煤层气井流体原位实时监测仪_李炯.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.中国地质大学资源学院，湖北武汉430074 摘要煤层气生产过程中，需要随时了解和掌握煤层气井的产水、产气、液面高度等各项参数， 以便根据生产阶段的需要及时调整生产参数，使煤层气井的生产处于最佳状态。目前国内煤层气 抽采过程中仅能单独测量压力、温度、液位等参数，并不能检测每个层位的产气产水量，因此为 了达到长期同时监测不同层位煤层的目的，设计了煤层气井流体原位实时监测仪。该监测仪不仅 能测量温度、压力等参数，还可结合地面测得的气、水流量，分别得出不同层位煤层的产气产水 量，为煤层气开采方法的确定提供科学依据，有利于提高煤层气抽采率。 关键词煤层气；流体参数；原位监测；实时监测 中图分类号P634文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.03.020 In-situ and real-time monitor of fluid in CBM well 口Jiong1,WU Xiaoming1, LI Rui2, ZHANG Feng1 1. Faculty of Engineering, China University ofGeosciences, Wuhan 430074, China; 2. Faculty of Earth Resources, Chian University ofGeosciences, Wuhan 430074, China Abstract It’s necessary to know in time various parameters such as produced water, gas, and liquid height during CBM coal bed methane production so as to adjust production parameters according to the production stage and needs in a timely manner, so that the production of CBM wells is in the best conditions. The in-situ real-time CBM monitor detects mainly the key parameters, including pressure, temperature, flow, vibration and liquid level to achieve the purpose of real-time monitoring of the fluid situation in borehole. These parameters reflect the produc- tion, water flow and loss of volume during drilling, and further clarify the coal reservoir pressure, the releasing rate of gas and the distribution of various coal reservoirs to provide the most intuitive and scientific data for the com- prehensive CBM development . Key words CBM; fluid parameters; in-situ monitoring; real-time monitoring 我国煤层气资源丰富，仅次于俄罗斯、加拿大， 最新煤层气资源量为36.81012旷，与大陆常规天然 气相当［J-2］，但开采中仍面临各种问题。目前国内煤 层气抽采过程中仅能单独测量压力、温度［町、液位等 参数，并不能检测每个层位的产气产水量，因此为了 达到长期同时监测不同层位煤层的产气、产水量，设 计了煤层气井流体原位实时监测仪。 该监测仪不仅能测量温度、压力等参数，还可结 合地面测得的气流量和水流量分别得出不同层位煤 层的产气产水量，为煤层气开采方法的确定提供科学 依据，有利于提高煤层气抽采率，并为煤炭的安全开 采提供有力的保障［4］。本文主要介绍了监测仪的工作 原理及参数测试方法。 收稿日期2013-10-16 基金项目国家科技重大专项课题。011ZX05034-002 1 监测仪工作原理 1.1 设计思路 煤层气生产井中流体原位实时监测仪是根据煤 层气的排采需要而提出研发的，主要应用于煤层气生 产井的长期实时监测。煤层气井原位实时监测技术应 用于已经投入生产的煤层气井，监测仪器连接在油管 上随同油管一起下人井中待测煤储层位置，同时下入 电缆线提供电源以及进行数据传输。监测仪器下入到 待测位置之后进行原位检测，并将数据信号传输到井 上的实时数据显示界面。同时，数据信号传输到参数 控制系统，进行井中液面自动调控。图1为仪器工作 流程。 作者简介李炯（1989），男，河北衡水人，硕士研究生，从事煤层气钻井检测仪器研制与开发 E-mail lijiong2708 引用格式李炯，乌效鸣，李瑞，等煤层气井流体原位实时监测仪［J］.