老气田数字化转型升级关键控制技术应用与探索

陈智勇，甘德顺，唐兴波，廖敬，蒋俏仪，邓军

(中国石油西南油气田公司重庆气矿，重庆 405400)

1 绪论

1.1 背景

随着信息技术的飞速发展，以“云大物移智”(云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能)为代表的新一波数字技术浪潮席卷全球[1]。油气行业也处在数字化转型的重要时期，正在迈向以数字化、智能化为主要特征的第五次技术革命。数字化已成为油气行业实现转型发展的重要战略机遇。国内外油气公司聚焦市场需求，加强自主创新，积极探索数字创新的前沿技术，推动业务数字化[2]。

21世纪前10年建成的主力优质气田已陆续进入产量递减阶段[3]。川东石炭系、面临产量逐步降低、人均生产总值逐步下降、单位天然气生产成本逐渐升高等挑战，因此有必要进一步推动无人值守站向纵深发展，从无人值守逐步向无人操作、智能操作转型升级，进一步减轻对人工的依赖，实现数字化转型升级，提升老气田开发效益。 本文以川东地区部分气田为例，阐述老气田数字化转型升级关键控制技术的应用效果。

1.2 基本思路

(1)坚持以需求和问题为导向。近年5G、工业机器人、人工智能、大数据等前沿技术取得了迅猛发展，新ICT技术层出不穷，给气田生产运行信息化管控带来众多可选的新技术。同时，油气田开发的本质并未改变，考虑老气田高效开发和生产运行安全管控的需要，选择相适应的技术用于解决实际问题，而非将新技术生搬硬套到生产现场。总之，无人值守站的转型升级必须坚持需求导向、问题导向，从气田开发的迫切需要和长远需求出发，真正解决实际气田生产问题。

(2)坚持稳定、可靠、经济原则。天然气具有易燃易爆特性，且部分气田原料气含有硫化氢，危险性大、腐蚀性强，选择的应用技术必须优先考虑安全性，设备应运行稳定、使用可靠。同时，开展生产运行控制等技术优化应用，主要目的是提升气田开发效益，选择相关技术时还要着重考虑经济效益，应充分利用已建装置与系统，立足适应性局部改造，算好投入与产出的经济账。

2 现状分析

以川东气田为例，结合气田工艺现状，围绕“产量”与“安全”两大核心，以气井生产、增产措施执行、井站巡检、泄漏实时监测与应急处置为主线，川东气田实现更高水平的开发主要面临五个方面普遍性问题。

2.1 气井生产制度制定与执行依赖于人工进行

2.2 气井泡排剂加注需要有经验的人员现场执行

川东气田石炭系气藏普遍存在边水，产地层水的气藏占97.1%，气田实施泡排井114口，占工艺井的83.2%，其产能的正常发挥对提高气田采收率具有重要意义。目前各无人井站基本实现了定时加注功能，药剂的加注制度主要有技术人员制定，现场则由井站员工进行操作，存在较大的优化空间，并且泡排制度的合理性也有待验证。

2.3 无人值守站巡检方式和巡检效率有待提升

目前人工巡检单个无人站需2～3小时，至少配置3人和车辆1辆，其中50%以上时间耗费在途中。按照目前一个中心站平均管理15个单井场站计算，每个单井场站巡检频次是1次/周。人工巡检花费的时间长、占用的人力、物力资源较多，巡检效率较低。

2.4 无人值守站泄漏检测缺乏有效手段

传统固定式气体检测仪检测现场可燃气体浓度，报警高限为10% LEL，检测原理是催化燃烧式，需进行被动等待甲烷气体漂浮到检测仪的气室内发生反应后才会产生报警，其缺点是进行被动式检测，响应时间长，易受环境(湿度、温度、粉尘)影响，易受其他气体干扰，使用寿命短且需要每半年进行一次维护更换探头，对轻微和一般泄漏检测效果较差。

