远程控制在煤层气排采中的应用——以沁水盆地樊庄区块为例

孟祥迎 吴倡名 李红昕 王 宝 唐雅娟 梁春红

(1.中国石油华北油田山西煤层气勘探开发分公司，山西 048203；2.西安中星测控有限公司，陕西 710119；3.陕西安控科技有限公司，陕西 710003)

山西沁水盆地樊庄区块的煤层气排采井大多位于人烟稀少的沟壑和山地，井场分散，覆盖面广，而且海拔较高，山路崎岖交通不便，极大地增加了煤层气的勘探开发和生产管理的难度。为了克服重重困难，在恶劣的工作环境中贯彻“低恒套压、变速排采、指标管控”的排采理念，严格执行排采计划，强化排采管控，使煤层气井的排采制度更加合理，保障排采井正常平稳生产，增加产气量，减轻员工的劳动强度，提高排采的安全系数，减少人力、物力，有效节约企业成本，华北油田山西煤层气勘探开发分公司积极探索，研究了一套行之有效的适用于煤层气排采的远程控制技术。

1 远程控制技术总体设计

利用计算机分布式控制技术，结合煤层气排采特点，以实现煤层气井排采远程控制为目标，从国外引入第四代SCADA自动化监控管理系统，精选硬件设备，优化RTU和PLC的参数，依托无线通信网络，建立实时数据库，结合组态软件、应用软件和通信管理软件，运用浏览器技术及统一的人机界面。

2 SCADA系统

SCADA是Supervisory Control And Data Acquisition的缩写，即数据采集与监控系统，是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，能对煤层气井场的各项排采设备进行监视和控制，是石油系统煤层气领域的实时数据源，为煤层气的排采提供全方位、精确而及时的数据，具有数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等多种作用。

SCADA系统采用Windows XP操作系统作为软件平台，采用客户端程序(Client)/服务器端程序(Server)分布式体系结构，其软件的各功能模块都以数据库为核心。

SCADA系统由集气站控制系统、阀组远程终端测控单元、无线通信McWill R5系统、处理中心控制系统及各作业区设置的调度控制中心组成。调度控制中心具有监控、调度、管理全部管线上的各个井场和阀组的功能(图1)。

图1 沁水盆地樊庄区块SCADA系统图

3 无线通信McWill R5系统

McWill (Multi-carrier Wireless Information Local Loop，多载波无线信息本地环路)是我国自主研发的宽带无线接入系统，选用世界一流的码扩正交频分多址(CS-OFDMA)、智能天线、空间零陷、联合检测等无线通信技术，以其高可靠性、高保密性、广阔的覆盖性、卓越的技术性、方便灵活的结构性、实惠的经济性、简单的维护性称著于世，因此沁水盆地樊庄区块将华北油田通信公司的McWill R5系统作为生产用的无线通信网，应用于无线数据传输、视频监控、应急通信等方面。

McWill R5系统采用无线网络星型连接，支持IEEE802.1Q协议，TDD上/下行时隙比例关系为 4:4， 在组网时分为接入层和汇聚层(图2)。

图2 McWill R5系统示意图

McWill R5系统有10座基站，16个BTS，负责沁水盆地樊庄区块6座集气站、八百多口单井的数据业务流和视频业务流。基站通过无线网桥连接集气站，集气站通过光缆接入处理中心，以有线方式接入煤层气分公司的IP网络。基站最大提供15Mbps的数据吞吐量，每个基站的光缆传输网有百兆的带宽。

4 Intouch软件

选用美国Wonderware公司的Intouch 10.0人机界面(HMI)自动化组态软件包编制作为上下位机检测、监控应用软件。既能通过Intouch 10.0自带的DAServer软件经无线通信McWill R5系统与排采井现场的RTU或PLC进行通信，实时采集排采井现场的生产参数，又能通过控制RTU或PLC来达到排采井的远程控制。

5 远程控制的原理、实现条件及主要应用类型

5.1 原理及实现条件

位于作业区调度的下位机是客户端(Client)，位于晋城自动化室的上位机是服务器端(Server)，远程控制就是经无线通信McWill R5系统，由客户端程序向服务器端程序发出信号，建立远程服务，发送远程控制命令，对排采井现场的RTU或PLC(前端设备)进行远程操控，进而控制地面排采设备，从而实现遥控设备。

