工厂化油气地面测试监测系统研究及应用

张欣欣 刘兴杰 赵 腾 吴志超 王建伟 古 莹 褚万功 王 智

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油大港油田分公司新项目事业部)

0 引 言

随着页岩气、页岩油等非常规油气资源勘探开发的持续深入，工厂化钻井、大型压裂、多井同时测试等施工作业已经成为常态，现场大量出现多台地面测试设备同时施工和监测的作业状态[1-2]。但是，当前国内外油气地面测试监测仪均为单井作业模式，每套设备仅能监测1井次或1套设备作业，无法满足多井次、多设备的“工厂化”作业模式需求，造成设备资源不足、技术难以全面覆盖现场要求、人员需求较多、管理难度大的现状，迫切需要研发一套计量精度高、操作简便的多井自动计量与监测系统[3-6]。

1 工厂化油气地面测试监测系统方案设计

在油气地面测试计量过程中，需要对地面工艺流程中的关键点位进行数据采集，主要参数有井口油压A、井口油压B、井口温度、加热器温度、加热器压力、下游压力、分离器温度、分离器压力和孔板压差等；同时，也要对硫化氢、可燃气体等环境因素进行监测，保障现场作业环境安全有效受控；还要满足多口井同时施工作业的监测要求，实现井场数据集中采集与显示，支持井场数据信息共享；必要时可召开专家视频会议，对可能出现的特殊情况做出预警和快速反应处理， 实现现场数据采集、曲线显示、现场可视、专家会商的联动性， 第一时间处理好第一手资料。为此，根据功能的不同，将该系统划分为数据采集系统、气体监测系统、视频监控系统和专家决策指挥中心系统四大模块。系统总体架构如图1所示。

图1 系统总体架构

1.1 数据采集系统

数据采集系统的硬件部分主要包括传感器、数据采集板、信号处理单元等，它们与采集软件及后台处理软件共同组成完整的多井数据监测单元。该系统采用先进的隔离栅技术，将井口、除砂器、油嘴管汇、加热器和分离器等点位的传感器采集到的信号，通过隔离栅接入到专用数据采集板，经过信号处理单元预处理后，由采集软件系统对接收到的信号进行计算处理、生成数据和图表并自动存储、显示和输出。

1.2 气体监测系统

气体监测系统是通过传感器、通信、单片机等技术，对钻井、完井等危险作业场所的硫化氢、可燃气体等作业环境中有害气体含量进行全面监测，实现井场环境气体含量信息、设备状态信息的集中管理和控制，并搭建气体报警管理平台，支持石油勘探过程中气体含量监测，进一步提高石油勘探现场工作人员人身健康安全防护水平。

气体监测系统主要由气体报警控制器、传感器、报警器三部分组成(图2)。当井场空气中有被测气体时，传感器可产生与被测气体浓度成比例的电信号，该信号上传至气体报警控制器，气体报警控制器实时显示出被测气体浓度数值；当传感器检测到的被测气体浓度达到或者超过设定值时，气体报警控制器主机发出小功率声光报警提示信号，同时启动井场安装的大功率声光报警器进行报警，提醒现场技术人员采取必要措施来避免重大事故的发生。

图2 气体监测系统

1.3 视频监控系统

视频监控系统主要包括硬盘录像机、防爆摄像头、网络交换机等。防爆摄像头为360°高清防爆球基监视云台(图3)，可对施工现场100 m以内的各个方向进行高清视频监控，通过对防爆云台的通道设置、IP设置，实现全天候、全方位的视频监控。不仅能在白天实时监控现场情况，自动记录现场每一个可疑图像，按设定要求进行现场报警和声音警告，还能在漆黑的夜晚、雨雾、飞尘等视线不佳的状况下，清晰地“看到”现场图像，从而更好地保证安全生产[7]。

图3 360°高清防爆球基监视云台及移动安装架

1.4 专家决策指挥中心系统

为了保护仪器设备，同时给现场操作人员提供安全舒适的工作环境，设计了地面测试仪器房，将计算机、数据采集装置、电源机柜总成、防爆电缆及视频监控系统等仪器设备安装在仪器房内，并将该仪器房作为现场决策指挥中心。仪器房内决策指挥中心可以容纳16人座位，右侧整墙投影，可随时组织作业人员、技术专家、井控监督人员等进行网络会议，结合视频系统，高效指导、监督现场作业，不受时间、地点的限制。技术人员和专家通过实时传输的数据，准确了解掌握现场施工作业全过程的动态信息，在作业需求和关键工况时，实现多井场、前后方的语音和视频同步互传，及时对施工中遇到的相关问题做出分析诊断，给予远程指导和支持。

2 工厂化油气地面测试监测系统关键技术

2.1 一体化数据采集技术

数据采集系统采用先进的隔离栅技术，传感器模拟量采用4～20 mA电流型传感器经过隔离栅，接入专用数据采集板，可同时采集2道正交编码传感器信号、4道脉冲信号转速传感器信号、32道4～20 mA模拟信号传感器信号、4道数字输入信号和2道数字输出信号。数据接口方式包括：RS 485通信、TCP/IP网络、CAN总线和无线传输(图4)。

图4 专用数据采集板

数据采集系统通过使用多块专用数据采集板进行组网，每块数据采集板可以同时采集2口井数据，这些采集单元根据现场需要同时工作的井数，采取灵活的叠加方式，从而实现对多井次油气地面测试作业数据采集，实现了作业方式的创新型改变，建立了区域化、标准化的“工厂化油气地面测试”协同作业模式。

信号处理单元采用便携式和分布式设计，如图5所示。这种设计在施工现场可以方便进行组网、拆卸，使系统在具有强大数据采集功能的同时，还可灵活地组网。系统最多可以同时接驳5个信号处理箱，即10口井可同时作业，同时进行数据采集。