2.5 放空点火系统智能化程度低

按现行环保及节能标准规范的要求，井站放空火炬需精确控制点灭火时机、减少甲烷的燃烧量，同时放空系统的工作具偶发性，而火炬点火装置与各放空阀阀位联动不足，无法自动准确预判和实现全过程监控，可能导致点火不及时，出现“长明火”的粗放性管理；并且放空火炬长期位于高空，受放空、燃烧、雨水等腐蚀影响，需要定期维护，工作量大、风险高。

3 应用与探索

针对川东气田场站工艺方面存在的五大普遍性问题，气田管理单位积极开展生产运行控制技术优化应用与探索，并取得了初步成效。

3.1 智能采气

(1)实现方式。在采气树生产闸阀与针阀上安装自动控制执行机构，实现气井远程控制；通过自动程序控制，实现定油压、定时间等不同模式的自动气井开关控制。通过油套压、瞬产、临界携液流量等实时数据与自动控制装置进行联动，实现智能开关井。

(2)原理。阀门远程自动控制装置主要由智能控制器、角度传感器、直流无刷电机、压力变送器、位置编码器、电源线、上位控制系统及下位控制元件组成，产品设计满足防爆需求。运行时，智能控制器采集压力变送器和位置编码器的数据，根据控制器内部已经预设的工作模式或远程发送的控制指令来驱动直流无刷电机，最后直流无刷电机通过减速机和齿轮传动放大输出扭矩进而驱动阀门进行相关的开度控制。结合实时采集的油压、瞬产和计算出的临界携液流量，嵌入智能算法，实现气井智能开关与产量智能调节。

盈亏平衡分析法又称保本分析法或本量利分析法，是利用数学化的会计分析模型和图文来揭示、分析固定成本、变动成本、服务量、利润等变量之间的关系，为财务预测或决策提供财务信息咨询的一种分析方法［2］。其计算公式为：

(3)特点。现场主要利用已有井口装置针阀和生产闸阀同步安装，通过上位系统下发控制指令，控制逻辑和人工操作模式保持一致。该方案主要优势是改造工作量不大、安装便捷、经济适用，不涉及动火、设备打开等高风险作业，作业风险小，不需要停气；新设备不与含硫天然气接触，安全可靠。

(4)效果。在Y井投用80天后，相较未投用时气井开井次数增加12次，产气量增加21.59%；在X井投用60天后，相较未投用时气井产气量增加18.1%。该装置的投用，成功改变了原有人工现场开关井的现状，节约人力资源，气井生产制度执行更精准；实现了人工开关井向智能开关井转型升级，气井生产制度实时调整更加合理，延长气井采气时率，更有利于气井产能发挥。

3.2 智能泡排

在试验1井投用48天，相较未投用时气井日产气上涨0.12万m3，上涨4.05%，日产水上涨了6.12 m3，上涨40.83%；在试验2井投用56天，产气产水与试验前持平，泡排日加注量从11.13 kg下降至6.34 kg，节约4.79 kg/d，下降43.03%。

综合效果而言，该系统可实时获取数据并进行判断，泡排生产实现智能化，一方面实现泡排科学加注，提高气井产能，另一方面还实现泡排精准加注，提高药剂使用效率。

3.3 智能电子巡检

(1)实现方式。通过合理的布置在现场的视频摄像机，由现场的物联网网关作为控制中枢，结合物联网数据和SCADA数据实现高效的智能电子巡检系统。

(2)原理。根据现场情况，巡检中有超过90%的巡检记录都是正常的，真正需要人工仔细判读的一般不超过10%。因此可以引入智能化识别，通过自动数据比对(物联网数据、SCADA数据和图像识别数据)、计算机视觉(computer vision)(阀位、放空火炬等自动识别)、机器学习(machine learning)(数据是否产生偏离)等手段自动标记巡检记录(智能标记的结果分为：正常、异常和不能识别三类)，优先要求人工审核异常或者不能识别的巡检记录，同时保留人工对所有巡检记录审核的权限。

