六西格瑪在提高水平井礫石充填完井效率的應(yīng)用研究

劉言理，楊延征，聶上振，王樹強(qiáng)，王賀強(qiáng)，趙 騰

1.中國(guó)石油大港油田分公司石油工程研究院 （天津 300280）

2.中國(guó)石油大港油田分公司第三采油廠 （天津 300280）

六西格瑪在提高水平井礫石充填完井效率的應(yīng)用研究

劉言理1，楊延征1，聶上振1，王樹強(qiáng)1，王賀強(qiáng)2，趙 騰2

1.中國(guó)石油大港油田分公司石油工程研究院 （天津 300280）

2.中國(guó)石油大港油田分公司第三采油廠 （天津 300280）

根據(jù)大港油田疏松砂巖水平井礫石充填完井工作要求，在提高水平井礫石充填完井效率研究中運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用水平井礫石充填參數(shù)分析因子設(shè)計(jì)，根據(jù)效應(yīng)的正態(tài)圖和效應(yīng)Pareto圖確定影響充填完井效率的主要控制因子，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定礫石充填完井的最佳沖篩比、排量、砂比、濾失強(qiáng)度，對(duì)充填對(duì)接工具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、控制、保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有效地提高了水平井礫石充填完井效率。

六西格瑪；礫石充填；完井效率

礫石充填完井技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵的石油開發(fā)技術(shù)。近年來(lái)由于礫石充填完井工作量的增加，涉及的技術(shù)服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)，特別是完井效率不高問(wèn)題較為突出。為了進(jìn)一步提高礫石充填完井效率，按照DMAIC的改進(jìn)流程，通過(guò)六西格瑪方法，對(duì)重要因子進(jìn)行分析，提高水平井礫石充填完井效率。

1 定義

中國(guó)石油大港油田分公司（以下簡(jiǎn)稱大港油田）出砂油藏水平井主要分布在港東、港西、板橋、孔店、羊三木等區(qū)塊，層位主要是明化、館陶油組。在地層砂分選差儲(chǔ)層應(yīng)用精密復(fù)合篩管完井54口中，曾經(jīng)因篩管堵塞、破漏、砂堵砂埋造成上修或停產(chǎn)的井共17口，占32%。礫石充填工藝完井具有防砂效果好、有效期長(zhǎng)、能較大提高油井的產(chǎn)能等優(yōu)點(diǎn)，是出砂嚴(yán)重油藏的首選完井方式。礫石充填完井就是通過(guò)在井眼與篩管環(huán)空之間充填礫石層，將地層砂阻擋在井筒外面，形成長(zhǎng)期有效的防砂壁壘，能夠解決細(xì)粉砂儲(chǔ)層油井的出砂問(wèn)題。

近幾年通過(guò)水平井礫石充填技術(shù)的應(yīng)用，提高出砂儲(chǔ)層水平井開發(fā)效果的同時(shí)，附加的經(jīng)濟(jì)效益顯著，已成為主營(yíng)業(yè)務(wù)，占產(chǎn)值的三分之一。進(jìn)一步提高礫石充填完井效率及技術(shù)水平，可確保全年任務(wù)指標(biāo)的完成。水平井礫石充填工藝復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多，在工藝、工具方面還需進(jìn)一步完善，確保施工成功的同時(shí)提高水平井的開發(fā)效果。

通過(guò)對(duì)2014—2015年水平井礫石充填工藝施工統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該工藝出現(xiàn)的問(wèn)題主要體現(xiàn)在：工具對(duì)接困難（一次對(duì)接成功率75%）、礫石充填率較低（平均85%）。其中工具未能一次對(duì)接成功的三井次，未能按設(shè)計(jì)實(shí)施擠壓充填，只能實(shí)施循環(huán)充填。同時(shí)，礫石充填率較低，影響水平井防砂效果及有效期。

1.1 項(xiàng)目范圍

六西格瑪項(xiàng)目范圍界定-SIPOC，如圖1所示。

圖1 六西格瑪項(xiàng)目范圍界定-SIPOC

1.2 基線與目標(biāo)設(shè)定

項(xiàng)目基線：一次施工成功率75%，充填效率85%。

項(xiàng)目目標(biāo)：一次施工成功率95%，充填效率95%。

1.3 Y的定義

Y1一次施工成功率：充填工具一次對(duì)接成功井次與施工井次的比值。

Y2礫石充填率：礫石充填體積/篩套（或裸眼井壁）環(huán)空體積。

1.4 項(xiàng)目計(jì)劃

項(xiàng)目組根據(jù)DMAIC把改進(jìn)項(xiàng)目分成5個(gè)部分，分別是：定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制。

