注水井生产参数在线监测系统的研制

中国石油华北油田分公司采油工艺研究院 自动化QC小组

（河北 任丘 062552）

1 小组概况

表1为小组概况和成员情况。

2 选题理由

2.1 公司提出的要求

“十二五”期间，要把华北油田打造成为数字化油田，实现油、水井生产数据采集智能化、科学化管理。

2.2 目前现状

“十一五”期间，油田公司投入了大量资金用于油田数字化建设，目前华北油田7个油气生产单位部分油井的生产参数已实现了在线监测。然而注水井因没有动力电源，一直成为油田数字化建设的“瓶颈”，注水井生产数据采集仍靠人工巡井获取，单井平均耗时30min以上，井上一旦出现问题，不能及时做出反应。

2.3 选择课题

QC小组把 “注水井生产参数在线监测系统的研制”作为本次小组活动课题。

3 设定目标

3.1 设定目标值

（1）定性目标：在线监测注水井生产参数。

（2）定量目标：采集的注水井生产数据每10min自动更新一次。

3.2 目标值可行性分析

表1 小组概况和小组成员情况

油井上生产数据有线监测系统可以在线监测载荷、位移、温度、压力、电参量等参数，每10～30min数据自动更新一次。注水井生产参数主要是注水压力、流量，监测的参数少于油井，因此设定数据每10min自动更新一次是可以实现的。

4 提出方案并确定最佳方案

4.1 提出方案

小组全体成员借助“头脑风暴法”，进行创新思维，大家互相启发、深入思考，提出了可能达到预定目标的各种途径，然后运用亲和图进行整理(图1)，形成了4个备选方案，经过评价，确定出总体方案（表2）。

根据评价结果，选定“无线自动收发，太阳能供电”作为总体方案，并画出了无线自动收发系统的工作原理框图，如图2所示。

4.2 细化方案

4.2.1 供电控制系统设计方案

（1）指标要求

①晴天，蓄电池日储存的电量不低于2A·h；

②蓄电池避免过放电或过充电，适用环境温度条件-40～+50℃。

（2）参数设计

①电池容量的设计。采用逆向思维方式，信号收发系统RTU+GPRS平均工作电流为0.05A，每天消耗1.2A·h的电容量。若要连续工作5d,则消耗6A·h的电容量，即连续5d阴天需要供给蓄电池6A·h电容量。为避免蓄电池过放电或过充电，最终确定电池电容量为10A·h。

②太阳能板功率的设计。太阳能板每日需供给蓄电池充电2A·h电容量，日光直射太阳能板时充电电流需达到0.5A。太阳能板不同功率选取，试验结果见表3。

从表3可以看出：选用12W太阳能板，基本能够满足使用需求，但因一年四季光照强度不同，需要有一定得冗余度，因此选择15W的太阳能板。

（3）充电控制器的研制

根据电路图进行组装，如图3所示。

采用直流可调节稳压电源，对控制器进行测试，结果见表4。

LM2576芯片控制端电压随电池电压波动而波动，当该电压在控制端阈值附近波动时将引起LM2576芯片输出时开时关，形成振荡。

在稳压二极管与芯片控制端之间增加了1个三极管，可以将上述的临界差值放大，有效地避开了临界状态。改进后的电路如图4所示。

表2 方案评价

表3 光照太阳能板试验结果

重新组装、测试，结果见表5。

4.2.2 信号收发系统设计方案

（1）指标要求

①无线数传模块低功耗。

②通讯成功率≥90%。

（2）参数优选

①芯片的选取。芯片发送相同的信号，发射电流越大，耗电量越高。试验结果见表6。

②正交试验参数优选。试验目的是优选最佳参数组合；试验考核指标是通讯成功率≥90%，正交试验设计与结果见表7，表8。

表4 试验数据

表5 改进后试验数据

表6 各种芯片对比

表7 因素位级表

直接看：第4号试验的通讯成功率最高，最佳组合A1B2C1。

即：天线类型为3D、通讯距离为70m、信号转换稳定时间为2ms。

算一算：从极差R数值可以看出各因素对通讯成功率的影响从强到弱顺序。

天线类型＞通讯距离＞信号转换稳定时间。信号转换稳定时间是次要因素，因此选稳定时间为10ms。从通讯距离3个水平的均值的和看出，通讯距离越小，通讯成功率越高，需进一步考察。同时猜测天线高度对通讯成功率有重要影响，需进一步重点考察（表9、表10）。

