注水井生產參數在線監測系統的研制

中國石油華北油田分公司采油工藝研究院 自動化QC小組

（河北 任丘 062552）

1 小組概況

表1為小組概況和成員情況。

2 選題理由

2.1 公司提出的要求

“十二五”期間，要把華北油田打造成為數字化油田，實現油、水井生產數據采集智能化、科學化管理。

2.2 目前現狀

“十一五”期間，油田公司投入了大量資金用于油田數字化建設，目前華北油田7個油氣生產單位部分油井的生產參數已實現了在線監測。然而注水井因沒有動力電源，一直成為油田數字化建設的“瓶頸”，注水井生產數據采集仍靠人工巡井獲取，單井平均耗時30min以上，井上一旦出現問題，不能及時做出反應。

2.3 選擇課題

QC小組把 “注水井生產參數在線監測系統的研制”作為本次小組活動課題。

3 設定目標

3.1 設定目標值

（1）定性目標：在線監測注水井生產參數。

（2）定量目標：采集的注水井生產數據每10min自動更新一次。

3.2 目標值可行性分析

表1 小組概況和小組成員情況

油井上生產數據有線監測系統可以在線監測載荷、位移、溫度、壓力、電參量等參數，每10～30min數據自動更新一次。注水井生產參數主要是注水壓力、流量，監測的參數少于油井，因此設定數據每10min自動更新一次是可以實現的。

4 提出方案并確定最佳方案

4.1 提出方案

小組全體成員借助“頭腦風暴法”，進行創新思維，大家互相啟發、深入思考，提出了可能達到預定目標的各種途徑，然后運用親和圖進行整理(圖1)，形成了4個備選方案，經過評價，確定出總體方案（表2）。

根據評價結果，選定“無線自動收發，太陽能供電”作為總體方案，并畫出了無線自動收發系統的工作原理框圖，如圖2所示。

4.2 細化方案

4.2.1 供電控制系統設計方案

（1）指標要求

①晴天，蓄電池日儲存的電量不低于2A·h；

②蓄電池避免過放電或過充電，適用環境溫度條件-40～+50℃。

（2）參數設計

①電池容量的設計。采用逆向思維方式，信號收發系統RTU+GPRS平均工作電流為0.05A，每天消耗1.2A·h的電容量。若要連續工作5d,則消耗6A·h的電容量，即連續5d陰天需要供給蓄電池6A·h電容量。為避免蓄電池過放電或過充電，最終確定電池電容量為10A·h。

②太陽能板功率的設計。太陽能板每日需供給蓄電池充電2A·h電容量，日光直射太陽能板時充電電流需達到0.5A。太陽能板不同功率選取，試驗結果見表3。

從表3可以看出：選用12W太陽能板，基本能夠滿足使用需求，但因一年四季光照強度不同，需要有一定得冗余度，因此選擇15W的太陽能板。

（3）充電控制器的研制

根據電路圖進行組裝，如圖3所示。

采用直流可調節穩壓電源，對控制器進行測試，結果見表4。

LM2576芯片控制端電壓隨電池電壓波動而波動，當該電壓在控制端閾值附近波動時將引起LM2576芯片輸出時開時關，形成振蕩。

在穩壓二極管與芯片控制端之間增加了1個三極管，可以將上述的臨界差值放大，有效地避開了臨界狀態。改進后的電路如圖4所示。

表2 方案評價

表3 光照太陽能板試驗結果

重新組裝、測試，結果見表5。

4.2.2 信號收發系統設計方案

（1）指標要求

①無線數傳模塊低功耗。

②通訊成功率≥90%。

（2）參數優選

①芯片的選取。芯片發送相同的信號，發射電流越大，耗電量越高。試驗結果見表6。

②正交試驗參數優選。試驗目的是優選最佳參數組合；試驗考核指標是通訊成功率≥90%，正交試驗設計與結果見表7，表8。

表4 試驗數據

表5 改進后試驗數據

表6 各種芯片對比

表7 因素位級表

直接看：第4號試驗的通訊成功率最高，最佳組合A1B2C1。

即：天線類型為3D、通訊距離為70m、信號轉換穩定時間為2ms。

算一算：從極差R數值可以看出各因素對通訊成功率的影響從強到弱順序。

天線類型＞通訊距離＞信號轉換穩定時間。信號轉換穩定時間是次要因素，因此選穩定時間為10ms。從通訊距離3個水平的均值的和看出，通訊距離越小，通訊成功率越高，需進一步考察。同時猜測天線高度對通訊成功率有重要影響，需進一步重點考察（表9、表10）。

