六西格瑪設(shè)計(jì)助力高溫低滲儲(chǔ)層保護(hù)修井液的可靠性研究

韓 芳，李 路，劉福鵬，郭元慶，季紅新

中國(guó)石油大港油田分公司石油工程研究院 (天津 300280）

六西格瑪設(shè)計(jì)是一套為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、制造和經(jīng)營(yíng)流程以及服務(wù)等提供一系列結(jié)構(gòu)化的流程[1-5]，其方法和工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程。從客戶需求識(shí)別到最終產(chǎn)品和服務(wù)的發(fā)布，按照合理的流程、運(yùn)用統(tǒng)計(jì)理論，準(zhǔn)確理解客戶需求，對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品在低成本下實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平；同時(shí)，在設(shè)計(jì)中對(duì)外界噪音因子加以控制，使產(chǎn)品本身具有抵抗各種干擾的能力，即便是使用環(huán)境惡劣，產(chǎn)品仍能滿足客戶的需求。它教會(huì)人們用一種系統(tǒng)的方法,真正做到了從源頭出發(fā)，設(shè)計(jì)出符合消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。六西格瑪設(shè)計(jì)是六西格瑪管理的最高境界,是六西格瑪管理理念在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用和提升[7-8]。

中國(guó)石油大港油田分公司大部分未動(dòng)用儲(chǔ)量為高溫低滲儲(chǔ)層，分布較廣，至今沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的油層保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用。以采油四廠板橋、長(zhǎng)蘆油田為例，目前采用清水、污水、液鈣作業(yè)，作業(yè)過(guò)程污染嚴(yán)重，油井維護(hù)作業(yè)后恢復(fù)期長(zhǎng)，部分井平均恢復(fù)期在10天以上，影響產(chǎn)量2 000t。采用設(shè)計(jì)六西格瑪?shù)姆椒▉?lái)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行立項(xiàng)研究[6-7]，應(yīng)用六西格碼工具進(jìn)行了分析，確定關(guān)鍵影響因素后應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定了優(yōu)化目標(biāo)，并加以改進(jìn)、控制和驗(yàn)證，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可靠性，縮短了恢復(fù)期，提高了客戶的滿意度及油層保護(hù)技術(shù)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)六西格碼設(shè)計(jì)的演變路徑，分別從項(xiàng)目定義、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和控制階段進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 定義

大港油田大部分未動(dòng)用儲(chǔ)量為高溫低滲儲(chǔ)層，分布較廣，至今沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的油層保護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用。目前板橋、長(zhǎng)蘆油田采用清水、污水、液鈣作業(yè)，部分井恢復(fù)期在10天以上，平均恢復(fù)期為4.87天，影響產(chǎn)量2 000t以上。分析歷史數(shù)據(jù)可得，過(guò)程能力指數(shù)(Cpk)=0.53，過(guò)程能力稍差，因此，油層保護(hù)技術(shù)急需在該類油田推廣。面對(duì)客戶的抱怨，為縮短油井恢復(fù)期，項(xiàng)目組針對(duì)高溫低滲儲(chǔ)層特點(diǎn)，調(diào)研客戶需求，通過(guò)對(duì)客戶之聲的分析，確定了研發(fā)新型油層保護(hù)液體系，并確定了關(guān)鍵質(zhì)量目標(biāo)，即滿足抗溫＞140℃,防膨率79%～85%，表面張力20～30mm/N。從而有效減少水鎖損害及濾液侵入，提高液體的反排能力，期待能縮短恢復(fù)期（≤3天），有效提升油田開(kāi)發(fā)效果。

2 設(shè)計(jì)

在了解了顧客的心聲，定義了關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)之后，進(jìn)入分析階段，目的是通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)失效模式分析尋求設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵控制因子，同時(shí)，利用DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型（Y=f（x1，x2…)，通過(guò)該模型，提供可靠的試驗(yàn)配序及驗(yàn)證，從而尋求最佳配方，完成項(xiàng)目，滿足客戶需求。

