井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性研究與應(yīng)用

張鵬

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司 測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江 大慶 163513）

依據(jù)API油管、套管規(guī)格及尺寸計(jì)算，目前油田產(chǎn)出剖面抽油機(jī)井過(guò)環(huán)空測(cè)井的[1-2]油套環(huán)形空間最大值為34.6 mm，最小值為25.2 mm，普遍使用外徑28 mm，長(zhǎng)度1.5 m的集流式儀器。過(guò)環(huán)空產(chǎn)出剖面測(cè)井[3-5]的遇阻率[6]高達(dá)65%，主要原因?yàn)榄h(huán)形空間小[7]，需要儀器小型化[8]。但儀器外徑從28 mm縮小到21、22 mm，造成難度成倍的增加，再加上井斜的影響，過(guò)環(huán)空下入非常困難。軟連接具有一定的彎度，間接縮短儀器串長(zhǎng)度，降低遇阻率。目前使用橡膠軟連接強(qiáng)度低、易斷裂，因此研制具備剛性和柔性特點(diǎn)的新型柔性短接對(duì)降低過(guò)環(huán)空產(chǎn)出剖測(cè)井遇阻率具有重要的實(shí)際意義。從2014年12月起，由質(zhì)量和技術(shù)專(zhuān)家組成團(tuán)隊(duì)，采用質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)[9-10]和SolidWorks計(jì)算機(jī)軟件模擬技術(shù)，針對(duì)油氣田產(chǎn)出井測(cè)試使用的小直徑測(cè)井儀器長(zhǎng)度成倍增加導(dǎo)致的過(guò)環(huán)空測(cè)試儀器無(wú)法下井的難題，研究設(shè)計(jì)了一種新型井下儀器柔性短接，變相縮短小直徑測(cè)井儀器的長(zhǎng)度，以達(dá)到進(jìn)一步降低儀器測(cè)試遇阻率的效果。

1 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性研究

經(jīng)過(guò)專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)討論，重點(diǎn)研究解決井下儀器柔性短接（關(guān)鍵部件蛇形柔性管）質(zhì)量可靠性和安全性，達(dá)到井下儀器柔性短接理想設(shè)計(jì)指標(biāo)，井下儀器柔性短接既是剛性的也是柔性的，關(guān)鍵指標(biāo)抗拉強(qiáng)度3.2 t和彎度12°。

1.1 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性研究原理方法

原理：專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)使用全面質(zhì)量管理工具頭腦風(fēng)暴分析法，采用兩圓外切原理，將井下儀器柔性短接的關(guān)鍵部件柔性管設(shè)計(jì)成卡扣式蛇形柔性管，對(duì)柔性管的切縫（寬度）、材料、形態(tài)、厚度等4個(gè)影響因子，優(yōu)化排列組合，找到最佳實(shí)驗(yàn)組合，并加工成型。井下柔性短接以蛇形狀割縫式短接基礎(chǔ)配以密封傳導(dǎo)接頭，依據(jù)評(píng)分分配法優(yōu)化井下儀器柔性短接各設(shè)計(jì)單元可靠性合理分配值，確定質(zhì)量可靠性薄弱指標(biāo)；通過(guò)可靠性初步設(shè)計(jì)與SolidWorks三維模擬，找到影響顯著的組合因子；質(zhì)量正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)以抗拉強(qiáng)度、彎度作為井下儀器柔性短接的關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)分析水平和、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、貢獻(xiàn)率確定井下儀器柔性短接各單元最佳組合實(shí)驗(yàn)因子，并與初步設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)的組合因子相互驗(yàn)證；通過(guò)井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性的實(shí)踐結(jié)果驗(yàn)證井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性薄弱指標(biāo)是否提高，是否達(dá)到質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)要求。

準(zhǔn)則：井下儀器柔性短接安全可靠。

1.2 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)

井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性數(shù)據(jù)缺乏，聘請(qǐng)質(zhì)量和安全專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，通過(guò)評(píng)分分配法，分配可靠性指標(biāo)。采用串聯(lián)模型。井下儀器柔性短接系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF要求為600 h，系統(tǒng)可靠度要求為0.90，月工作時(shí)間為60 h，請(qǐng)10位專(zhuān)家對(duì)井下儀器柔性短接影響因素評(píng)分后，見(jiàn)表1。

