致密砂岩气井场智能监控系统及应用

江 涛 范 旭 黄秋忆 章锦素

(1.中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司，天津 300452；2.杭州邦维流体技术有限公司，浙江 310018)

1 引言

随着世界经济的发展，能源短缺问题日益突出，致密砂岩气在能源供应方面正在发挥越来越重要的作用,其储量不断被探明，致密气的开发势在必行。我国致密砂岩气藏大多处于沙漠或半荒漠化地带，地域分布广泛，相对位置偏远、周遭环境恶劣、人为破坏严重，对井场的监控依赖人工值守，每日定期检查仪表设备运行情况，并记录相关数据信息。这种落后的工作方式，需要投入大量的人力、物力、财力才能维护生产的正常运行，必然增加工人的劳动强度，同时影响着数据的实时性和准确性，最重要的是由于监控效率低，问题发现不及时可能带来不可估量的严重后果。显然传统的人工巡井方式已不再满足生产管理的需求。

随着网络信息技术、计算机控制技术、通信技术和传感器技术等先进技术的发展，智能化成为了致密气井场建设发展的重要方向。因此，建立一套井场智能监控系统以实现现场设备、仪表、传感器等的实时数据采集，可靠数据传输，动态监测，井场全天视频监控，构建信息化的网络管理平台，进而提升和改造传统作业模式，提高生产能力和管理效率，对致密气井场智能化发展具有战略性意义。

2 致密砂岩气井场智能监控系统结构及功能

(1)致密砂岩气井场智能监控系统结构

致密砂岩气井场智能监控系统(简称智能监控系统)由数据采集监控系统、视频监控系统和光伏离网供电系统三部分构成，整体架构拓扑图如图1所示。其中数据采集监控系统由现场仪表，现场RTU控制柜和数据云管理中心三层次组成，现场仪表包含撬装流量计、撬装压力计和集气树压力计等；现场RTU控制柜包含数据传输模块、嵌入式软件系统和控制器；数据云管理中心为SAAS网络平台操作管理系统。视频监控系统由现场视频监控摄像头和4G网络传输系统构成，摄像头采用海康4G网络高清一体式球机。光伏离供电系统由太阳能板和蓄电池组成。

图1 智能监控系统架构拓扑图

(2)数据采集监控系统功能

数据采集监控系统分三个层次，现场仪表、现场控制柜和数据云管理中心。

现场仪表包含撬装流量计、撬装压力计和集气树压力计(含油压压力计和套压压力计)。现场仪表、传感器选择条件为满足使用的工况条件的前提下，具有无限通讯功能，如具有短距离低功耗无线远传模块Zigbee模块，将采集所得数据通过Zigbee通讯实时传输至控制器。撬装流量计和撬装压力计安装在井场致密气采集撬装管道上，集气树压力计安装在井口集气树上。各个集气树采出的气体汇总到计量撬，最后汇集输送到集气站。

无线中继安装在井场RTU控制柜中，接收所有现场数据(包含集气树的压力计以及撬装的压力计和流量计等现场仪表)模拟量及数字量，存储到大容量存储器中并通过RS-485通讯将数据传递给控制器，控制器通过4G网络发送数据到数据云管理平台。

数据云管理中心采用SAAS平台，通过浏览器登录。任何覆盖网络的地方，都可设立数据云管理中心，通过网络接收控制器的数据。数据云管理中心将长期保存其管辖范围内的所有井场的所有监测数据，并完成数据的显示、查询、分析和打印等。

(3)视频监控系统功能

视频监控系统主要功能为通过高清摄像头实现井场巡逻，安防管理。摄像头可以全方位360°水平旋转，垂直-15°～90°；可设置300个预置点，实现8条定点巡航路线，实现远程一键式巡逻，视频画面4G远程传输至数据管理中心，实现录像主机与球机一体化，减少人工现场巡逻。

(4)光伏离网供电系统功能

光伏离网供电系统由太阳能板和蓄电池组成。根据井场所处的地理位置经纬度及峰值日照时数确定太阳能板最佳倾斜角度，根据负载功率及电压计算所需太阳能板数量，给整个智能化系统供电。

