气田单井无线监控技术的优化

宋汉华，茹志娟，李彦彬，卢文伟，高仕举

(长庆油田苏里格气田研究中心 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018)

为把苏里格气田建设成为“科技、绿色、和谐”的现代化大气田，长庆油田分公司在苏里格气田推行数字化管理，实现了现场生产数据自动采集、气田开发方案自动生成、生产运行自动控制等功能。其中单井无线监控技术实现了对气田单井生产实时监视和控制，是气田数字化管理的基础技术和关键技术，其技术水平的高低将直接关系到该气田数字化管理程度的高低。长庆油田从2006年苏里格气田规模化开发的初期已经开始单井无线监控技术的研究和试验，经过近7年的研究和应用，单井无线监控技术不断完善和优化，目前该技术基本能实现单井生产数据实时监测、单井井场视频实时监视、单井远程紧急截断等功能。

1 单井无线监控技术的基本原理

单井无线监控技术的基本原理： 集成国内外先进的自动化、通信、仪表、阀门等技术，由安装在井口各相应部位的智能仪表采集井口压力、温度、流量、井口电磁阀(或紧急截断阀)开关状态、井场视频、画面等信息，通过无线通信技术传输至集气站[1-2]。单井远程无线监控系统如图1所示。单井无线监控井口系统通过太阳能供电系统提供电源，太阳能供电系统包括有太阳能电池和蓄电池，晴天由太阳能电池给井口系统供电，阴雨天则由蓄电池供电。

该技术不仅能及时自动地录取气井生产数据，实时监控气井生产状态，而且实现了气井异常自动报警、远程控制开关井等功能，有效解决了紧急状态下规模关井的问题，从而实现了气井生产全过程自动化管理的功能。

图1 单井远程无线监控系统示意

2 单井无线监控系统的优化

2006年初该气田搭建了基本的井口数据远程无线传输系统，实现了井口数据的自动采集。随着不断的试验、应用、评价和改进，单井无线监控在传输方式、数据采集类型、仪器仪表等方面得到了进一步拓宽和优化。

2.1 无线传输方式的选择和拓宽

无线通信技术经历了数传电台—无线网桥—McWiLL宽带无线技术试验。数传电台采用9600bit/s高速电台，是目前该气田的主力传输方式，主要以传输井场静态图片为主；无线网桥可以快速传输井场动态视频；McWiLL宽带无线技术则可以实现数据、视频、语音业务同时传输。

2.1.1数传电台

试验初期单井无线监控系统只是用来采集和传输井口油套压和流量计数据，从低成本开发考虑，采用2400bit/s低速电台。在试验和应用的过程中，为了实现对气井生产动态有效监控，开展了电子巡井系统试验，通过在井口安装摄像头定时拍照达到动态监控井场的目的，其信息采集和传输并入单井无线监控的数据采集通道。试验结果显示电台传输速率为2400bit/s时，传输像素为320×240的照片(17K)需70s；传输速率为9600bit/s时， 传输像素为352×288的照片(195K)只需13s，显然低速电台不能满足需求。因此，单井全部改装9600bit/s高速电台。

目前，数传电台依旧是该气田的主力无线传输方式，截至2013年底，苏里格已经在单井上安装数传电台5000台左右。

2.1.2无线网桥

由于通过井口定时拍照监视井场满足不了自动巡井的要求，因而提出了井口连续摄像动态监测井场的要求。目前广泛使用的数传电台只适合窄带数据传送，满足不了井口连续摄像带宽、速率等要求，该气田从2008年开始引入新的传输技术——无线网桥远程传输。其原理是将井区划分为几个区块，分别用wifi基站将井口数据采集，通过5.8GHz主干网桥将数据传输到集气站，这样既能避免信道间干扰，又能增强无线网络的稳定性。其技术原理如图2所示。截至2013年底，该气田已经在350余口井安装无线网桥，系统应用较为稳定。

图2 无线网桥远程传输拓扑结构示意

2.1.3McWiLL宽带

虽然无线网桥通信技术实现了实时数据采集和视频监控，但亦受地形和天气的影响，主干节点出现故障后，会使其他节点大面积失效。因此，为了搭建适合苏里格气田环境下使用的通信网络，满足数据、视频、语音业务的同时传输，该气田于2009年引入了McWiLL宽带无线技术。

McWiLL通信技术[3-4]具有覆盖距离远、系统功能强大、频谱利用率高、发射功率低等特点。在该气田采用McWiLL宽带无线技术组建了1个无线通信网络，形成了1个宽带无线多媒体集群系统，该系统可以覆盖油田生产现场所在区域，为区域内的生产井提供足够的带宽，在该范围内安装低功耗终端即可实现与中控室的通信。系统结构如图3所示。

2009年初，选择某区块超短波信号覆盖比较弱的2座集气站所辖气井区域为通信网络初期覆盖区域，建立2个McWiLL宽带无线技术基站进行试验。通过仿真模拟，该区域范围内的大部分井场的无线信号均能达到数据传输要求。进一步进行语音通话测试、数据传输测试、视频监控测试，均达到了试验预定要求。截至2013年底，已经在该气田某2个区块共建立了5座McWiLL宽带无线技术基站，累计接入476口单井，完成了476口单井在线数据采集，133口井井场视频连续传输，并开通了40余部McWiLL移动电话。