远程控制必须同时满足五个条件：①通信正常；②井场内排采设备、配电柜、自动化柜等硬件设施及线路正常；③电力线路正常送电；④数据库服务器正常；⑤井场内无人干扰。

5.2 主要应用类型

远程启停井、间抽、远程调频率、智能排采。

5.2.1 远程启停井

远程启停井即人工远程启动或停止抽油机、螺杆泵等排采设备，以实现启井或停井。

(1)远程启停井的原理

沁水盆地樊庄区块的排采设备主要有抽油机和螺杆泵两大类，它们的远程启停井的原理不同。抽油机的远程启停井是由作业区调度或自动化室的计算机使用特定的用户名和密码远程登录数据库服务器，然后使用Intouch 10.0软件发出“启井”或“停井”命令，经通信处McWill基站无线发送到井场的McWill模块，再经线路传送到RTU或PLC。由RTU或PLC再下发“启井”或“停井”指令，引起启井继电器吸合或停井继电器断开，进而形成相应的通路或断路，带动电动机的启动或停转，从而实现抽油机的启动或停止(图3)。

图3 抽油机远程启停井原理图

螺杆泵的远程启停井是由变频器带动的，RTU或PLC下发“启井”或“停井”指令后，变频器就以低频率启动或停止运行，带动变频电动机的启动或停转，从而实现螺杆泵的启动或停止(图4)。

(2)远程启停井的实现条件

满足远程控制的五个条件。

(3)远程启停井的应用情况

图4 螺杆泵远程启停井原理图

在沁水盆地樊庄区块，为了保证产量，用的最多的是远程启井，而远程启井率也呈现季节变化，即“夏低春秋冬高”。因为，每年春季，为保证电力线路的安全畅通，华北油田水电工程处都会组织人员进行电力线路检修，需要停电，属于正常维护，设备均正常，再送电时远程启井率就很高，都在99%以上，甚至多次100%，呈现出“启井次数多，启井率高”的特点。秋冬时节多风，容易刮断电力线路，抢修后也可远程启井，其远程启井率与春季持平，呈现出“启井次数少，启井率高”的特点。而夏季多雷雨，雷电容易劈坏甚至击穿高压变压器或24伏电源、PLC等配件，造成井场硬件设施损毁；还会造成变频器报警，无法带动变频电动机，致使再送电时远程启井率较低，只有不到九成。

5.2.2 间抽

间抽即间歇性抽排，指抽油机、螺杆泵等排采设备间歇性地抽排。

间抽分为以时间为节点的时间间抽和以液面值为节点的智能间抽。通过作业区调度或自动化室的计算机，远程登录数据库服务器，再使用Intouch 10.0的测试工具——WWclient软件来设定排采设备是否间抽、间抽参数，实现远程控制间抽。

(1)时间间抽的原理

间抽的过程与远程启停井相似，不同的是，经过优化，间抽程序已实现本地化，不再依赖数据库服务器下达命令，避免了数据库服务器故障和通信故障时不能运行间抽程序。具体来说，时间间抽是先在煤层气排采井现场，通过电脑或触摸屏对RTU或PLC进行时间设置，以便判断时间，到达启井时间就由RTU或PLC下发“启井”指令，从而带动电动机启动，实现抽油机或螺杆泵的启动；到达停井时间就由RTU或PLC下发“停井”指令，从而带动电动机停转，实现抽油机或螺杆泵的停止。

(2)时间间抽的实现条件

满足远程控制的五个条件。

(3)时间间抽的应用情况

在沁水盆地樊庄区块，时间间抽被广泛应用，有效节约了电力成本。抽油泵满时启井，泵空时停井，减少了抽油泵空抽和抽油杆干磨等现象，充分提高了泵效和系统效率，延长了抽油机、螺杆泵等排采设备的使用年限。