表8 正交試驗表

表9 重點考察的因素位級表

直接看：第5號試驗的通訊成功率為98%,最佳組合A2B2D3。

即：天線類型為3D、通訊距離為30m、天線高度1.5m。

算一算：影響從強到弱順序：天線類型＞天線高度＞通訊距離。

各因素水平對通訊成功率影響趨勢,如圖5所示。

綜合以上試驗結果，得出最佳參數組合：天線類型3DB、通訊距離30m、天線高度1.5m、轉換穩定時間10ms、NRF905芯片。

4.3 確定最佳實施方案

圖6為確定的最佳實施方案。

5 制定對策

5.1 繪制流程圖

根據方案實施順序，繪制流程圖，見圖7。

表10 重點考察的因素正交試驗表

5.2 制定對策表

表11為制定的對策表。

6 實施對策

6.1 檢驗方案設計符合性

（1）措施1：采購太陽能板、蓄電池、芯片、配件及組件（表12）。

（2）措施2：現場安裝系統

2010年6月9日，在蘇73-15井實施安裝。如

（3）措施3：測試、分析、改進

2010年6月10日進行了現場測試。分別測供電系統日供電電量、收發系統日消耗電量、充電控制器降壓效果,結果見表13、表14、表15。

6.2 跟蹤正交試驗結果

表11 對策表

（1）措施1：測試、分析、改進

2010年6月14日，對蘇73-15井進行測試，結果如圖9所示。

從圖9看出：當日通訊成功率為85.5%，沒達到目標要求。

表12 采購清單

表13 供電系統日供電量測試結果

經分析認為：RTU吸盤天線與固定角鐵安裝位置不當，影響了天線的靈敏度。因此制定了補充措施，見表16。

表14 收發系統日耗電量測試結果

表15 充電控制器降壓測試結果

2010年6月15日上午9:00，在蘇73-15井將天線與角鐵由平行改為垂直，距離由原來的5cm，拉開至20cm安裝。改進后下午17:20測得通訊成功率為95.5%，達到了目標值，8min后，頁面自動更新。

7 效果確認

7.1 質量效益

（1）2010年7月2日、7月6日又分別在蘇73-14井、蘇55-12井實施安裝，最長陰天時間6d，系統運行正常。2010年11月19日，時值-36℃，分別在二連分公司阿爾油田的阿3-12井、阿3-17井上進行安裝，充電控制器經受住了嚴冬的考驗。試驗數據見表17、表18。

表16 對策表

表17 信號收發系統陰天耗電情況

表18 太陽能電池板日供電情況

（2）課題目標是10min自動更新一次,實際8min自動更新一次，完成課題目標。

（3）在試驗成功的基礎上，2010年11月15日～12月14日對蘇73-15井選取了30組數據觀察，繪制p分析控制圖，通訊成功率均在90%以上，效果穩定,如圖10所示。

7.2 專家確認

（1）利用太陽能供電，解決了注水井生產參數自動采集電源問題，節能又環保，應用前景廣闊，具有很好的推廣價值。

（2）研制的充電控制器，適用溫度范圍廣，具有創新性。

7.3 社會效益

（1）突破了數字化油田“瓶頸”問題，加快了油田智數字化建設步伐。

（2）在注水井上實現智能化管理，降低了員工工作強度。

（3）實時在線監測的生產數據，為提高系統效率分析、制定調整措施奠定了基礎。

（4）“油田注水井用太陽能充電控制器”已申報國家實用新型專利。

8 標準化

（1）編寫了《注水井無線監控系統現場安裝操作規程》。

（2）將設計圖紙、試驗數據進行了技術歸檔，檔案號為：kJ-01-04。

9 總結與今后打算

（1）通過QC小組全體成員的共同努力，利用太陽能解決了無線在線監測系統的供電問題，完成了課題目標。

（2）小組成員在統計技術運用、自我突破、團隊合作等方面均有不同程度的提高，增強了小組活動的信心，如圖11所示。

（3）這次雖然較好地完成了該課題，但僅停留在數據的自動采集上，而未能對數據做進一步分析，來更好地指導生產，因此，QC小組將下一次活動課題確定為：研制無線監控系統報警裝置。