張衛(wèi)衛(wèi)，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(shù)研究院（山東 東營 257000）

2.中國石化勝利油田分公司 安全環(huán)保質(zhì)量管理部（山東 東營 257000）

中國石化勝利油田東部油區(qū)目前仍以水驅(qū)開發(fā)為主。其中，斷塊油藏受縱向多期河流相沉積影響，儲(chǔ)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(jié)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(gè)月，無法達(dá)到油田提出的長壽命注水要求，因此有必要開展相關(guān)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(jié)構(gòu)主要由封隔器、配水器、洗井閥構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)分注管柱結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 關(guān)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(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”6 個(gè)方面分析找到能影響管柱壽命的因素，如圖2所示。經(jīng)過專業(yè)化培訓(xùn)，油田人員知識(shí)儲(chǔ)備及專業(yè)素養(yǎng)均有所提高，具備工藝設(shè)計(jì)、技術(shù)服務(wù)及現(xiàn)場(chǎng)處理問題的能力。經(jīng)過規(guī)范化管理及質(zhì)量提升管理，在“機(jī)、法、測(cè)”方面均形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。對(duì)于“環(huán)”，受地層本身物性的影響，人為干預(yù)的可能性很小。而“料”方面，隨著新材質(zhì)的研發(fā)及技術(shù)進(jìn)步，存在很大的改進(jìn)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(guān)鍵因子定量分析

利用六西格瑪理論［2］中的質(zhì)量屋分析方法，結(jié)合油藏開發(fā)現(xiàn)狀，從“料”中細(xì)分提煉出關(guān)鍵因子7項(xiàng)，分別是：①封隔器膠筒結(jié)構(gòu)；②配水器結(jié)構(gòu)；③洗井閥結(jié)構(gòu)；④管柱結(jié)構(gòu)；⑤井下工具機(jī)械加工精度；⑥井下工具材質(zhì)；⑦井下工具表面防腐處理達(dá)標(biāo)情況。結(jié)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(zhǔn)確，通過研究各因子對(duì)輸出變量的影響程度，繪制出因果矩陣［2］，并對(duì)各影響因子進(jìn)行評(píng)分，見表1。通過因果矩陣可以看出，封隔器膠筒結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)。

表1 不同因子對(duì)輸出變量影響的矩陣表 /分

表1中輸入變量X各個(gè)單項(xiàng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：0表示與過程結(jié)果無關(guān)；1 表示與過程結(jié)果有輕微影響；3表示與過程結(jié)果有中度影響；9 表示與過程結(jié)果有直接或重大影響。如：輸入變量X中的“封隔器膠筒結(jié)構(gòu)”對(duì)輸出變量Y中的工作壽命有重大影響，因此評(píng)分為9；對(duì)輸出變量Y中的耐壓差有直接影響，因此評(píng)分為9；對(duì)輸出變量Y中的分層可靠有直接影響，因此評(píng)分為9；對(duì)輸出變量Y中的密封可靠有直接影響，因此評(píng)分為9；對(duì)輸出變量Y中的配注準(zhǔn)確無影響，因此評(píng)分為0。輸入變量中的其他各項(xiàng)依照此思路進(jìn)行評(píng)分。

輸出變量Y權(quán)重中5，6，7，8，9表示各個(gè)單項(xiàng)對(duì)總結(jié)果的影響程度大小?！肮ぷ鲏勖边@一單項(xiàng)對(duì)總結(jié)果（即延長管柱壽命）的影響程度最大，因此該項(xiàng)的權(quán)重定為9；“耐壓差”這一項(xiàng)對(duì)總結(jié)果影響程度次之，因此該項(xiàng)的權(quán)重定為8；“分層可靠”這一項(xiàng)對(duì)總結(jié)果影響程度再次之，因此該單項(xiàng)的權(quán)重定為7；“密封可靠”這一項(xiàng)對(duì)總結(jié)果影響程度再次之，因此該項(xiàng)的權(quán)重定為6；“配注準(zhǔn)確”這一項(xiàng)對(duì)總結(jié)果影響程度更次之，因此該項(xiàng)的權(quán)重定為5。

1.3 關(guān)鍵因子定量確認(rèn)

利用數(shù)據(jù)分析軟件，采用雙樣本T 分析方法進(jìn)行定量分析，封隔器膠筒結(jié)構(gòu)類型分為K 型（擴(kuò)張式）、Y型（壓縮式），分析結(jié)果見表2。

表2 封隔器類型對(duì)管柱壽命影響分析數(shù)據(jù)表

P值就是當(dāng)原假設(shè)成立時(shí)[1]，出現(xiàn)目前狀況的概率（嚴(yán)格說當(dāng)原假設(shè)成立時(shí)，出現(xiàn)目前狀況或者對(duì)原假設(shè)更不利的狀況，即對(duì)備擇假設(shè)更有利狀況的概率。原假設(shè)為封隔器膠筒結(jié)構(gòu)對(duì)管柱壽命沒有顯著影響，備擇假設(shè)為封隔器膠筒結(jié)構(gòu)對(duì)管柱壽命有顯著影響）。當(dāng)這個(gè)概率很小時(shí)（一般小于0.05），這個(gè)結(jié)果在原假設(shè)成立的條件下不該出現(xiàn)，但現(xiàn)在確實(shí)出現(xiàn)了，因此有理由認(rèn)為原假設(shè)這個(gè)前提是錯(cuò)誤的，因而應(yīng)該拒絕原假設(shè)，接收備擇假設(shè)。從表2分析結(jié)果可以看出，封隔器膠筒結(jié)構(gòu)與管柱壽命的P值為0.014值（小于0.05），說明封隔器膠筒結(jié)構(gòu)對(duì)管柱壽命有顯著影響。這也說明封隔器膠筒結(jié)構(gòu)是影響管柱壽命的關(guān)鍵因子。