5.2.3 智能间抽

智能间抽是通过计算沉没度来判断井下压力计所在液面值，设定液面值为启停井节点的间歇性抽排。

(1)智能间抽的原理

通过井下压力计采集井底压力，套压压变采集套压，二者传输到RTU或PLC，RTU或PLC通过计算沉没度(沉没度=(井底压力-套压)×100)来判断井下压力计所在液面值，到达启井液面就由RTU或PLC下发“启井”指令，从而带动电动机启动，实现抽油机或螺杆泵的启动；到达停井液面就由RTU或PLC下发“停井”指令，从而带动电动机停转，实现抽油机或螺杆泵的停止。

(2)智能间抽的实现条件

除了满足远程控制的五个条件，排采井还必须安装井下压力计。

(3)智能间抽的应用情况

井下压力计所在的液面值通常有波动，因为螺杆泵的运转较抽油机平稳，液面值波动小，所以螺杆泵智能间抽的效果优于抽油机。

5.2.4 远程调频率

远程调频率即人工远程调节变频器的运行频率，进而调节变频电动机的转速，从而实现远程调节抽油机的冲次或螺杆泵的转速。

(1)远程调频率的原理

远程调频率是由作业区调度或自动化室的计算机远程登录数据库服务器，然后使用Intouch 10.0软件，将“调频模式”定于“手动”处，在“设定频率”处输入相应值即可。设定的频率经通信处McWill基站无线发送到井场的McWill模块，再经线路传送到RTU或PLC，由RTU或PLC再下发指令到变频器，变频器依指令调节频率，带动变频电动机调节转速，从而调节抽油机的冲次或螺杆泵的转速(图5)。

图5 远程调频率原理图

(2)远程调频率的实现条件

除了满足远程控制的五个条件，抽油机还必须处于“变频”状态。

(3)远程调频率的应用情况

用于手动远程改变排采制度。

5.2.5 智能排采

智能排采即智能控制系统排采，是采用了PID调节的闭环控制，指抽油机、螺杆泵等排采设备根据远程设定的目标井底压力、降液速率，结合煤层气排采井井场的井底压力与套压，不断地自动调节冲次或转速，实现排采制度的最优化。

智能排采分为降压法和稳压法，即降低井底压力控制法和稳住井底压力控制法。

(1)智能排采的实现条件

除了满足远程控制的五个条件，还必须满足五个条件：①排采井必须安装井下压力计；②排采设备必须处于变频工作状态；③井下压力计、套压压变、接近开关等仪器仪表必须正常采集，传输；④自动化柜的冲次调节方式必须为“自动”；⑤远程设定的智能排采的方式必须为“自动”。

(2)智能排采的原理

首先，由作业区调度或自动化室的计算机远程登录数据库服务器，然后使用Intouch 10.0软件进行远程设定，设定目标井底压力和达到目标井底压力所需的降液速率。

然后，在煤层气排采井井场，通过井下压力计采集井底压力，套压压变采集套压，二者传输到RTU或PLC，RTU或PLC通过计算沉没度来判断井下压力计所在液面值，将液面值与设定的降液速率作对比，将井底压力与设定的井底压力作对比，通过程序的核心算法计算出此时抽油机或螺杆泵运行的最佳冲次或转速，并将其转换为相应的变频器频率。RTU或PLC再下发指令到变频器，变频器依指令调节频率，带动变频电动机调节转速，进而带动抽油机调节冲次或螺杆泵调节转速。接近开关等配件将调节后的冲次或转速反馈RTU或PLC，RTU或PLC继续对比设定值和井场值，如此往复，闭环控制，直到实现设定的井底压力和降液速率(图6)。

图6 智能排采原理图

(3)智能排采的应用情况

在沁水盆地樊庄区块，智能排采的降压法广泛应用于新井投产初期，因为煤层气的排采需要排水降压，即通过排采设备抽排出煤储层中的水并降低井底压力，促成煤层气的解析。不同的排采阶段需要不同的排采制度，如解析前的降液速率要快，解析后的降液速率要慢，放气时的降液速率要稳。智能排采系统根据不同的排采阶段自动实时地调节抽油机的冲次或螺杆泵的转速，平稳地降低井底压力，精准地控制降液速率，使排采更加合理、高效。

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