機以及電源等主要設備，構建覆蓋整個煤層氣井場的無線接入系統;數據、視頻信息通過MCWILL通信模塊接入MCWILL基站，基站過無線網橋與聯通基站連接，經聯通基站至聯通機房傳輸匯聚后，通過光纜將數據傳輸至數據視頻監控系統。
?。?0）數據視頻監控系統結構設計：生產數據監控系統采取B/S架構設計，系統由PLC通信模塊、數據處理模塊、用戶前臺操作等模塊構成。視頻監控系統采取C/S架構設計，用戶通過安裝監控客戶端軟件的方式查看煤層氣井場視頻信息。
?。?1）智能排采系統結構設計：系統主要基于數據采集控制系統所實現功能的基礎上，借助PLC運算控制能力，通過PLC梯形圖編程，構建井底流壓與變頻器閉環控制，實現煤層氣井的智能排采。
2.3 系統基本工作原理
數據采集控制系統PLC通過各類傳感器對煤層氣井的管壓、套壓、井底流壓、電壓、電流等生產數據和狀態數據進行采集;井場視頻監控系統攝像機將采集到的視頻監控數據通過編碼器轉換成能在網絡上傳輸的視頻流，與數據采集控制系統PLC共同通過MCWILL通信模塊無線接入數據傳輸通信系統的MCWILL基站，MCWILL基站通過無線網橋連接聯通基站，最后通過光纜接入數據視頻監控系統監控中心機房服務器，實現煤層氣井的數據采集、視頻監控、遠程控制、數據存儲等功能。智能排采系統在系統整體實現的基礎上，根據智能排采制度構建自動化閉環控制，實現煤層氣井的智能排采。
3 問題和展望
本論文研究的煤層氣智能排采程序雖然可以成功應用，但煤層氣井井底地質情況千差萬別，按照單一的排采策略制定的智能排采程序在實踐中還存在著控制精度問題，尤其是在降壓井井底壓力控制方面還差強人意，這既有排采策略擬定方面的問題，更有智能排采程序控制單一，智能化水平不高的因素，需與煤層氣地質科技人員緊密結合，不斷研究，尋求適應性強、控制精度更高的煤層氣井智能排采控制方法。
參考文獻
[1] 申小會，毛建設，李華峰.煤層氣井智能排采控制系統試驗效果分析[J].中國煤層氣，2018，（05）：17-19.
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