注水井生產(chǎn)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制

中國(guó)石油華北油田分公司采油工藝研究院 自動(dòng)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(shù)字化油田，實(shí)現(xiàn)油、水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集智能化、科學(xué)化管理。

2.2 目前現(xiàn)狀

“十一五”期間，油田公司投入了大量資金用于油田數(shù)字化建設(shè)，目前華北油田7個(gè)油氣生產(chǎn)單位部分油井的生產(chǎn)參數(shù)已實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)。然而注水井因沒有動(dòng)力電源，一直成為油田數(shù)字化建設(shè)的“瓶頸”，注水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集仍靠人工巡井獲取，單井平均耗時(shí)30min以上，井上一旦出現(xiàn)問題，不能及時(shí)做出反應(yīng)。

2.3 選擇課題

QC小組把 “注水井生產(chǎn)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制”作為本次小組活動(dòng)課題。

3 設(shè)定目標(biāo)

3.1 設(shè)定目標(biāo)值

（1）定性目標(biāo)：在線監(jiān)測(cè)注水井生產(chǎn)參數(shù)。

（2）定量目標(biāo)：采集的注水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)每10min自動(dòng)更新一次。

3.2 目標(biāo)值可行性分析

表1 小組概況和小組成員情況

油井上生產(chǎn)數(shù)據(jù)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在線監(jiān)測(cè)載荷、位移、溫度、壓力、電參量等參數(shù)，每10～30min數(shù)據(jù)自動(dòng)更新一次。注水井生產(chǎn)參數(shù)主要是注水壓力、流量，監(jiān)測(cè)的參數(shù)少于油井，因此設(shè)定數(shù)據(jù)每10min自動(dòng)更新一次是可以實(shí)現(xiàn)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(fēng)暴法”，進(jìn)行創(chuàng)新思維，大家互相啟發(fā)、深入思考，提出了可能達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的各種途徑，然后運(yùn)用親和圖進(jìn)行整理(圖1)，形成了4個(gè)備選方案，經(jīng)過評(píng)價(jià)，確定出總體方案（表2）。

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，選定“無線自動(dòng)收發(fā)，太陽能供電”作為總體方案，并畫出了無線自動(dòng)收發(fā)系統(tǒng)的工作原理框圖，如圖2所示。

4.2 細(xì)化方案

4.2.1 供電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（1）指標(biāo)要求

①晴天，蓄電池日儲(chǔ)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(huán)境溫度條件-40～+50℃。

（2）參數(shù)設(shè)計(jì)

①電池容量的設(shè)計(jì)。采用逆向思維方式，信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)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(xù)工作5d,則消耗6A·h的電容量，即連續(xù)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(shè)計(jì)。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(shí)充電電流需達(dá)到0.5A。太陽能板不同功率選取，試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)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(jù)電路圖進(jìn)行組裝，如圖3所示。

采用直流可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表4。

LM2576芯片控制端電壓隨電池電壓波動(dòng)而波動(dòng)，當(dāng)該電壓在控制端閾值附近波動(dòng)時(shí)將引起LM2576芯片輸出時(shí)開時(shí)關(guān)，形成振蕩。

在穩(wěn)壓二極管與芯片控制端之間增加了1個(gè)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(tài)。改進(jìn)后的電路如圖4所示。

表2 方案評(píng)價(jià)

表3 光照太陽能板試驗(yàn)結(jié)果

重新組裝、測(cè)試，結(jié)果見表5。

4.2.2 信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（1）指標(biāo)要求

①無線數(shù)傳模塊低功耗。

②通訊成功率≥90%。

（2）參數(shù)優(yōu)選

①芯片的選取。芯片發(fā)送相同的信號(hào)，發(fā)射電流越大，耗電量越高。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

②正交試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)選。試驗(yàn)?zāi)康氖莾?yōu)選最佳參數(shù)組合；試驗(yàn)考核指標(biāo)是通訊成功率≥90%，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果見表7，表8。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 改進(jìn)后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 各種芯片對(duì)比

表7 因素位級(jí)表

直接看：第4號(hào)試驗(yàn)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(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間為2ms。

算一算：從極差R數(shù)值可以看出各因素對(duì)通訊成功率的影響從強(qiáng)到弱順序。

天線類型＞通訊距離＞信號(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間。信號(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間是次要因素，因此選穩(wěn)定時(shí)間為10ms。從通訊距離3個(gè)水平的均值的和看出，通訊距離越小，通訊成功率越高，需進(jìn)一步考察。同時(shí)猜測(cè)天線高度對(duì)通訊成功率有重要影響，需進(jìn)一步重點(diǎn)考察（表9、表10）。