2.1 DFMEA設(shè)計(jì)潛在失效模式及后果分析

通過(guò)DFMEA分析，得出體系中暫堵劑、防膨劑、助排劑的軟化點(diǎn)、防膨率、表面張力是影響作業(yè)成功與否（即作業(yè)的恢復(fù)期）的關(guān)鍵控制因子，并制定相應(yīng)控制改進(jìn)措施，在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行控制，降低風(fēng)險(xiǎn)指數(shù) （RPN）見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)潛在失效模式分析表

2.2 模型轉(zhuǎn)換

在進(jìn)行分析研究前，需要找到一個(gè)連接室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)恢復(fù)期的橋梁：y巖心滲透率的恢復(fù)率，以此來(lái)研究影響應(yīng)用井作業(yè)后的Y恢復(fù)期的因素。

2.2.1 恢復(fù)期與巖心滲透率恢復(fù)率的相關(guān)性分析

應(yīng)用擬合線（圖1），對(duì)Y恢復(fù)期y巖心滲透率的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果P=0.00＜0.05，說(shuō)明巖心滲透率對(duì)恢復(fù)期有很強(qiáng)的正向相關(guān)性。其對(duì)恢復(fù)期和恢復(fù)率均影響，同時(shí)，也與經(jīng)驗(yàn)相符，由此，科研課題轉(zhuǎn)化為對(duì)巖心滲透率的研究。

圖1 恢復(fù)期(Y)與巖心滲透率（y）的擬合線圖

2.2.2 影響巖心滲透率的因素分析

針對(duì)DFEMA識(shí)別出的3個(gè)重要的關(guān)鍵控制因子X(jué)：軟化點(diǎn)、防膨率和表面張力。對(duì)收集到的軟化點(diǎn)、防膨率和表面張力數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)，驗(yàn)證結(jié)果為巖心滲透率的恢復(fù)率可以由軟化點(diǎn)、防膨率和表面張力3個(gè)關(guān)鍵因子描述，數(shù)學(xué)模型可以解析99.5%的數(shù)據(jù)，模型可信度很高。

由圖2、圖3可以看出，P值均＜0.05，說(shuō)明軟化點(diǎn)、防膨率、表面張力對(duì)巖心滲透率的恢復(fù)率影響顯著。

圖2 y的殘差圖

通過(guò)六西格碼回歸分析可知，項(xiàng)目通過(guò)研究巖心滲透率恢復(fù)率與3個(gè)因素之間的關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)油井恢復(fù)期Y的縮短的方向是可靠的，切實(shí)可行的。

2.3 DOE設(shè)計(jì)

通過(guò)DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)尋找合適的暫堵劑、防膨劑、助排劑材料，并且尋找最優(yōu)設(shè)置值是本階段目的（表 2）。

圖3 y與x的回歸分析

第一組DOE設(shè)計(jì)，采用文本類數(shù)據(jù)分析，目的是確定出合適的暫堵劑、防膨劑及助排劑的類型。

通過(guò)3因子2水平全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表 （包含5個(gè)中心點(diǎn)，共計(jì)13次實(shí)驗(yàn)）。巖心滲透率恢復(fù)率為響應(yīng)變量。目的是為了尋找3者的最優(yōu)配比（表3）。

表2 篩選材料種類DOE設(shè)計(jì)表

表3 全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

續(xù)表3

2組DOE設(shè)計(jì)表在下面的優(yōu)化階段具體分析。

3 優(yōu)化階段

3.1 第一組：篩選材料種類分析

第一輪因子分析包括主效應(yīng)+交互，3個(gè)因子中2個(gè)主效應(yīng)顯著，二階因子和三階因子不顯著 （圖4）。第二輪縮減不顯著項(xiàng)主效應(yīng)分析（圖5）。