表1 井下儀器柔性短接可靠性指標(biāo)分配

由表1可知，在現(xiàn)有絕緣密封技術(shù)的基礎(chǔ)上，井下儀器柔性短接厚度可靠度為0.999，復(fù)雜程度最簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟最高、重要度較高，可靠度最高，所以厚度選擇比較簡(jiǎn)單，目前井下儀器普遍使用的17-4無(wú)縫鋼管（1Cr18Ni9Ti），厚度均可以滿(mǎn)足2.0～3.0 mm的要求。由表1可知，井下儀器柔性短接切縫可靠度為0.947，復(fù)雜程度最高、技術(shù)成熟度最高、重要度最高，可靠度最低，因此井下儀器柔性短接的切縫單元是井下儀器柔性短接整體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，需要改進(jìn)。

2 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性初步設(shè)計(jì)與模擬實(shí)驗(yàn)

通過(guò)分析，由于井下儀器柔性短接蛇形柔性管厚度可以采用17-4無(wú)縫鋼管，井下儀器柔性短接各因子的水平數(shù)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)，每個(gè)因子選取3個(gè)水平數(shù)（表2），選擇L9（34）。

表2 L9（34）正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因子水平

根據(jù)表3中每一組實(shí)驗(yàn)組合，利用SolidWorks對(duì)井下儀器柔性短接進(jìn)行下井狀態(tài)模擬，如圖1所示。經(jīng)過(guò)9組實(shí)驗(yàn)后“，A2B3C1”實(shí)驗(yàn)組合因子的井下儀器柔性短接的抗拉強(qiáng)度為2.989 t，近似等于設(shè)定抗拉強(qiáng)度3.2 t，井下儀器柔性短接的彎度為11.889°，近似12°，說(shuō)明“A2B3C1”組合因子影響顯著。

圖1 SolidWorks對(duì)井下儀器柔性短接進(jìn)行下井狀態(tài)模擬試驗(yàn)效果圖

表3 井下儀器柔性短接影響因子與水平模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性詳細(xì)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

利用標(biāo)準(zhǔn)正交表進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表4，彎度見(jiàn)表5。

3.1 數(shù)據(jù)的直觀分析

表4和表5中，第1列、第2列、第3列的“1，2，3”分別表示井下儀器柔性短接蛇形管切縫（A）、材料（B）及形態(tài)（C）3個(gè)水平因子；第4列是由人員引起誤差。比較每個(gè)因子，第6行因子A取水平二號(hào)，即切縫寬度0.4 mm；因子B取水平三號(hào)，因此對(duì)硬度33～38HRC的17-4無(wú)縫鋼管進(jìn)行熱處理：①固溶處理，1 020～1 060℃快冷；②550℃時(shí)效，540～560℃空冷，提高抗拉強(qiáng)度；因子C取水平一號(hào)，即兩圓外切圓形卡扣形態(tài)（圓半徑5.5 mm），使指標(biāo)達(dá)到最佳條件“A2B3C1”，與SolidWorks對(duì)井下儀器柔性短接流體動(dòng)態(tài)模擬得出的組合因子“A2B3C1”一致，表明井下儀器柔性短接的初步模擬實(shí)驗(yàn)與正交試驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件結(jié)果比較理想。依據(jù)表4比較分析抗拉強(qiáng)度各個(gè)因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差R，可知各因子對(duì)指標(biāo)影響的程度為RA＞RB＞RC，RA值最大，即切縫寬度對(duì)井下儀器柔性短接抗拉強(qiáng)度指標(biāo)的影響較大。水平一（＜0.4 mm）最不易脫扣；水平二（=0.4 mm），水平三（＞0.4 mm），卡扣容易脫卡。故切縫寬度設(shè)計(jì)為0.4 mm。其次是材料影響柔性短接的抗拉強(qiáng)度，水平一材料是17-4無(wú)縫鋼管；水平二材料是304無(wú)縫鋼管；水平三材料是熱處理的17-4無(wú)縫鋼管。其中進(jìn)行熱處理的17-4無(wú)縫鋼管抗拉強(qiáng)度最大，故材料選取熱處理的17-4無(wú)縫鋼管。依據(jù)表5比較分析彎度各個(gè)因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差R，可知各因子對(duì)指標(biāo)影響的程度為RA＞RC＞RB，RA值最大，即切縫寬度對(duì)井下儀器柔性短接彎度指標(biāo)的影響較大，水平一（＜0.4 mm）彎度＜10°，水平二（=0.4 mm）彎度接近12°，水平三（＞0.4 mm）彎度＞12°，故切縫寬度選擇水平二。其次是形態(tài)，水平一形態(tài)是圓形卡扣；水平二形態(tài)是正方形卡扣；水平三形態(tài)是正三角形。其中圓形卡扣彎度大，故形態(tài)選擇水平一。