3 智能化系统在临兴区块气田的应用

(1)数据监控系统应用

致密气开采智能化系统已经在山西临兴区块气田得到了实施应用，具有成功经验。以LX-105井场监控方案为例，该井场为台式井，共有5口井，仪表分布情况见表1。

表1 105井场仪表分布状况

油压和套压压力计安装在集气树上，每个集气树上安装一组，分别采集井底喷出致密气的油压和套压。数据通讯方式为Zigbee无线传输。

计量撬压力计装在计量撬上，采集致密气汇总到计量撬的压力，数据通讯方式为Zigbee无线传输。

计量撬流量计采用高压耐磨损旋进漩涡流量计，每个撬装安装一台如图2所示。流量计采集通过计量撬的致密气的流量，就地显示标况流量、标况总量、温度、压力、工况流量，并将以上数据通过Zigbee无线传输到无线中继站。

图2 井场撬装及监控设备安装场景

计量撬附近设RTU现场控制柜，无线中继设在RTU控制柜中，无线中继也叫中转站，接收井场设备发送的数据，存储并通过4G网络传送到数据管理中心。管理人员通过浏览器，输入管理员账号和密码登录，选择对应单位，要查看的井场，选择进入状态信息界面或历史数据查询界面。状态界面实时显示监测参数的相关信息，集气树油压、集气树套压、标况流量、气体温度、气体压力和管道压力，以曲线形式表示。以上数据以及气体总量、时间等数据以表格形式显示。查询历史数据时，选择设置时间段，可以选择数据以曲线、图表、EXCEL表格形式显示，也可以直接生成工作日报，可以直接打印。图3为2020年1月9日集气树油压、集气树套压、标况流量、气体温度、气体压力和管道压力参数变化曲线，数据采集间隔2分钟。

图3 临兴区块数据管理中心105井场实时数据曲线

图3中数据曲线表明，该采集时间段内，集气树套压无压力，数据为0，集气树油压在2.5～3.0MPa之间波动，管道压力稳定在1.74MPa,由于流量计安装位置与管道压力采集位置不同，存在管道压力损失，流量计压力约为1.8MPa,由于对工况流量进行温压补偿后，流量计标况流量与流量计温度成正比关系，故两者变化趋势相同，该采集时间段，标况流量变化范围为90～140m3/h。

(2)视频监控系统应用

气田与油田、矿区都具有共同特点，地理位置偏远且分散，不同井场之间需经过数个小时车程，现场管理需要配备较大人力和物力，却难以保证实时监控井场运行情况，故视频监控系统的应用实现了一人通过电脑操作远程管理多个井场，完成现场管理。应用区块安装一个摄像头，实现整个井场全天视频巡逻，达到预定效果。

(3)太阳能供电方案计算

致密气井场位置偏远，供电困难，致密气开采智能化系统整体功耗低，均采用无线传输，故可配置绿色电源-太阳能供电以满足系统的用电需求，对太阳能板的配置方案进行计算。

鄂尔多斯盆地临兴中区块，位于山西临县和兴县境内，归属于吕梁地区。经度111.1°，纬度37.5°，峰值日照实数4.46，最佳安装倾角36°，105井场井口功耗见表2。

根据中联煤山西临兴区块气田智能井场建设需求以及现场仪表实际功率，计算设计72W离网系统，所需太阳能板和蓄电池数量。

据统计该地区气象条件，降水较少，连续阴雨天超过3天的概率较小，以续航时长3天为例，选择规格为工作额定电压DC24V功率265W，每日发电量平均为650Wh的太阳能板，当前井口每日所需电量为1728Wh，太阳能板数量=所需电量/每块太阳能发电量=(72*24)/650≈2.7块。

以现场工作额定电压DC24V计算，假设阴雨

表2 105井场井口功耗

天气连续工作3天，蓄电池效率为70%，所需蓄电池数量：

蓄电池数量=所需电量/每块蓄电池容量=(72W*24H*3D)/(24V*200AH*0.7)≈1.5块。

考虑一定的安全系数，使用3块265W太阳能板以及4块12V、200AH蓄电池组成供电阵列，满足现场弱电设备的用电需求。

4 结论

致密砂岩气井场智能监控系统的应用在减少人工巡检、降低经营成本的基础上，实现了对井场数据的实时采集、可靠传输和动态监测，整个生产过程的全面监控，符合国家工业信息化建设要求；

智能化系统无线传输方式大大降低了系统功耗，节约能源；减少因供电而产生的现场施工工作；避免了因施工而带来的系统线路故障，避免了二次施工。

光伏离网供电，具有清洁性、安全性、广泛性、长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，实现现场长期稳定的工作，符合国家能源管理要求。

井场智能监控系统升级改进后还可以根据具体情况控制井底阀门开停情况，实现对整个致密气开采过程及井场的自动化监控。