煤层气井集输系统的应用设计和探讨

2022-09-10

煤层气是指赋存于煤层中以甲烷为主要成分的烃类气体, 俗称“瓦斯”。它以吸附在煤基质颗粒表面为主, 部分溶解于煤层水或游离于煤孔隙中, 是煤的伴生矿产资源, 属于非常规天然气, 也是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。但煤层气开采和集输技术难度大, 建设和运营的成本又高, 且其在中国属于新兴产业, 仅有十余年的发展历史, 勘探开发程度与研究水平略低, 因此研究煤层气的开发和利用具有一举多得的重要意义。

一、研究背景

山西古交200口煤层气井集输系统工程项目地理位置为山区, 具有气井数量多、分布地域广、道路条件差、地形复杂、无人值守等特点, 且山上长满沙棘, 依靠人工巡井不仅工作量巨大且非常不方便, 当出现特殊情况时, 不能及时根据现场情况做出判断并采取有效的控制措施。为解决上述问题, 实现煤层气集输系统的自动监控, 研究引入了数据传输系统, 即通过数据采集模块 (RTU) 实时采集井口或传输管线等分散设施的工艺参数, 并上传至数据传输系统, 由其将分散的数据传输至集气站控制室 (或中央控制室) 的数据采集与监控系统中进行集中监控。数据传输系统有效地提高了煤层气生产的自动化水平、经济效益和安全系数, 并已成为实现煤层气安全、高效集输生产的关键技术[1]。

二、数据传输系统的设计方案

(一) 煤层气集输系统的特点

山西古交煤层气田地形复杂, 山中没有道路, 线缆敷设十分困难, 建设成本和维护成本较高。煤层气技术现场无人值守, 就地仪表无法将井口信息及时准确地反映到集气站控制室 (或中央控制室) 内的数据采集与监控系统中进行集中监控。煤层气集输具有滚动开发、不断扩展的特点。

(二) 数据传输系统技术的需求分析

(1) 煤层气井低压低产, 要求降低数据传输系统 (网络) 建设、运行和维护成本。 (2) 煤层气田多处于山地, 要求数据传输系统 (网络) 实现全覆盖, 并且具有较高的可靠性。 (3) 要求数据传输系统 (网络) 具有较强的扩展性和易扩展性, 以适应煤层气不同建设阶段、不同建设区域和规模不断滚动开发的需求。 (4) 煤层气数据传输系统 (网络) 具有较强的开放性, 易受攻击, 因此要求数据传输系统 (网络) 具有较高的安全性能。

(三) 数据传输系统可采用的设计方案

1. 方案一:基于光纤有线网络

该方案采用光纤为传输媒介, 将200口煤层气井采集的工艺参数远传到集气站控制室, 实现在控制室内的数据采集与监控系统中进行集中监控。该方案优点:传输速率高、传输质量高、网络延时小、协议简单、电路可靠性高。缺点:光纤网络在某些场合受到敷设的限制, 如针对分散的测点、被道路河流阻隔的测点、没有供电的测点等, 这些场合难以采用光纤网络。另光纤网络建设安装成本较高, 且线路容易受到意外或人为的破坏, 维护成本同样较高, 扩展费用高和时间长, 适合确定用户数量的网络。以上分析可见, 光线网络适合应用于固定数量终端, 且终端密集的工况, 如长输管线通常都采用光纤传输数据, 而不适合应用于井口分布相对分散、具有滚动开发特性、要求建设工期短且易拓展、建设成本低的煤层气数据采集系统。

2. 方案二:基于GPRS或3G网络

该方案优点:GPRS/3G网络利用中国移动等运营商的现有基站网络, 有偿申请使用, 在信号覆盖范围内即插即用, 设备简单。缺点:采用中国移动运营商固定频段, 使用时需要申请, 并付费使用;必须有移动基站覆盖的区域才可以扩展, 因此扩展能力受限;GPRS/3G网络建设成本和维护成本较低, 然而运营成本较高。

3. 方案三:主干网采用光纤, 分支网采用无线节点网络技术

该方案在集气站与阀组之间随采气干管同沟敷设光纤, 作为通讯链路的主干线, 井口与阀组之间作为分支网络, 采用无线节点网络技术。井口数据通过分支无线节点网络通讯至附近的阀组, 信息汇集到阀组后通过基于光纤的主干网将200口煤层气井采集的工艺参数远传到集气站控制室, 实现在控制室内的数据采集与监控系统中进行集中监控。该方案优点:主干网采用了光纤网络, 可随采气干管同沟敷设, 距离不长, 规避了光纤网络的不足, 但集中体现了光纤网络的优点。分支网摆脱地处偏远山区敷设线缆的束缚, 降低成本, 缩短建设周期;高带宽, 提供100Mbps带宽, 满足工艺数据甚至是视频图像共同传输;监控区域按需设置, 扫清了监控盲区, 且不受第三方的限制;采用了静态优化、实时动态自愈合技术, 提高网络可靠性;自建网络, 无需租用, 降低运营成本。缺点:分支网络视频传输速度不高。

综合上述分析, 本设计数据传输系统推荐方案三, 即主干网采用光纤, 分支网采用无线节点网络的通讯方式, 用于现场RTU与集气站控制室内数据采集与监控系统通讯的设计方案。

三、数据传输控制系统的整体设计方案

本设计拟选用主干网采用光纤、分支网采用无线节点网络的通讯方式, 与现场RTU和集气站控制室内的数据采集与监控系统构成整个项目的控制系统。主干网采用光纤, 即在集气站与阀组之间随采气干管同沟敷设光纤, 作为通讯链路的主干线, 井口与阀组之间作为分支网络, 采用无线节点网络。井口数据通过分支无线网络通讯至附近的阀组, 信息汇集到阀组后通过基于光纤的主干网传输至集气站控制室内数据采集与监控系统, 实现200口煤层气井采集的工艺参数在集气站中集中监控的功能。

四、结束语

以山西古交200口煤层气井集输系统工程项目作背景, 根据现有资料对施工难易程度和投入成本等方面做了充分地比较, 确认无线数据传输系统 (网络) 可以为煤层气开采、集输的远程控制系统 (数据采集与监控系统) 提供可靠的数据传输手段。该项目的实施将为国内煤层气开采、集输行业积累宝贵的经验。

摘要：本文以山西古交200口煤层气井集输系统工程为背景, 设计一种适合煤层气集输特点的数据传输系统, 即主干网采用光纤, 分支网采用无线节点网络技术的数据传输系统。通过与基于光纤的有线传输系统和基于GPRS或3G网络的无线传输系统在此背景中的应用技术层面做比较, 分析该数据传输系统的优势, 指出该数据传输系统可以为煤层气集输系统提供可靠的数据传输手段。

关键词：煤层气,无线网络,数据传输技术