間歇生產(chǎn)氣井井網(wǎng)智能系統(tǒng)的研制

鐘海全， 鄭傳根， 許鷙宇， 趙 玉， 趙成杰， 張 嘉

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610599； 2.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院， 成都 610599； 3.中國石油青海油田分公司鉆采工藝研究院， 敦煌 735301)

氣井開采作業(yè)進(jìn)入到中后期，由于地層壓力逐漸降低、產(chǎn)氣量下降及產(chǎn)水，使得氣井難以達(dá)到連續(xù)攜液條件，對于具有較高供給能力、產(chǎn)量尚可的氣井，可采取人工舉升排水采氣，但對于地層供給能力較低，產(chǎn)量較低的氣井，進(jìn)行人工舉升排液采氣效益較差，需采取適應(yīng)地層供給能力、更加經(jīng)濟(jì)的間歇生產(chǎn)方式進(jìn)行開采。

目前，中國對于生產(chǎn)氣井井口控制系統(tǒng)研究較少，尤其對于間歇生產(chǎn)氣井井口控制系統(tǒng)的研究不足，吳革生等[1]對蘇里格氣田以井口緊急截斷閥超壓與欠壓保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，以無線信號接收與發(fā)送數(shù)據(jù)信號，實(shí)現(xiàn)井口壓力管控，此套系統(tǒng)前期監(jiān)測效果良好，但針對間歇生產(chǎn)氣井，僅僅具有監(jiān)測功能，而不能針對氣井動態(tài)采取措施，未能實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)管理。

井口數(shù)字化管理[2]、智慧油氣田[3-7]、可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)結(jié)合油氣田作業(yè)生產(chǎn)[8-9]等概念已經(jīng)是未來油氣田開發(fā)的重要導(dǎo)向，為此，基于三菱FX系列PLC，提出一套間歇生產(chǎn)氣井井網(wǎng)智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)貫穿氣井的整個生命周期，不僅在氣井生產(chǎn)前期可實(shí)現(xiàn)多井智能監(jiān)測、診斷與智能決策，同時在氣井開采后期，間歇生產(chǎn)階段也可實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)控與智能開采。

1 系統(tǒng)組成

間歇生產(chǎn)氣井井口智能控制系統(tǒng)主要包括5個部分：①對單井的油套壓、流量、溫度數(shù)據(jù)采集，分別依靠油套壓壓力傳感器、氣體流量傳感器與溫度傳感器，將收集數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯集在監(jiān)控箱，同時監(jiān)控箱預(yù)留多個I/O接口，便于后期拓展采集其他數(shù)據(jù)使用，集成監(jiān)控箱實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分散收集與統(tǒng)籌發(fā)送；②監(jiān)控與智能處理功能，將收集的壓力、溫度和開關(guān)狀態(tài)等信息匯入可編程邏輯控制器(PLC)，邏輯控制與智能處理、監(jiān)控數(shù)據(jù)；③添加無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，將PLC收集數(shù)據(jù)共享遠(yuǎn)程終端，通過配套軟件，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制人員可視化實(shí)時監(jiān)測，若發(fā)生突發(fā)狀況，也可通過遠(yuǎn)程終端控制PLC進(jìn)行開關(guān)井等一系列操作；④供電系統(tǒng)的集成，由于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與PLC能耗較低，主要耗電部分為開關(guān)井操作，主要由太陽能及蓄電池提供，解決人工供電與拉線成本高等問題；⑤應(yīng)急安全處理閥門系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值時，與緊急關(guān)井操作同時進(jìn)行，是整個系統(tǒng)的第二層保護(hù)。此套系統(tǒng)人機(jī)交互方式共分(monitor and control generated system，MCGS)觸摸屏(機(jī)械按鍵)操作與遠(yuǎn)程監(jiān)控(remote terminal unit，RTU)[10]PC控制兩路控制方案，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 間歇生產(chǎn)氣井系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Control block diagram of intermittent production gas well system

MCGS觸摸屏、RTU和 PLC 通信中，觸摸屏、RTU作為父設(shè)備，PLC 作為子設(shè)備[11]，其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控RTU核心在于將單井作為無線接入點(diǎn) (access point, AP)端[12]進(jìn)行物聯(lián)形成物聯(lián)網(wǎng)，采用MODBUS RTU協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單井與單井之間的信息傳遞，依托主井(即距離基站較近的單井)與PC監(jiān)控端連接，達(dá)到信息傳輸。監(jiān)控端可對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示，報警，大數(shù)據(jù)智能處理決策等措施，圖2為本系統(tǒng)實(shí)際井口結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)實(shí)際井口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of actual wellhead structure of the system