圖4 主效應(yīng)+交互效應(yīng)分析

圖5 縮減不顯著向后主效應(yīng)分析

圖5 -1對(duì)圖5數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可看出，最佳組合為A2B2C1，即選取YB-G2類抗高溫暫堵劑、無(wú)機(jī)鹽類防膨劑、新型助排劑為實(shí)驗(yàn)材料。在選定了實(shí)驗(yàn)材料后進(jìn)行配方實(shí)驗(yàn)，尋找最優(yōu)配比。

3.2 第二組：y滲透率恢復(fù)率全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

第一輪因子分析包括主效應(yīng)+交互因子分析，3個(gè)因子主效應(yīng)均顯著，同時(shí)二階因子和三階因子不顯著（圖6）。接下來(lái)做第二輪縮減不顯著項(xiàng)主效應(yīng)分析（圖 7）。

圖6 主效應(yīng)+交互效應(yīng)分析

圖7 縮減不顯著向后主效應(yīng)分析

縮減模型，由數(shù)據(jù)分析結(jié)果可看出，暫堵劑、防膨劑、助排劑都是顯著因子。由于中心點(diǎn)顯著，說(shuō)明模型的響應(yīng)面存在曲面，下一步將增加實(shí)驗(yàn)次數(shù)，做響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)分析。

3.3 y的響應(yīng)曲面優(yōu)化設(shè)計(jì)

本次響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)采用“中心復(fù)合設(shè)計(jì)”，原來(lái)的全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)仍然可用，在此基礎(chǔ)上每個(gè)因子增加2個(gè)軸向點(diǎn) （因子的實(shí)驗(yàn)水平會(huì)超出原來(lái)的上下限水平），再增加3個(gè)中心點(diǎn)，共22次實(shí)驗(yàn)組合，紅色方框部分為增加的實(shí)驗(yàn)次數(shù)（表4）。

表4 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)表

對(duì)表4進(jìn)行擬合，其結(jié)果如下：

響應(yīng)曲面回歸：滲透率恢復(fù)率與區(qū)組，暫堵劑，防膨劑，助排劑，分析是使用已編碼單位進(jìn)行的。

滲透率恢復(fù)率的估計(jì)回歸系數(shù)

R-Sq（調(diào)整）=74.88%

響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)后，對(duì)巖心滲透率恢復(fù)率做了分析，發(fā)現(xiàn)y的顯著主效應(yīng)大部分都顯著，而且R-Sq（調(diào)整）較高，下一步做響應(yīng)優(yōu)化器分析。

3.4 y的響應(yīng)優(yōu)化器

經(jīng)過(guò)響應(yīng)優(yōu)化器的分析（圖8），系統(tǒng)默認(rèn)最佳值為暫堵劑用量0.92%，防膨劑3.68%，助排劑0.6%。

圖8 響應(yīng)優(yōu)化器優(yōu)化分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，為了節(jié)約成本，不造成浪費(fèi)，油層保護(hù)液配比為暫堵劑用量0.8%，防膨劑3%，助排劑0.3%時(shí),巖心滲透率恢復(fù)率即為0.88，可行性0.80，即可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求（圖9）。

圖9 實(shí)際生產(chǎn)的響應(yīng)優(yōu)化器優(yōu)化分析

找到最優(yōu)配方后，在室內(nèi)進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如表5所示。

表5 配方驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖心滲透率基本在模型的預(yù)測(cè)區(qū)間之內(nèi)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强煽康模瑢?shí)驗(yàn)結(jié)論也是有效的。

4 優(yōu)化效果及控制

優(yōu)化前：①常用暫堵劑的軟化點(diǎn)在80～120℃，配制的油層保護(hù)液抗溫能力較差，同時(shí)軟化點(diǎn)高的暫堵劑油溶率普遍不高；②目前防膨劑防膨率在76%～79%之前；③助排劑表面張力在20～40mm/N之前，穩(wěn)定性不高。

