摘要：目前煤层气排采控制正向着更加智能化的方向发展。针对现有煤层气排采系统存在的控制精度不足、生产成本高等问题，设计了一种智能控制的煤层气排采系统。通过计算井底流压的测量值与设定值差值，控制排采设备的工作频率，进而实现排采系统的调节。利用无线传输方式将信号发送至排采单元，可以实现排采工作的全程监控。以胡底工区项目为系统试验对象，验证了井底流压调节精度能够满足要求，该系统有效且运行稳定。
关键词：煤层气；排采系统；智能控制
0引言
煤层气是一种环保、绿色的清洁能源。井底流压充分反映了产气量的渗流压力特征，是合理制定排采制度和进行精细化排采控制的基础[1]。国外对于排采控制的重视程度和研究力度较小，主要是由于国外煤储层普遍具有高压高渗特征，掩盖了煤层气井排采过程中物性变化和流体相态变化对产气量的影响[2]。邹宇清等[3]对煤层气排采各阶段的自动控制逻辑和方法进行了研究，实现了煤层气排采的远程自动控制，采用了产气量和产水量联动控制的排采方式，当产气量或者产水量不稳定时，会出现自动调节幅度剧烈的情况，影响井底流压的稳定性。本文针对上述情况，设计了一种煤层气精准排采监控系统，该系统通过排采控制算法，实现井底流压的实时调节，并以现场实例验证了该系统的有效性。
1煤层气控制系统硬件设计
在系统结构方面，煤层气排采系统主要由管理检测单元、排采控制单元以及现场采集单元组成。管理检测单元配备了无线基站、云服务器及管理端等，是工作人员操作及数据分析、数据交换的功能单元。排采控制单元有现场终端，控制中心是实现智能控制的重要单元。现场采集单元的采集数据包括水流量、井下压力、温度等，因此在采集单元中设置了多种传感器。煤层气排采工作要减少对煤储层的伤害，为此在煤矿井下布置了多种传感器。传感器将水流量、压力、温度等信息转换为电信号，控制中心用通信接口与模拟量接口实时采集各种信号，这些信号经过程序设定的算法处理后发出。在信号处理过程中，井底流压的实际检测结果会不断趋近于设定值，这样就实现了闭环自动控制。管理检测单元会对排采控制中心的信号做出调节指令，做到完整的实时数据监控。
2煤层气控制软件与用户界面
2.1煤层气控制软件
煤层气系统控制软件用C++语言编写，包括了数据采集程序、排采控制程序及通信服务程序。井下传感器将数据传送至数据采集端，这是串口通信程序的编写依据。井底流压的实际测量数据会根据排采控制单元中的PID算法逐渐接近预先设定的数值，当实测值无限趋近于设定值时，排采工作的效率到达最高。排采监控系统需要一种异步通信消息协议，故在TCP协议栈基础上构建了MQTT协议。MQTT协议能够实现订阅并信息传输协议，在不稳定的条件下，从空间和时间上分离发送者与消息接受者。排采监控系统的数据汇报与云端系统上的所有程序都遵照MQTT协议执行，该协议也可以在不同环境中拓展。程序初始化后进行参数配置。当数据采集期到期后，程序查询现场数据。当到达控制时间后，程序自动调节井底流压值。服务器接受到调节命令后会发送排采控制指令，若数据包发送时间已到，则完成此控制过程。整个程序往复循环，经过多次循环后就实现了实际值无限趋近于设定目标。井底流压的控制是根据PID算法实现的，该算法可以使井底流压的排采控制在平稳的过程中并逐渐降低。PID算法原理为：首先比较井底流压的测量值与实际值，比较结果会产生一个误差值并将该值作为一个独立信号发出。处理器收到误差信号后进行纠偏运算，运算结果即为调节误差的指令。纠偏指令通过执行器改变工作频率，控制电机速度以及排采设备转速来实现。经过反馈环节中的井下压力计来纠正井底流压的精度，此程序循环运行形成自动闭环控制流程。
2.2煤层气用户界面
控制程序可连接智能手机，在使用过程中可通过人机交互界面直接观测系统运行情况，以便对设备进行控制操作。手机操作界面主要包括设备运行工作量参数、设备运行时间参数、设备硬件参数、参数实时和历史曲线、设备故障分类、设备报警推送等内容。
3煤层气排采项目试验
本文以胡底工区项目为试验对象，测试了排采系统的控制效果。试验为现场测试，可以体现排采系统的控制准确性和在煤层气开发项目上的运行稳定性。胡底工区项目的井场日常管理采取定时巡查机电设备、人工抄表的工作机制。由于地理环境的特殊性，工区气井、集输站多数在偏远山区，路途遥远，交通环境恶劣，尤其在雨雪天气，职工需每天驾车到山区各个井场巡查的工作方式，存在耗时间、耗油量、人力资源利用低、安全隐患多等弊端。一旦井场生产设备出现故障不能及时发现和排除，就会影响到公司气量的生产任务，给公司造成严重的经济损失。基于以上情况，该项目十分适合作为煤层气排采系统的试验对象。胡底工区项目的煤层具有较大的瓦斯含量和压力。测试的三号矿井使用管式泵与抽油机外加油套环并联工作的方式进行区域作业。根据地质勘探结果与相邻煤矿的排采曲线制定了排采方案，方案划分为4个阶段：排水阶段、产气量提高阶段、产气量平稳阶段、产气量衰减阶段。每个阶段的井底流压日降数值分别0.04MPa、0.03MPa、0.01MPa、0.005MPa，同时设置了排水阶段的压力误差为±0.01MPa，产气量提高阶段的压力误差为±0.005MPa。若用Pd表示井底流压降低幅度，即试验日期的井底流压与前一日的井底流压间的差值。煤层气排采控制系统在完成排采监控工作时具有明显效果，图中两条曲线呈逐渐接近趋势，说明该系统实现了事先预定的目标。井底流压的给定值与实际测量值的误差稳定控制在0.5%左右，能够实现准确的煤层气排采控制。
4结语
煤层气井类型多样，不同阶段的排采调整需要由智能控制系统控制。本文设计的排采智能控制系统，利用了无线网络传输及云服务器等技术，实现了排采数据的实时传输。通过改变变频器的工作频率，调节排采相关设备的运行速度，形成了一套完整的井底流压闭环控制系统。以胡底工区项目为系统试验对象，结果显示该系统可以到达精确调节井底流压的目的，并且误差均值在0.5%左右，满足控制要求。
［参考文献］
[1]郑军领，金毅，李伟娜，等.基于LBM方法的井间干扰对煤层气排采的影响机理分析[J].煤矿安全，2020，51（4）：157-161.
[2]姜杉钰，王峰.中国煤系天然气共探合采的战略选择与发展对策[J].天然气工业，2020，40（1）：152-159.
[3]邹宇清，赵凤坤，黄勇，等.煤层气排采远程自动控制平台的建立与应用[J].天然气工业，2015，35（12）：42-47.
作者:巩海欧 单位:山西蓝焰煤层气集团有限责任公司