2 PLC邏輯控制設(shè)計

間歇生產(chǎn)氣井井網(wǎng)智能系統(tǒng)可通過MCGS觸摸屏或遠(yuǎn)程控制終端對單井進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及控制，參數(shù)設(shè)置包括系統(tǒng)的壓力上限和壓力下限(閾值)、壓力釋放值和壓力報警值的設(shè)置，控制包括氣井的開關(guān)以及閥門。氣井正常工作時進(jìn)入伺服狀態(tài)，系統(tǒng)將以1 s的時間間隔向控制終端發(fā)送傳感器采集到的壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)。隨后會將壓力數(shù)值輸入PLC進(jìn)行邏輯判斷，與設(shè)定下閾值、釋放值、報警值進(jìn)行判斷，即

(1)

式(1)中：X022為設(shè)定下閾值;X023為設(shè)定釋放值;X024為設(shè)定報警值;X為實(shí)測氣井壓力數(shù)值。

3 PLC控制梯形圖

間歇生產(chǎn)氣井井網(wǎng)智能控制系統(tǒng)各個單元的動作是在 PLC 控制系統(tǒng)的控制下協(xié)調(diào)完成的[13]，共5個單元，包括系統(tǒng)開關(guān)、伺服狀態(tài)、壓力判斷、報警模塊、開關(guān)氣井與閥系。選用的PLC邏輯控制器I/O點(diǎn)容量比使用數(shù)高出20%的余量[14]，以適應(yīng)后期系統(tǒng)拓展。本系統(tǒng)采用FX3U-64MT/ESS，I/O點(diǎn)總點(diǎn)數(shù)為64個，I/O分配表與模塊代號如表1。梯形圖編寫采用三菱PLC專用軟件GX Works2編寫。

表1 I/O分配表與模塊代號

3.1 系統(tǒng)開關(guān)

系統(tǒng)開關(guān)操作可以從單井觸摸屏上直接操作或者由遠(yuǎn)程控制終端發(fā)起開關(guān)指令，得電時，M8002特殊繼電器控制S0狀態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的初始化，若此時系統(tǒng)開啟開關(guān)X020閉合，則系統(tǒng)進(jìn)入伺服狀態(tài)S1，系統(tǒng)開啟開關(guān)X020與關(guān)閉開關(guān)X021互鎖[15]，以免同時閉合造成系統(tǒng)故障，控制梯形圖如圖3所示，圖3中為保證全部元件成功初始化，批量復(fù)位元件代號含Y000～Y050、S1～S20。

圖3 系統(tǒng)開關(guān)控制Fig.3 System switch control

3.2 伺服狀態(tài)

系統(tǒng)正常開啟后將處于伺服狀態(tài)，用M0繼電器標(biāo)志，伺服狀態(tài)控制梯形圖如圖4所示。此時系統(tǒng)壓力、溫度、流量傳感器開始采集數(shù)據(jù)，由于傳感器采集到的數(shù)字值波動較大，通過采用取平均值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[16]，處理后數(shù)據(jù)以無線方式傳遞至井網(wǎng)系統(tǒng)中的主井AP，由主井轉(zhuǎn)發(fā)信息給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，PLC之間傳輸協(xié)議為專用MODBUS RTU協(xié)議，傳輸效率極高、丟包率低。同時系統(tǒng)的可拓展接口較多，對于不穩(wěn)定氣井還可加裝多個傳感器，綜合考量氣井壓力，將得到的數(shù)值進(jìn)行下一步壓力判斷S2。

圖4 伺服狀態(tài)控制Fig.4 Servo state control

3.3 壓力判斷與報警模塊

壓力判斷階段是該系統(tǒng)邏輯決策的核心部分，用M1作繼電器標(biāo)志，由X022～X024實(shí)現(xiàn)對采集壓力數(shù)值的三級判斷，保證了調(diào)控信息描述的規(guī)范性和一致性[17]。若未達(dá)到設(shè)置下閾值，則返回伺服狀態(tài)；壓力達(dá)到設(shè)置下閾值時，會進(jìn)行報警；壓力達(dá)到設(shè)置釋放值時，報警同時會自動開井及時采集天然氣；當(dāng)壓力持續(xù)升高，達(dá)到報警值時，由于壓力過大會導(dǎo)致地面管線管控出現(xiàn)安全風(fēng)險，故報警的同時，實(shí)施關(guān)井操作與管線閥門關(guān)閉雙重保護(hù)措施。壓力判斷控制(S2)梯形圖如圖5所示，報警模塊控制(S5)梯形圖如圖6所示。