煤田地质与勘探，2015,433 99-101. ChaoXing 100 煤田地质与勘探第43卷 数据传输 图l流体原位实时监测仪工作流程 Fig. l Workflow of the in-situ and real-time monitor of fluid 1.2 关键技术 1.2.1 原位实时监测技术 原位实时监测技术即指将安装有各种传感器的 监测仪（图2）连同抽油管一起下人煤层气生产井中对 应到待测煤储层位置，对煤层中产出原始流体各参数 进行检测，并将所检测数据通过电缆传输到井上控制 系统的实时数据显示界面，从而达到对煤层气钻采井 进行一种长期的实时监测的技术。 图2监视tl仪实物照片 Fig.2 Photo of the monitor 1.2.2 传感器选择与改装 监测仪用来对煤层气井内原位流体进行压力、温 度、流量、振动情况、液面高度进行检测，所以需要 选择合适量程的压力传感器、温度传感器、靶式流量 计、加速度计、液位传感器，还包括根据需要重新设 计的一些传感器。同时，由于井内环空只有约2.5cm 所以要将上述各种传感器安置在监测仪上并放置于 煤层气井内，就必须要将各传感器进行改装以便符合 井内狭小空间的尺寸要求。 1.2.3 参数控制系统 流体参数控制系统主要通过控制液面高度来实 现参数的控制（包括液面高度影响的其它参数）。液面 高度由抽油机的运转来控制。首先设定一个安全范围 内的液面高度标准值，当实测值小于标准值时，抽油 机不进行操作；当实测值大于标准值时，将两者差值 进行放大，通过电机驱动器输出信号自动调整电机运 转速度，从而使抽油机运转改变液面高度，使其下降 到标准值以下。 2 参数测量方法 对于压力、温度、液位等参数的测量选取通用传 感器。 2.1 不同层位产气量的测量 通过煤层气井地表的流量计只能知道总的产气 量，并不能确切知道不同煤层各自的产气量，而这正 是生产上十分关心的问题。 针对不同层位煤层产气量的测量，采用改装后的 靶式流量计来反映流量的大小。由于煤层气井在进入 正常排采阶段后，产水量明显下降，与产气量相比很 少，因此产水量对产气量的测定影响很小。 如图3所示，在拟测量的两层煤层附近分别安 图3井下监测仪布位 Fig.3 Location of the down-hole monitor ChaoXing 第3期李炯等煤层气井流体原位实时监测仪101 装带有改装的靶式流量计的监测仪测得两层煤层流体 流量对应的电压值，由靶式流量计的原理可知冲击靶片 的流量大小与开方电路的输出电压成正比［5-6］，因此， 根据标准状态方程可将两层煤层对应的流量换算为 标准大气压下的电压比值，而又由地表总流量计知道 总的产气量，进而可以得到两层煤层各自的产气量。 2.2 井中流体振动测量 加速度传感器主要用来反映井中流体的振动情 况［7］。通过加速度传感器对井中流体的瞬时加速度值 进行检测，计算各段检测值的方差来评判其振动强烈 程度。方差较小说明该段检测值时井下的流体振动较 弱，而方差较大说明该段检测值时井下的流体振动强 烈（图4）。同时通过加速度传感器对流体瞬时加速度 的测量在一定程度上可以辅助靶式流量计对产气量 的测定。 2.80 2.75 2 2.70 思 导2.65 主2.60 起2.55 望2.50 2.45 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 也斥信号数／个 图4气泡振动波形图 Fig.4 Wave of the bubble vibration 3 室内实时监测模拟实验 室内模拟实验是将各个传感器连接到实时数 据采集系统上，将压力、温度、流量、振动情况以 及液位高度等参数通过单片机进行采集处理后传 输到串口通信模块，通过串口转换USB模块将数 据传输到用LabVIEW编写的可视化软件形成的虚 拟仪器，再将采集到数据的波形图直接通过虚拟仪器实 时显示。实时监测系统数据采集程序框图如图5所示。 虚拟仪器可以对所采集的数据进行实时读取，其 实时数据监测波形图如图6所示。 4结语 煤层气井流体原位实时监测技术改变了已有的 煤层气探测技术现状，运用该技术可以对煤层气钻采 井中流体的详细分布、产量情况和损失情况有一个全 面的了解。该技术可检测出煤层气井中任意煤层所释 放出的流体压力、温度、流量、振动情况和液 图5实时监测系统数据采集程序框图 Fig.5 Data acquisition progr础ηofthe real-time monitoring system 图6实时数据监测波形图 Fig.6 Wave of the real-time monitoring data 位高度等，为探寻煤层气钻采井内的情况和煤层气的 安全开采提供了可靠的原始数据。同时，流体参数控 制系统通对检测数据的分析和判断，控制抽油机自动 工作，实现对动液面的自动调控，将动态液面控制在 安全液面以下，以便各个传感器的检测值处在安全范 围之内，从而对参数进行控制。 参考文献 川胡居宝，汤道路．我国煤层气开发利用效益分析及发展建 议［巧．科技咨询导报，2007871-73. 2］回华，郭建业．我国煤层气产业发展的现状及建议［J］.煤化工， 2007 4 5-7. [3］路桂英，乌效鸣，王院生，等.USB存储式煤层气原位探测 仪［几煤田地质与勘探，2011,391 61-63. [4］程远平，付建华．中国煤矿瓦斯抽采技术的发展问采矿与安 全工程学报，2009,262 127-139. [5］程毅，吴友谦，王义华．应变靶式流量计的原理及设计［月，中 国科技财富，2009888 6］苏彦勋，梁国伟，盛健．流量计量与测试［M］.北京中国计量 出版社，2007200-204. [7］汉森C日，斯奈德SD噪声和振动的主动控制［MJ.北京科 学出版社，2002866-871. （责任编辑宋震炎） ChaoXing