運用6σ方法開展大壓差井分注管柱延壽研究

張衛衛，樊祥健，劉自山，劉晉偉，李永康，張凱

1.中國石化勝利油田分公司 石油工程技術研究院（山東 東營 257000）

2.中國石化勝利油田分公司 安全環保質量管理部（山東 東營 257000）

中國石化勝利油田東部油區目前仍以水驅開發為主。其中，斷塊油藏受縱向多期河流相沉積影響，儲層物性差異大，注水層間壓差大，易形成大壓差分注井。目前，普遍以層間注水壓差≥5 MPa的分注井為大壓差井。分層密封壓差大、分層節流壓差大造成注水管柱壽命短，超過80%管柱的壽命小于36 個月，無法達到油田提出的長壽命注水要求，因此有必要開展相關延壽研究。

1 管柱壽命影響因素分析

大壓差井常用分注管柱結構主要由封隔器、配水器、洗井閥構成，如圖1所示。

圖1 標準分注管柱結構示意圖

1.1 關鍵因子定性分析

利用六西格瑪理論中的魚骨圖分析法[1]，從“人、機、料、法、環、測”6 個方面分析找到能影響管柱壽命的因素，如圖2所示。經過專業化培訓，油田人員知識儲備及專業素養均有所提高，具備工藝設計、技術服務及現場處理問題的能力。經過規范化管理及質量提升管理，在“機、法、測”方面均形成標準規范文件，能夠滿足現場的需求。對于“環”，受地層本身物性的影響，人為干預的可能性很小。而“料”方面，隨著新材質的研發及技術進步，存在很大的改進空間，因此得出影響管柱可靠性的因素主要集中在材料。

圖2 管柱壽命影響因素魚骨圖

1.2 關鍵因子定量分析

利用六西格瑪理論［2］中的質量屋分析方法，結合油藏開發現狀，從“料”中細分提煉出關鍵因子7項，分別是：①封隔器膠筒結構；②配水器結構；③洗井閥結構；④管柱結構；⑤井下工具機械加工精度；⑥井下工具材質；⑦井下工具表面防腐處理達標情況。結合顧客需求：耐層間壓差性能好、在井工作壽命長、管柱分層可靠、管柱密封可靠、配注準確，通過研究各因子對輸出變量的影響程度，繪制出因果矩陣［2］，并對各影響因子進行評分，見表1。通過因果矩陣可以看出，封隔器膠筒結構對輸出變量的影響最大，因此可以得出影響管柱可靠性的主要因素為封隔器膠筒結構。

表1 不同因子對輸出變量影響的矩陣表 /分

表1中輸入變量X各個單項的評分標準：0表示與過程結果無關；1 表示與過程結果有輕微影響；3表示與過程結果有中度影響；9 表示與過程結果有直接或重大影響。如：輸入變量X中的“封隔器膠筒結構”對輸出變量Y中的工作壽命有重大影響，因此評分為9；對輸出變量Y中的耐壓差有直接影響，因此評分為9；對輸出變量Y中的分層可靠有直接影響，因此評分為9；對輸出變量Y中的密封可靠有直接影響，因此評分為9；對輸出變量Y中的配注準確無影響，因此評分為0。輸入變量中的其他各項依照此思路進行評分。

輸出變量Y權重中5，6，7，8，9表示各個單項對總結果的影響程度大小。“工作壽命”這一單項對總結果（即延長管柱壽命）的影響程度最大，因此該項的權重定為9；“耐壓差”這一項對總結果影響程度次之，因此該項的權重定為8；“分層可靠”這一項對總結果影響程度再次之，因此該單項的權重定為7；“密封可靠”這一項對總結果影響程度再次之，因此該項的權重定為6；“配注準確”這一項對總結果影響程度更次之，因此該項的權重定為5。

1.3 關鍵因子定量確認

利用數據分析軟件，采用雙樣本T 分析方法進行定量分析，封隔器膠筒結構類型分為K 型（擴張式）、Y型（壓縮式），分析結果見表2。

表2 封隔器類型對管柱壽命影響分析數據表

P值就是當原假設成立時[1]，出現目前狀況的概率（嚴格說當原假設成立時，出現目前狀況或者對原假設更不利的狀況，即對備擇假設更有利狀況的概率。原假設為封隔器膠筒結構對管柱壽命沒有顯著影響，備擇假設為封隔器膠筒結構對管柱壽命有顯著影響）。當這個概率很小時（一般小于0.05），這個結果在原假設成立的條件下不該出現，但現在確實出現了，因此有理由認為原假設這個前提是錯誤的，因而應該拒絕原假設，接收備擇假設。從表2分析結果可以看出，封隔器膠筒結構與管柱壽命的P值為0.014值（小于0.05），說明封隔器膠筒結構對管柱壽命有顯著影響。這也說明封隔器膠筒結構是影響管柱壽命的關鍵因子。

據調研，當井深不大于2 000 m ，甚至不大于2 500 m 時，考慮管柱后期檢換的便利性，一般不會使用Y型封隔器，通常會使用K型封隔器，其關鍵部件是膠筒。目前勝利油田大部分所用K型封隔器的結構如圖3 所示，膠筒主要由橡膠和5 層簾布組合,膠筒肩部結構示意如圖4所示。