圖5 壓力判斷Fig.5 Pressure determination

圖6 報警模塊Fig.6 Alarm module

3.4 開關(guān)氣井與閥系

開關(guān)井是間歇生產(chǎn)氣井的重要的控制手段，當(dāng)氣井壓力達(dá)到釋放值時，井內(nèi)天然氣已經(jīng)積累到一定的量，且居于平衡相對狀態(tài)，繼續(xù)關(guān)井產(chǎn)量不會有大幅度提升，所以此時井網(wǎng)智能系統(tǒng)PLC會進(jìn)行自動開井操作(即打開調(diào)節(jié)閥)，及時將天然氣采出，隨后關(guān)井，待壓力達(dá)到釋放值時，循環(huán)上述操作。此過程中，開關(guān)井閥開度系數(shù)β是閥門重要參數(shù)，開度系數(shù)值越大，井口波動壓力的峰值越大，但波動壓力變化幅度會相對平緩[18]，說明較小的閥門開度系數(shù)值會引起油管的流固耦聯(lián)振動，因此閥系開度系數(shù)盡量使用較大的閥門開度系數(shù)，開關(guān)氣井(S6、S7)梯形圖如圖7所示。

圖7 開關(guān)氣井Fig.7 Switch gas well

若壓力過高，系統(tǒng)將進(jìn)行閘閥關(guān)閉(即應(yīng)急安全處理閥門)，閥系控制(S8)梯形圖如圖8所示。

圖8 閥系控制Fig.8 Valve system control

4 氣井控制值與動態(tài)反饋機(jī)制

壓力上限和壓力下限(閾值)、壓力釋放值和壓力報警值是此套系統(tǒng)中極為重要的控制參數(shù)值，控制著開關(guān)氣井等一系列重要操作，控制值受氣井的實(shí)際地層壓力，井底流壓、溫度等參數(shù)的影響，由于參數(shù)復(fù)雜多變，因此，找出最優(yōu)控制值既是氣井最優(yōu)生產(chǎn)的關(guān)鍵，也是本套系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。通過該系統(tǒng)的井口溫度，壓力等傳感器動態(tài)采集參數(shù)，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)，由遠(yuǎn)程終端進(jìn)行最優(yōu)動態(tài)擬合設(shè)置，實(shí)時調(diào)整每一口氣井的最佳控制值，保證每口氣井的合理最大化經(jīng)濟(jì)效益。

由于氣井控制值影響參數(shù)較多，且每種參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，情況復(fù)雜，因此本文主要考慮溫度與壓力兩個主要參數(shù)。

4.1 續(xù)流效應(yīng)

氣井在關(guān)井瞬間，井口流量為0，但地層流體流向井筒的巖面流量依舊會持續(xù)一段時間，這種井筒儲集效應(yīng)即為續(xù)流效應(yīng)[19]，續(xù)流狀態(tài)下，流入井筒的流體依靠其自身的彈性壓縮儲集在井筒中，巖面流量在關(guān)井后隨時間自然對數(shù)(lnΔts)有如圖9所示關(guān)系，續(xù)流過程中井筒流體體積與產(chǎn)氣體積流量、井底壓力變化與流體壓縮系數(shù)之間關(guān)系為

圖9 關(guān)井后巖面流量、井底壓力的平方、井筒流體體積與Δts的變化曲線Fig.9 Variation curve of rock surface discharge, square of bottom hole pressure and volume of wellbore fluid after shut in

(2)

式(2)中：q為地下產(chǎn)氣體積流量，m3/s；Vwb為井筒中流體體積，m3；cf為井筒流體壓縮系數(shù)，MPa-1；Δp為井底壓力變化，MPa；Δts為續(xù)流變化時間，ks。

由式(2)可知，續(xù)流狀態(tài)下，井筒中流體體積若要合理最大化，需要滿足：①井筒流體壓縮系數(shù)與井底壓力變化值乘積最??；②流入井筒的流體體積最大；③續(xù)流時間相對合理。

4.2 壓力恢復(fù)與MDH曲線

Mahmood-Gord等[20-21]開發(fā)了一套以溫度、壓力、焦耳湯姆遜(Joule-Thomson,J-T)系數(shù)為輸入集，用于計算天然氣壓縮系數(shù)的多層感知人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)，以大量的測井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步校對壓縮系數(shù)。對此簡化，從狀態(tài)方程出發(fā)，得到氣體等溫壓縮系數(shù)為

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式(3)中：p為氣體壓力，MPa；T為氣體溫度，K；z為氣體壓縮因子；V為氣體體積，m3。