表8 正交試驗(yàn)表

表9 重點(diǎn)考察的因素位級(jí)表

直接看：第5號(hào)試驗(yàn)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(qiáng)到弱順序：天線類型＞天線高度＞通訊距離。

各因素水平對(duì)通訊成功率影響趨勢(shì),如圖5所示。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，得出最佳參數(shù)組合：天線類型3DB、通訊距離30m、天線高度1.5m、轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間10ms、NRF905芯片。

4.3 確定最佳實(shí)施方案

圖6為確定的最佳實(shí)施方案。

5 制定對(duì)策

5.1 繪制流程圖

根據(jù)方案實(shí)施順序，繪制流程圖，見圖7。

表10 重點(diǎn)考察的因素正交試驗(yàn)表

5.2 制定對(duì)策表

表11為制定的對(duì)策表。

6 實(shí)施對(duì)策

6.1 檢驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)安裝系統(tǒng)

2010年6月9日，在蘇73-15井實(shí)施安裝。如

（3）措施3：測(cè)試、分析、改進(jìn)

2010年6月10日進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。分別測(cè)供電系統(tǒng)日供電電量、收發(fā)系統(tǒng)日消耗電量、充電控制器降壓效果,結(jié)果見表13、表14、表15。

6.2 跟蹤正交試驗(yàn)結(jié)果

表11 對(duì)策表

（1）措施1：測(cè)試、分析、改進(jìn)

2010年6月14日，對(duì)蘇73-15井進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。

從圖9看出：當(dāng)日通訊成功率為85.5%，沒達(dá)到目標(biāo)要求。

表12 采購清單

表13 供電系統(tǒng)日供電量測(cè)試結(jié)果

經(jīng)分析認(rèn)為：RTU吸盤天線與固定角鐵安裝位置不當(dāng)，影響了天線的靈敏度。因此制定了補(bǔ)充措施，見表16。

表14 收發(fā)系統(tǒng)日耗電量測(cè)試結(jié)果

表15 充電控制器降壓測(cè)試結(jié)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(jìn)后下午17:20測(cè)得通訊成功率為95.5%，達(dá)到了目標(biāo)值，8min后，頁面自動(dòng)更新。

7 效果確認(rèn)

7.1 質(zhì)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(shí)施安裝，最長(zhǎng)陰天時(shí)間6d，系統(tǒng)運(yùn)行正常。2010年11月19日，時(shí)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(jìn)行安裝，充電控制器經(jīng)受住了嚴(yán)冬的考驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表17、表18。

表16 對(duì)策表

表17 信號(hào)收發(fā)系統(tǒng)陰天耗電情況

表18 太陽能電池板日供電情況

（2）課題目標(biāo)是10min自動(dòng)更新一次,實(shí)際8min自動(dòng)更新一次，完成課題目標(biāo)。

（3）在試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，2010年11月15日～12月14日對(duì)蘇73-15井選取了30組數(shù)據(jù)觀察，繪制p分析控制圖，通訊成功率均在90%以上，效果穩(wěn)定,如圖10所示。

7.2 專家確認(rèn)

（1）利用太陽能供電，解決了注水井生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)采集電源問題，節(jié)能又環(huán)保，應(yīng)用前景廣闊，具有很好的推廣價(jià)值。

（2）研制的充電控制器，適用溫度范圍廣，具有創(chuàng)新性。

7.3 社會(huì)效益

（1）突破了數(shù)字化油田“瓶頸”問題，加快了油田智數(shù)字化建設(shè)步伐。

（2）在注水井上實(shí)現(xiàn)智能化管理，降低了員工工作強(qiáng)度。

（3）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為提高系統(tǒng)效率分析、制定調(diào)整措施奠定了基礎(chǔ)。

（4）“油田注水井用太陽能充電控制器”已申報(bào)國(guó)家實(shí)用新型專利。

8 標(biāo)準(zhǔn)化

（1）編寫了《注水井無線監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝操作規(guī)程》。

（2）將設(shè)計(jì)圖紙、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了技術(shù)歸檔，檔案號(hào)為：kJ-01-04。

9 總結(jié)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電問題，完成了課題目標(biāo)。

（2）小組成員在統(tǒng)計(jì)技術(shù)運(yùn)用、自我突破、團(tuán)隊(duì)合作等方面均有不同程度的提高，增強(qiáng)了小組活動(dòng)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(shù)據(jù)的自動(dòng)采集上，而未能對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步分析，來更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，因此，QC小組將下一次活動(dòng)課題確定為：研制無線監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警裝置。