表8 正交试验表

表9 重点考察的因素位级表

直接看：第5号试验的通讯成功率为98%,最佳组合A2B2D3。

即：天线类型为3D、通讯距离为30m、天线高度1.5m。

算一算：影响从强到弱顺序：天线类型＞天线高度＞通讯距离。

各因素水平对通讯成功率影响趋势,如图5所示。

综合以上试验结果，得出最佳参数组合：天线类型3DB、通讯距离30m、天线高度1.5m、转换稳定时间10ms、NRF905芯片。

4.3 确定最佳实施方案

图6为确定的最佳实施方案。

5 制定对策

5.1 绘制流程图

根据方案实施顺序，绘制流程图，见图7。

表10 重点考察的因素正交试验表

5.2 制定对策表

表11为制定的对策表。

6 实施对策

6.1 检验方案设计符合性

（1）措施1：采购太阳能板、蓄电池、芯片、配件及组件（表12）。

（2）措施2：现场安装系统

2010年6月9日，在苏73-15井实施安装。如

（3）措施3：测试、分析、改进

2010年6月10日进行了现场测试。分别测供电系统日供电电量、收发系统日消耗电量、充电控制器降压效果,结果见表13、表14、表15。

6.2 跟踪正交试验结果

表11 对策表

（1）措施1：测试、分析、改进

2010年6月14日，对苏73-15井进行测试，结果如图9所示。

从图9看出：当日通讯成功率为85.5%，没达到目标要求。

表12 采购清单

表13 供电系统日供电量测试结果

经分析认为：RTU吸盘天线与固定角铁安装位置不当，影响了天线的灵敏度。因此制定了补充措施，见表16。

表14 收发系统日耗电量测试结果

表15 充电控制器降压测试结果

2010年6月15日上午9:00，在苏73-15井将天线与角铁由平行改为垂直，距离由原来的5cm，拉开至20cm安装。改进后下午17:20测得通讯成功率为95.5%，达到了目标值，8min后，页面自动更新。

7 效果确认

7.1 质量效益

（1）2010年7月2日、7月6日又分别在苏73-14井、苏55-12井实施安装，最长阴天时间6d，系统运行正常。2010年11月19日，时值-36℃，分别在二连分公司阿尔油田的阿3-12井、阿3-17井上进行安装，充电控制器经受住了严冬的考验。试验数据见表17、表18。

表16 对策表

表17 信号收发系统阴天耗电情况

表18 太阳能电池板日供电情况

（2）课题目标是10min自动更新一次,实际8min自动更新一次，完成课题目标。

（3）在试验成功的基础上，2010年11月15日～12月14日对苏73-15井选取了30组数据观察，绘制p分析控制图，通讯成功率均在90%以上，效果稳定,如图10所示。

7.2 专家确认

（1）利用太阳能供电，解决了注水井生产参数自动采集电源问题，节能又环保，应用前景广阔，具有很好的推广价值。

（2）研制的充电控制器，适用温度范围广，具有创新性。

7.3 社会效益

（1）突破了数字化油田“瓶颈”问题，加快了油田智数字化建设步伐。

（2）在注水井上实现智能化管理，降低了员工工作强度。

（3）实时在线监测的生产数据，为提高系统效率分析、制定调整措施奠定了基础。

（4）“油田注水井用太阳能充电控制器”已申报国家实用新型专利。

8 标准化

（1）编写了《注水井无线监控系统现场安装操作规程》。

（2）将设计图纸、试验数据进行了技术归档，档案号为：kJ-01-04。

9 总结与今后打算

（1）通过QC小组全体成员的共同努力，利用太阳能解决了无线在线监测系统的供电问题，完成了课题目标。

（2）小组成员在统计技术运用、自我突破、团队合作等方面均有不同程度的提高，增强了小组活动的信心，如图11所示。

（3）这次虽然较好地完成了该课题，但仅停留在数据的自动采集上，而未能对数据做进一步分析，来更好地指导生产，因此，QC小组将下一次活动课题确定为：研制无线监控系统报警装置。