面對(duì)以上現(xiàn)狀，結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊儲(chǔ)層為高溫低滲儲(chǔ)層，溫度可達(dá)140℃甚至更高的情況，需要尋找一種能夠抗140℃高溫，同時(shí)需要優(yōu)化防膨劑、助排劑，從而滿足在該區(qū)塊低滲儲(chǔ)層應(yīng)用的要求。

針對(duì)目前存在的問(wèn)題，本項(xiàng)目組做了如下改進(jìn)：①通過(guò)DOE設(shè)計(jì)確定出效果更好的YB-G型暫堵劑、防膨劑及助排劑作為研究對(duì)象；②再次通過(guò)DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋找最優(yōu)配比。

改進(jìn)之后實(shí)現(xiàn)了：暫堵劑軟化點(diǎn)140～150℃，油溶率≥90%；防膨劑防膨率能夠達(dá)到79%～85%；表面張力能夠控制在20～30mm/N以內(nèi)，避免水鎖。

通過(guò)優(yōu)化軟化點(diǎn)、防膨率、表面張力后，巖心滲透率的恢復(fù)率均值也得到了改善，由改善前的79.85%提高到83.85%，Cpk從0.404提高到0.909，過(guò)程能力有顯著的提高。

2015年1～6月現(xiàn)場(chǎng)共應(yīng)用15井次，現(xiàn)場(chǎng)平均恢復(fù)期由改善前的4.87天，減少到了2.87天，Cpk從0.53提高到1.34。

5 收益

該項(xiàng)目提高了油層保護(hù)效果，經(jīng)濟(jì)效益一方面體現(xiàn)在本中心的直接效益，項(xiàng)目實(shí)施期間應(yīng)用15井次，收益為48萬(wàn)元；另一方面，無(wú)形資產(chǎn)方面形成專有技術(shù)，申請(qǐng)發(fā)明專利2項(xiàng)，發(fā)表科技論文2篇；同時(shí)，油層保護(hù)效果的提高，有利于進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)，提高本中心的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目采用設(shè)計(jì)六西格瑪DFSS流程，對(duì)影響作業(yè)井恢復(fù)期的主要因素進(jìn)行了改進(jìn)。首先，使用DFEMA等工具確定軟化點(diǎn)、防膨率和表面張力3個(gè)關(guān)鍵因子，通過(guò)六西格瑪?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析，確定了暫堵劑、防膨劑、助排劑的種類，并通過(guò)DOE設(shè)計(jì)進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化組分、配方，得到適應(yīng)性強(qiáng)的油層保護(hù)液，縮短了油井恢復(fù)期，提高了產(chǎn)品性能的可靠性。

[1]郭峰.6Sigma設(shè)計(jì)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程,2006,28(10)：892-897.

[2]Satya S.Chakravorty.Six Sigma programs：an implementation model[J].Journal of Production Economics,2009,119(1)：138-140.

[3]Sahoo A K,T iwari M K.Six Sigma based approach to optimize radial forging operation variables[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,202(1-3)：125-126.

[4]Sokovic M,Pavletic D,Fakin S.Application of Six Sigma methodology for process design [J].Journal of Materials Processing Technology,2005,162(10)：777-783.

[5]Xingxing Zu,Lawrence D.Fredendail and Thomas J.Douglas.The evolving theory of quality management：The role of Six Sigma[J].Journal of Operations Management,2008(26)：630-650.

[6]馬林.六西格瑪管理[M].北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社,2004.

[7]劉蘇婷,董敏.六西格瑪及與其他績(jī)效改進(jìn)工具的比較[J].商業(yè)時(shí)代,2009(5)：59-60.

[8]李龍一,蔣媛媛.基于六西格瑪設(shè)計(jì)的產(chǎn)品創(chuàng)新研究[J].科技管理研究,2010（11）：182-186.