图5 信号处理单元

每个信号处理单元均配备小的液晶屏显示，既可显示本单元的各种传感器信号，又可实现对智能流量传感器的信号采集，由此减轻了计算机对这些智能流量传感器信号的采集处理工作量。此外，每个采集单元可以通过面板进行IP设置或ID设置，最后通过网线实现软件系统的连接，实现完整的数据采集。多井数据监测系统数据采集分布式结构如图6所示。

图6 数据采集系统分布式架构

2.2 智能化报警技术

智能化报警技术采用多个监控模块，可以实现监控内容多通道数据采集、数据计算处理、数据显示、测量数据的超限报警控制等多项功能。报警方式为语音报警、声光报警及信息显示，任何外部异常情况都可以及时报警，增强了测试期间现场作业的安全性。主要包括如下报警功能。

(1)作业参数异常报警：采用单参数和多参数相结合，结合实时工作状态，设置上下限，判断现场工作异常。

(2)视频监控智能侦测报警：通过对移动物体的智能识别技术，对区域内物体的移动和闯入区域内物体进行侦测，保证现场设备和人员的安全，也避免了误入造成的伤害。

(3)环境气体监测报警：根据不同环境气体不同的一级浓度极限和二级浓度极限分别设置各自的一级门限和二级门限，对不同的区域按照不同的声音频率和光的颜色进行多级声光报警。

2.3 专家决策

将现场的井口压力、井口温度、分离器压力、分离器温度、压差等参数实时传送至现场作业指挥中心和基地，由专家分析压降等参数变化，判断地层产能、产量，并及时调整现场设施如档板、油嘴等作业状况。同时，结合加热器温度、加热器压力、环境气体浓度和视频监控，及时判断现场工作状态，保证作业决策的科学、安全、快捷。

3 工厂化油气地面测试监测系统现场应用

3.1 工厂化油气地面测试监测系统应用实例

自2019年12月以来，工厂化油气地面测试监测系统在大港、华北、长庆、四川和青海地区进行了 19 井次现场应用，表明监测系统的硬件接口、防爆防水、快速便携式模块化安装、气体计量模型等多项技术的现场应用效果良好。

在大港油区YG 3井环境监测过程中，现场H2S测量范围采用100、1 000 μL/L两个范围段，监测过程中，现场检测H2S最高浓度为970 μL/L，数据采集准确并及时报警，其采集精度、采集范围和报警功能均满足作业方现场作业需求，为设备和作业人员安全提供了保障。

在四川长宁页岩气宁209H13A等7个平台进行监测作业时， 其中的一个平台监测井数量最高达到5口。现场监测应用表明，工厂化油气地面测试监测系统多井数据采集精度高，气体求产产量准确无误，系统兼容性高，运行稳定，完全满足了多平台多井次的监测需求。

3.2 工厂化油气地面测试监测系统应用效果

工厂化油气地面测试监测系统相比传统单井或人工油气井测试，拓展了油气测试监测技术发展方向，实现了作业方式的创新，具有“五省”的效果。

(1)省人效果：工厂化油气地面测试监测系统能够同时进行10井次的油气地面测试监测作业，作业人数仅需8人左右，而采用传统人工作业模式，10井次需配备31～61人，采用该监测系统可至少节省人员24人，省人效果明显。

(2)省心效果：数据采集系统实现了数据定量化和报警智能化，保障了现场油气测试作业的安全科学实施；有毒有害气体监测系统24 h连续监测和实时智能化声光两级报警，保障了现场作业环境有效受控；视频监控系统采用360°高清防爆球基监视云台和动态监测技术，可实现安防设施的远程控制；现场会议指挥中心通过网络技术与数据采集系统实现了实时数据联网，为科学、高效、快速决策提供依托。总之，通过自动化、定量化、网络化、智能化等技术的应用，简化了现场作业，加强了管理，提高了安全水平和工作效率。

(3)省力效果：单井式地面测试监测仪在多井作业时，需要进行多套设备的运输、安装和拆卸，费时费力，采用工厂化油气地面测试监测系统后，仅需要进行一套设备的运输、安装和拆卸，大幅减轻了人员劳动强度；提供的多种油气产量计算模型实现了不同状况下的地面自动化计量，免去了人员繁杂计算的工作量；有毒有害在线气体监测系统避免了大量的手持式人工巡检操作；360°高清防爆球基监视云台和动态监测技术实现了安防设施的无死角远程监控。应用该系统全面实现了油气地面测试监测自动化，机械替代率达到95%以上。

(4)省时效果：工厂化油气地面测试监测系统采用了模块化、小型化、自动化、网络化和便携式的设计理念，现场安装采用快速防爆连接装置，现场快速安装和拆卸均可在1d内完成，与原安装时间120 h相比，单次安装、拆卸作业共省时3～5 d，按15 d为1个测试作业周期计算，提高了作业效率20%。

(5)省钱效果：工厂化油气地面测试监测系统通过共享资源，可同时实现10井次的监测作业，与10套单井油气地面测试仪相比，可减少仪器房、视频监视设备、气体监测设备、监视分析设备9套，降低设备成本50%～80%，至于在作业过程中节约的维护时间和材料成本更是不可估量。

4 结 论

作为互联网+和工业制造业相结合的产物，新研制的工厂化油气地面测试监测系统很好地满足了现场作业技术需求，完全适应油田勘探开发快速发展的步伐，能够节约设备成本，减少现场技术管理人员、作业人员和辅助人员，提高作业生产效率和安全管理水平，整体提升现场技术服务质量。采用该成果创新性建立了工厂化油气地面测试监测工作模式，实现了模式创新和技术创新的结合，有效提升了核心服务能力，具有良好的推广应用前景。