表4 井下儀器柔性短接影響因子與水平實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（抗拉強(qiáng)度）分析

表5 井下儀器柔性短接影響因子與水平實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（彎度）分析

3.2 因子的貢獻(xiàn)率分析

通過(guò)比較各因子的“貢獻(xiàn)率”，抗拉強(qiáng)度因子的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表6，彎度因子貢獻(xiàn)率見(jiàn)表7。由表6中可知，因子A引起的抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)波動(dòng)在總平方和中占了90.11%，其次是因子B，影響最小的是因子C，引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)極小，說(shuō)明井下儀器柔性短接的切縫，即因子A對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率最大，對(duì)整個(gè)井下儀器柔性短接的抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響比較明顯。由表7中可知，因子A引起的彎度數(shù)據(jù)波動(dòng)在總平方和中占了89.30%，其次是因子C，影響最小的是因子B。說(shuō)明井下儀器柔性短接的切縫對(duì)整個(gè)井下儀器柔性短接的彎度實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著。通過(guò)對(duì)井下儀器柔性短接正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，井下儀器柔性短接按最佳實(shí)驗(yàn)組合因子“A2B3C1”進(jìn)行生產(chǎn)加工制作。

表6 井下儀器柔性短接抗拉強(qiáng)度影響因子的貢獻(xiàn)率對(duì)比

表7 井下儀器柔性短接彎度影響因子的貢獻(xiàn)率對(duì)比

4 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性的實(shí)踐效果

4.1 井下儀器柔性短接下井實(shí)踐效果

選取10支的產(chǎn)出剖面測(cè)井儀器進(jìn)行下井試驗(yàn)，產(chǎn)出剖面測(cè)井儀器進(jìn)行起下井速度上限設(shè)定為2 000 m/h，儀絞車(chē)最大提升力3 t。2014年未使用柔性短接施工90井次，遇阻59井次，成功錄取資料15井次。2015年以來(lái)，在大港油田采油三廠和大慶油田采油五廠累計(jì)應(yīng)用90井次，遇阻27井次，成功錄取資料60井次。在遇卡的6井次中，成功解卡儀器起出地面后，觀察柔性短接完好無(wú)損，相比于橡膠軟連（圖2），抗拉強(qiáng)度達(dá)到3.2 t。儀器遇阻率由65%降低到30%，測(cè)井成功率提高了50%，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益285萬(wàn)元。應(yīng)用表明，新型柔性短接解決了由于井斜和環(huán)形空間小、儀器串過(guò)長(zhǎng)下入比較困難的問(wèn)題，但井下儀器柔性短接不能解決結(jié)蠟、死油導(dǎo)致的儀器遇阻。

圖2 橡膠軟連接與剛性軟連接對(duì)比

4.2 井下儀器柔性短接可靠性實(shí)踐效果

2022年7 月，請(qǐng)10位質(zhì)量和安全專(zhuān)家對(duì)井下儀器柔性短接可靠性效果進(jìn)行再評(píng)價(jià)。由表1可知，設(shè)定井下儀器柔性短接系統(tǒng)可靠性指標(biāo)MTBF達(dá)到1 000 h，系統(tǒng)可靠度為0.90，月工作時(shí)間應(yīng)維持在70 h，重新計(jì)算可靠性（表8）。

表8 井下儀器柔性短接應(yīng)用可靠性指標(biāo)分配對(duì)比

從表8看出，柔性短接切縫的可靠度為0.975，較設(shè)計(jì)可靠度0.947（表1）提高了0.028；井下儀器柔性短接材料的應(yīng)用可靠度0.986，較設(shè)計(jì)可靠度0.966（表1）提高了0.020；柔性短接形態(tài)的可靠度為0.981，較設(shè)計(jì)可靠度0.970（表1）提高了0.011。說(shuō)明影響柔性短接抗拉強(qiáng)度的兩個(gè)最重要影響因子是切縫和材料，影響柔性短接彎度的兩個(gè)最重要影響因子是切縫和形態(tài)，因此井下儀器柔性短接應(yīng)用可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)可靠性要求。

5 結(jié)論

1）可靠性評(píng)分分配法暴露出井下儀器柔性短接的薄弱環(huán)節(jié)首先是切縫寬度，其次是材料，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

2）SolidWorks模擬和正交試驗(yàn)提高了井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性水平。

3）井下儀器柔性短接可靠性實(shí)踐表明，柔性短重要指標(biāo)—抗拉強(qiáng)度和彎度的重要影響因子的應(yīng)用可靠度對(duì)比設(shè)計(jì)可靠度都有所提高。