圖3 擴張式封隔器結構示意圖

圖4 膠筒肩部放大示意圖

封隔器在座封和工作過程中，膠筒兩端存在接觸應力峰值[3]，其值明顯大于膠筒中部，致使膠筒肩部出現應力集中現象。當該應力大于膠筒本身的抗剪切力時，膠筒會出現裂縫，裂縫在外壓力作用下繼續擴展，最終使肩部膠筒撕裂。在大壓差注水條件下，受應力集中影響，膠筒肩部更易發生局部蠕變、膨大、撕裂。

2 封隔器膠筒結構方案設計與優化

如何改善封隔器及膠筒的性能，不同學者做了不同的研究。范青等[3]利用有限元分析軟件，驗證了“肩突”現象，并提出了在膠筒兩端增加“防肩突”裝置，以提高封隔器的使用壽命。徐小晨等[4]建議在膠筒不同的部分使用強度不同的材料來適應這種受力不均勻。程心平[5]利用有限元分析技術分析了膠筒長度、厚度、肩部形狀等對膠筒受力和變形規律的影響，對擴張式封隔器結構參數進行了優選。程心平[6]利用有限元分析技術進行了膠筒力學性能分析，為封隔器的結構設計提供理論依據。但是對于如何減緩膠筒肩部應力集中的膠筒結構設計，仍未見相關報道。

圍繞降低膠筒肩部應力集中，主要從以下幾方面進行了研究[7-11]：①增加簾布長度；②改變簾布纖維直徑；③改變膠筒肩部橡膠硬度；④改變簾布纖維角度。具體實施方案見表3。

3 效果驗證

3.1 肩部應力集中緩解性能驗證

以勝利油田常用的K344-112 型擴張式封隔器為例，建立三維模型，利用計算機模擬軟件，對上述方案按照不同座封壓力下的肩部橡膠應力進行模擬。其肩部橡膠應力隨壓力變化數據見表4。

從表4分析結果可以看出，與未改進前相比，方案9、方案10 對應的肩部橡膠應力在0.8、2、5、10、15、20 MPa 壓力狀態下均比較低，能夠有效降低橡膠材料的應力集中現象，而方案10的肩部橡膠應力相對更低一些。因此，綜合考慮各種因素，建議采用方案10作為最終方案，改變后與結構未改變之前的肩部橡膠應力相比，最大降低了54.4%，有效減緩了膠筒肩部應力集中現象。方案10 的具體內容見表3。

表3 膠筒結構方案設計與優化

表4 不同內壓下的膠筒肩部應力變化數據 /MPa

3.2 管柱壽命性能驗證

在驗證完膠筒的肩部橡膠應力緩解性能后，進一步開展管柱壽命性能的驗證。由于在管柱中較易失效、最脆弱的是封隔器，封隔器膠筒在高溫工作下易老化失效，所以對于管柱壽命的驗證主要通過驗證封隔器膠筒在高溫下的壽命性能來預測其常溫工作下的壽命，故驗證采用高溫加速試驗。按照橡膠老化原理，橡膠失效時間與加速變量絕對溫度成反比，因此采用常規加速模型。

擴張式封隔器普遍應用在井深不大于2 000 m、地層溫度80 ℃的工況下，為完成高溫加速試驗，將試驗模擬井溫度設定為120 ℃與130 ℃，注水層間壓差設定為10 MPa。利用模擬井上的閥門2、閥門3分別模擬不同地層，通過在閥門2、閥門3 分別施加不同液壓，模擬地層壓差。試驗示意圖如圖5所示，管柱試驗壽命數據見表5。

表5 溫度與管柱壽命試驗數據

圖5 試驗示意圖

根據上述試驗數據，利用計算機軟件模擬出管柱生存概率。模擬過程如下：按照橡膠老化原理，橡膠失效時間與加速變量絕對溫度成反比，利用加速方程，即阿倫尼斯（Arrhenius）方程，再利用橡膠在超過正常溫度下的生存壽命，然后反推預測正常工作溫度下的生存壽命。利用minitab 軟件中的壽命預測模塊，輸入相關實驗數據值即可得出某一壽命下的生存概率，也即達到這一壽命的可靠性，若生存概率小于95%，則認為是小概率事件，該事件可靠性差；若生存概率大于95%，則認為是大概率事件，該事件可靠性好，結果見表6。

表6 新型管柱生存概率

從表6 可看出，工況80 ℃、10 MPa 下36 個月的生存概率達到95.75%，即管柱36 個月的可靠性為95.75%，與原管柱相比，達到了延壽的目的。

4 結論

1）利用6σ質量管理方法，能夠準確快速地找到影響產品性能的關鍵因子，為產品結構改進提供了方向，對于提升產品質量性能與改進研發具有重要意義。

2）通過改善擴張式封隔器膠筒結構，使肩部橡膠應力降低了54.4%，有效緩解了應力集中現象，延長了膠筒使用壽命。

3）利用改進后的擴張式封隔器組配分注管柱，通過高溫加速試驗模型預測管柱在井壽命結果表明：管柱壽命達36 個月的可靠性為95.75%，即該新型管柱在井壽命有95.75%的可能性能夠達到36 個月，與目前常用K型封隔器管柱23.5個月壽命相比，有效延長了管柱壽命。