图3 McWiLL技术系统结构示意

2.2 仪器仪表优化

试验初期采用简单的压力传感器取代油压表和套压表，但进行开井启动等作业时不能观察到井口压力，给工作带来不便。因此，后续试验中推广采用压力变送显示表，可以直接在井口读出油压和套压数据。

试验初期井口采用简易流量计，仅可显示工况的瞬时流量。在试验的过程中，通过筛选，选用旋进旋涡流量计对单井气量进行连续带液计量，可以实现瞬时流量、累计流量及相应的温度和压力数据的自动采集与传输，并可根据运行压力、温度，将工况流量换算为标况流量。

2.3 远程控制技术的实现及升级

2007年提出了研制远程控制开关井装置的要求，在气井高压生产阶段时发挥安全保护、紧急截断和正常关井的作用，在中、低压阶段按气藏管理要求实现远程开关井。目前该气田应用比较成功的远程控制开关井装置是远控紧急截断阀和电磁阀[5]。

2.3.1远控紧急截断阀

远控紧急截断阀经历了三个发展阶段，通常称为Ⅰ代阀、Ⅱ代阀、Ⅲ代阀，其结构图[6]不再赘述。

双控点紧急截断阀即为Ⅰ代阀，它是完全由机械动作实现的快速关闭型的机械式安全截断装置。

Ⅱ代阀也称为气动远控紧急截断阀，它保留了Ⅰ代阀的原有机械式自动切断功能，新增了可远控启闭阀门的功能，所配用的开关机构为压力/远控气动开关。

Ⅲ代阀也称为远程控制紧急截断阀，它在保留了Ⅱ代阀的相关功能的同时，将所配用的开关机构由气动升级为电动。其最凸出的技术特征是以小功率拖动直通道阀门的启、闭操作；直通道阀门保证了介质流态的稳定性，将无伴热(加热)天然气流经紧急截断阀时产生冰堵的可能性降至最低。

2.3.2电磁阀

气井井口电磁阀是一种机械式自保持型电磁阀，它改变了常规电磁阀依靠强交流电制动的思路，利用井场太阳能电池板直流供电，瞬时通电开关，实现了弱电强动作[7]。

气井井口电磁阀也经历了三个发展阶段，Ⅱ代阀相对于Ⅰ代阀，增加了密封接触台的高度，防止杂物沉积导致关闭不严；同时阀心增加过滤网，使杂质不易进入泄压孔，防止泄压太慢造成关闭不及时。

Ⅲ代电磁阀主要针对冬季老式电磁阀冰冻时不能正常开关而设计的。该阀在保留老式电磁阀的超/欠压自我保护功能、远程控制开关功能的基础上，增加了机械强制提升主阀芯机构、机械开启副阀芯电磁头、机械关闭副阀芯电磁头三大机构，前两个机构是为手动开启电磁阀设计的，第三个机构是为手动关闭电磁阀设计的。利用该机械机构，电磁阀在冰冻情况下可恢复正常工作。

3 应用效果

该气田单井无线监控技术从单一采集井口仪表数据到无线采集传输井口照片，再到动态实时传输井口视频，更能适应气田数字化管理的要求，真正意义上实现了电子巡井。同时远程控制开关井技术的实现和升级，促进了该气田的管理转型，在提高管理水平、精简组织机构、提升工作效率、降低操作成本、保护草原环境等方面起到了显著效果。

1) 提高了生产管理效率。现场生产管理由传统的人工巡检转换为电子自动巡井。实施数字化管理后每5min电子巡井一次，频率是以前人工巡井的800多倍，管理效率、工作效率大幅提高。

2) 有效控制了用工总量。电子巡井的应用，使生产前端用工减少30%。当气田年产量达2×1010m3，实施数字化后人员可控制在2000人，用工减少了2081人，每年可节约成本约1.7亿元以上。

3) 管理成本大幅下降。经过计算，数字化管理后单井成本费用较数字化前降低了2570元/a。

4) 加强了环境保护。从保护草原环境方面看，由于巡井以及人工开关井频率大幅减少，有效避免了对草原植被的破坏，促进了“科技、绿色、和谐”现代化气田建设。

参考文献：

[1] 吴革生，王效明，宋汉华，等．气井井口智能生产控制系统[J]．新疆石油天然气，2008，4(增刊1)： 126-132．

[2] 张书平，吴革生，王效明，等．苏里格气田气井井口智能生产控制系统[J]．天然气工业，2008，10(增刊B)： 61-64．

[3] 温斌，林波，刘昀．McWiLL宽带无线接入技术及应用[M]．北京： 人民邮电出版社，2009．

[4] 宋汉华，朱迅，马兵，等．McWiLL宽带无线技术在苏里格气田单井无线监控中的应用[J]．石油钻采工艺，2010，9(32)： 116-119．

[5] 韩东，陈德见，樊莲莲，等．苏里格气田井钻采配套开发技术[J]．新疆石油天然气，2008，4(增刊1)： 126-132．

[6] 杨光，刘炜，王登海，等．苏里格气田井口高低压紧急关断阀的研究和应用[J]．石油化工应用，2009，11(28)： 32-65．

[7] 肖述琴，于志刚，樊莲莲，等．苏里格气田气井井口远程控制电磁阀研究[J]．油气田地面工程，2009，9(28)： 23-25．