(3)特点。巡检速度快：对于一个典型复杂场站(中心站、门站)现场布置高清摄像头8～10个，单次巡检时间可以控制在5分钟之内完成；巡检覆盖率高：通过对现场摄像机的合理布置和调节，理论上可以实现对现场设备的全面覆盖；稳定性高：采用本地安装的物联网网关作为核心控制，网关采用LINUX嵌入式平台，稳定性高(连续运行90天无需重启)、功耗小(3～15W)。即使在通信中断的情况下也可以维持正常运行，系统运行基本不受天气、温度等外界条件的影响。

(4)效果。自动生成巡检记录，完全无人值守运行，人员只需要在空闲时候对巡检结果进行确认，有效降低劳动强度，提升了巡检的质量和效果，人工巡检由1周1次延长到2周1次；实现SCADA系统报警联动，为报警记录提供了对应的现场照片记录，提升了故障判断、分析的准确性；稳定性好，连续6个月正常运行。

3.4 智能甲烷检测

(1)实现方式。部署激光甲烷检测仪，结合站场设备分布进行布置优化，提高站场甲烷泄漏检测能力。

(2)原理。设备工作时，对外发射特定波长范围的探测激光，该探测激光遇到反射物后发生漫反射，部分激光返回到仪器的探测单元。在光束路径内，如果有被测气体泄漏形成的气团，该气团将对探测激光产生吸收，未被吸收的光量与被吸收光量的比值与气团的浓度成函数比例关系，通过计算该比值反推出气团的浓度。

(3)特点。针对天然气生产场站，在其区域内安装固定扫描式激光甲烷检测仪，利用云台可以进行水平及垂直方向旋转的特点，形成一个扇形扫描区域，实现对区域范围内甲烷泄漏的高精度检测，及时测出一般和轻微泄漏点，将实时检测数据和现场视频信号传送到智能分析系统，实现天然气泄漏的 24小时实时主动式在线检测、泄漏报警的精确定位。

(4)效果。在某站工艺区安装云台式激光甲烷检测仪1台(立杆式，高度3 m)，用于检测室外分离器区、燃料气区天然气泄漏情况；在厂房内安装了2台云台式激光甲烷检测仪(立杆式与壁挂式，高度分别为3 m与3.5 m)，用于检测9台增压机组天然气泄漏情况。经现场测试，仅部署当天在增压厂房内即查找到漏点16处，站外工艺区漏点5处。

经现场试验，激光甲烷检测仪具备以下效果：检测范围广，检测范围达半径50 m(激光探头为中心)，可以24小时不间断进行检测；具有较好的灵敏度，灵敏度达10×10-6·m，能够检测一般泄漏和微小泄漏；对噪声、粉尘和雨雾等天气影响具有较好的抗干扰能力。

3.5 智能点火

(1)实现方式。设计发明了一种升降式点火装置，实现放空智能点火，并降低了放空点火系统腐蚀损坏后的更换维修作业风险，尽可能的降低维护费用，及检修的风险，解决引火燃烧器出现的配气堵塞等问题。

(2)原理。自动点火系统由流量开关、压力开关、引火燃烧器、高空点火装置、点火嘴、点火高压线、火焰监测器和自动点火PLC控制系统等组成，如图1所示。

图1 自动点火流程示意图

(3)特点。相比于常见点火装置，升降式点火装置以电动升降式点火枪进行自动点火，在点火成功以后自动回缩到指定安全位置，从而提高了使用寿命，并且使其安装维护方便；防堵塞式引火燃烧器能有效避免堵塞问题；具有安全性高、监控可靠、体积小、操作简单、点火效率高、寿命长、实用性好等特点。

(4)效果。经现场试验140余次，结果表明，升降式放空火炬即使在大雨、大风等恶劣环境下点火稳定性仍然较好，点火可靠，感应灵敏。

4 结语

老气田无人值守站技术优化应用与探索应坚持需求导向和问题导向，优选稳定、可靠、经济、便捷的技术方案，以便快速部署形成规模效应。

智能采气、智能泡排、智能电子巡检、智能甲烷检测仪、智能点火等技术的探索运用，围绕无人值守站生产与安全两大核心基本形成了闭环，为老气田高效开发与安全运行提供了新的思路。