據(jù)調(diào)研，當(dāng)井深不大于2 000 m ，甚至不大于2 500 m 時(shí)，考慮管柱后期檢換的便利性，一般不會(huì)使用Y型封隔器，通常會(huì)使用K型封隔器，其關(guān)鍵部件是膠筒。目前勝利油田大部分所用K型封隔器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，膠筒主要由橡膠和5 層簾布組合,膠筒肩部結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖3 擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)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(yīng)力峰值[3]，其值明顯大于膠筒中部，致使膠筒肩部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)該應(yīng)力大于膠筒本身的抗剪切力時(shí)，膠筒會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫在外壓力作用下繼續(xù)擴(kuò)展，最終使肩部膠筒撕裂。在大壓差注水條件下，受應(yīng)力集中影響，膠筒肩部更易發(fā)生局部蠕變、膨大、撕裂。

2 封隔器膠筒結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

如何改善封隔器及膠筒的性能，不同學(xué)者做了不同的研究。范青等[3]利用有限元分析軟件，驗(yàn)證了“肩突”現(xiàn)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(qiáng)度不同的材料來適應(yīng)這種受力不均勻。程心平[5]利用有限元分析技術(shù)分析了膠筒長度、厚度、肩部形狀等對(duì)膠筒受力和變形規(guī)律的影響，對(duì)擴(kuò)張式封隔器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。程心平[6]利用有限元分析技術(shù)進(jìn)行了膠筒力學(xué)性能分析，為封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。但是對(duì)于如何減緩膠筒肩部應(yīng)力集中的膠筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，仍未見相關(guān)報(bào)道。

圍繞降低膠筒肩部應(yīng)力集中，主要從以下幾方面進(jìn)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(shí)施方案見表3。

3 效果驗(yàn)證

3.1 肩部應(yīng)力集中緩解性能驗(yàn)證

以勝利油田常用的K344-112 型擴(kuò)張式封隔器為例，建立三維模型，利用計(jì)算機(jī)模擬軟件，對(duì)上述方案按照不同座封壓力下的肩部橡膠應(yīng)力進(jìn)行模擬。其肩部橡膠應(yīng)力隨壓力變化數(shù)據(jù)見表4。

從表4分析結(jié)果可以看出，與未改進(jìn)前相比，方案9、方案10 對(duì)應(yīng)的肩部橡膠應(yīng)力在0.8、2、5、10、15、20 MPa 壓力狀態(tài)下均比較低，能夠有效降低橡膠材料的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而方案10的肩部橡膠應(yīng)力相對(duì)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(jié)構(gòu)未改變之前的肩部橡膠應(yīng)力相比，最大降低了54.4%，有效減緩了膠筒肩部應(yīng)力集中現(xiàn)象。方案10 的具體內(nèi)容見表3。

表3 膠筒結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

表4 不同內(nèi)壓下的膠筒肩部應(yīng)力變化數(shù)據(jù) /MPa

3.2 管柱壽命性能驗(yàn)證

在驗(yàn)證完膠筒的肩部橡膠應(yīng)力緩解性能后，進(jìn)一步開展管柱壽命性能的驗(yàn)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(duì)于管柱壽命的驗(yàn)證主要通過驗(yàn)證封隔器膠筒在高溫下的壽命性能來預(yù)測(cè)其常溫工作下的壽命，故驗(yàn)證采用高溫加速試驗(yàn)。按照橡膠老化原理，橡膠失效時(shí)間與加速變量絕對(duì)溫度成反比，因此采用常規(guī)加速模型。

擴(kuò)張式封隔器普遍應(yīng)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(yàn)，將試驗(yàn)?zāi)M井溫度設(shè)定為120 ℃與130 ℃，注水層間壓差設(shè)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(yàn)示意圖如圖5所示，管柱試驗(yàn)壽命數(shù)據(jù)見表5。

表5 溫度與管柱壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 試驗(yàn)示意圖

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)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(shí)間與加速變量絕對(duì)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(yù)測(cè)正常工作溫度下的生存壽命。利用minitab 軟件中的壽命預(yù)測(cè)模塊，輸入相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值即可得出某一壽命下的生存概率，也即達(dá)到這一壽命的可靠性，若生存概率小于95%，則認(rèn)為是小概率事件，該事件可靠性差；若生存概率大于95%，則認(rèn)為是大概率事件，該事件可靠性好，結(jié)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(gè)月的生存概率達(dá)到95.75%，即管柱36 個(gè)月的可靠性為95.75%，與原管柱相比，達(dá)到了延壽的目的。

4 結(jié)論

1）利用6σ質(zhì)量管理方法，能夠準(zhǔn)確快速地找到影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因子，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了方向，對(duì)于提升產(chǎn)品質(zhì)量性能與改進(jìn)研發(fā)具有重要意義。

2）通過改善擴(kuò)張式封隔器膠筒結(jié)構(gòu)，使肩部橡膠應(yīng)力降低了54.4%，有效緩解了應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長了膠筒使用壽命。

3）利用改進(jìn)后的擴(kuò)張式封隔器組配分注管柱，通過高溫加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)管柱在井壽命結(jié)果表明：管柱壽命達(dá)36 個(gè)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(dá)到36 個(gè)月，與目前常用K型封隔器管柱23.5個(gè)月壽命相比，有效延長了管柱壽命。