根據(jù)Wattenbarger[22]繪制的典型氣體μz和ψ(擬壓力)與氣體壓力p之間的關(guān)系曲線，將氣藏分為低壓氣藏(氣體壓力小于15 MPa)與高壓氣藏(氣體壓力大于15 MPa)，分別以壓力平方和直接壓力兩種方法進(jìn)行計算，得到較好的計算結(jié)果。在無限大均質(zhì)等厚地層中，低壓氣藏井底壓力與高壓氣藏井底壓力隨時間變化關(guān)系式為

(4)

(5)

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MDH曲線(圖9)則表示關(guān)井期間井底壓力的變化(Δp)，其直線段的斜率m表達(dá)式為

(7)

4.3 最優(yōu)點(diǎn)判斷與反饋機(jī)制

當(dāng)氣井關(guān)井后，井底壓力變化值(Δp)在MDH曲線的直線段位置處，變化值最小，滿足式(2)的最大條件，此時巖面流量正處于瞬時流量變化最大的階段，交點(diǎn)延長線與流體體積曲線相交于點(diǎn)S，即為理想最優(yōu)點(diǎn)。

確定最優(yōu)點(diǎn)后即確定了氣井關(guān)井生產(chǎn)的壓力上限和壓力下限(閾值)、壓力釋放值和壓力報警值等控制參數(shù)值，遠(yuǎn)程控制終端將數(shù)值傳輸至待更新氣井，由PLC實(shí)現(xiàn)設(shè)置更新，動態(tài)控制參數(shù)數(shù)值，更新周期由遠(yuǎn)程終端決定。井網(wǎng)中每口氣井的控制參數(shù)數(shù)值會有所差異，終端會記錄這些值，亦可對地層地質(zhì)變化的推斷做出一定依據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)對比及系統(tǒng)性能分析

5.1 實(shí)驗(yàn)對比

結(jié)合某氣田現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，對生產(chǎn)狀況相似的兩口井進(jìn)行對比試驗(yàn)，井1為人工間歇生產(chǎn)，井2為本系統(tǒng)自動校核生產(chǎn)，在相同的時間段中，兩井的間歇周期如表2所示。

表2 兩井間歇周期表

由圖10可見，在相同的生產(chǎn)時間內(nèi)，減少復(fù)壓時間，約增產(chǎn)33%，可極大程度提高單井生產(chǎn)效率。

圖10 兩口井生產(chǎn)油/套壓及累計產(chǎn)量變化Fig.10 Changes of production oil pressure, casing pressure and cumulative production of two wells

5.2 系統(tǒng)性能分析

在設(shè)計層面，PLC邏輯控制器I/O點(diǎn)容量比使用數(shù)高出20%，可針對不同井進(jìn)行一對一擴(kuò)容設(shè)計，其適應(yīng)性高。系統(tǒng)對不同類型的氣井均有較高的兼容性，可重復(fù)性好。

同時，在數(shù)據(jù)處理層面，對采集壓力數(shù)值進(jìn)行三級判斷并多次平均的方式對壓力、溫度、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減小數(shù)值波動，對于不穩(wěn)定氣井還可加裝多個傳感器，綜合考量氣井?dāng)?shù)據(jù)，系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性均較高。

6 結(jié)論

(1)以氣井井網(wǎng)控制為出發(fā)點(diǎn)，針對間歇產(chǎn)氣、低產(chǎn)氣井為主要研究對象，研發(fā)了基于三菱PLC的間歇生產(chǎn)氣井井網(wǎng)智能系統(tǒng)，提高產(chǎn)量約33%。

(2)提出了確定最優(yōu)控制參數(shù)的方法。該方法結(jié)合試井?dāng)?shù)據(jù)，對關(guān)井后井筒中流體體積進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)瞬時巖面流量變化達(dá)最大，即井筒中流體體積增長率最低時，確定最優(yōu)控制參數(shù)。

(3)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最小化數(shù)據(jù)誤差與全井參數(shù)可視化。較傳統(tǒng)的單井?dāng)?shù)據(jù)采集裝置相比，本系統(tǒng)將全井站的氣井物聯(lián)，形成氣井井網(wǎng)，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差最小化，通過觸摸屏菜單式選擇或遠(yuǎn)程終端控制合理精確的壓力范圍，實(shí)現(xiàn)更加精確化控制。

(4)最優(yōu)控制參數(shù)值的動態(tài)反饋。系統(tǒng)可在遠(yuǎn)程終端的支持下，實(shí)現(xiàn)對井網(wǎng)中單井的“一對一”動態(tài)參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)為單井定制最優(yōu)的合理生產(chǎn)制度。