1.5 項(xiàng)目成員及工作安排

項(xiàng)目組根據(jù)不同成員對(duì)礫石充填技術(shù)的掌握程度和不同崗位性質(zhì)安排相應(yīng)工作，同時(shí)要求成員對(duì)參與項(xiàng)目進(jìn)行了時(shí)間上的承諾。

2 測(cè)量

2.1 Y的數(shù)據(jù)真實(shí)性驗(yàn)證

Y1（一次對(duì)接成功率）當(dāng)內(nèi)充填工具下入到外充填工具密封段時(shí)，循環(huán)壓力增高2 MPa以上，通過(guò)密封段后循環(huán)壓力正常，表示內(nèi)外充填工具一次對(duì)接成功，循環(huán)壓力通過(guò)泵車壓力表獲得。

Y2（礫石充填效率）是通過(guò)公式計(jì)算得到，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可從現(xiàn)場(chǎng)施工儀表車獲得，計(jì)算公式如下：

Vu為充填作業(yè)有效動(dòng)用的礫石量（表觀體積），L；Vr為反洗出地面的礫石量（表觀體積），L；Uw為環(huán)空的理論充填容積，L。

2.2 Y的現(xiàn)狀分析

1）一次施工成功率（Y1）：從水平井礫石充填工藝施工結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（表1）可以看出，施工的12口井中有3口井內(nèi)外充填工具一次對(duì)接不成功。其不成功的表現(xiàn)主要有2種：一是內(nèi)外工具完全不能對(duì)接，不能建立正常循環(huán)充填；二是內(nèi)外工具對(duì)接不完全，嚴(yán)重影響充填效果。Y1目前的西格瑪水平為2.17，過(guò)程能力較差。

表1 Y1西格瑪水平表

2）礫石充填率（Y2）：用12井次水平井礫石充填工藝施工充填效率做折線圖,如圖2所示。

從圖2可以看出，12口井礫石充填效率的平均值為85%，流程是相對(duì)穩(wěn)定的。

圖2 礫石充填工藝施工充填效率折線圖

2.3 流程現(xiàn)狀了解-流程圖

1）圖3為上部注水泥下部篩管完井礫石充填流程圖。

2）圖4為流程變量圖。

2.4 因果矩陣分析

表2為因果矩陣分析表。

2.5 根因分析-FMEA

表3為根因分析-FMEA表。

圖3 上部注水泥下部篩管完井礫石充填流程圖

表2 因果矩陣分析表

表3 根因分析-FMEA表

2.6 改善計(jì)劃匯總

表4為改善計(jì)劃匯總表。

表4 改善計(jì)劃匯總表

快贏措施-優(yōu)化沖篩比，提高礫石充填效率。

1）沖篩比對(duì)充填效率的影響：較大的沖管尺寸會(huì)減小沖篩環(huán)空中純攜砂液的流通面積，增大摩阻壓降，迫使更多的攜砂液在篩套環(huán)空中流動(dòng)，增大篩套環(huán)空中砂漿流量，降低礫石濃度，提高攜砂能力，降低篩套環(huán)空發(fā)生堵塞的危險(xiǎn)。

2）一般增大沖篩比的方法：主要是靠增大等徑?jīng)_管的尺寸；該方法不僅增加了完井成本，而且內(nèi)服務(wù)管柱下入困難，不利施工。

3）優(yōu)化工藝，增大沖篩比：在內(nèi)服務(wù)管柱上添加阻流器。

優(yōu)點(diǎn)：不影響充填管柱的下入、起出，不會(huì)改變工藝流程，只是改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，提高攜砂液的流動(dòng)速度、避免提前脫砂形成砂丘，從而有效提高礫石充填效率。

經(jīng)過(guò)流程圖、因果矩陣及FMEA分析，篩選出的重要X見(jiàn)表5。

表5 重要X表

2.7 下一步因子分析計(jì)劃

表6為下步分析計(jì)劃表。

表6 2015年分析計(jì)劃表

3 分析

3.1 數(shù)據(jù)收集計(jì)劃

表7為數(shù)據(jù)收集計(jì)劃表。

表7 數(shù)據(jù)收集計(jì)劃表

3.2 X和Y之間的相關(guān)性矩陣

表8為X和Y之間的相關(guān)性矩陣表。

表8 X和Y之間的相關(guān)性矩陣表

3.3 礫石充填工藝原理分析

1）α正向充填過(guò)程：在一定的流速條件下，流體難以攜帶全部礫石顆粒，一部分礫石顆粒開始在篩套環(huán)空底部沉積，形成沉積床，即所謂的“平衡堤”。

2）β反向充填過(guò)程：當(dāng)α充填階段結(jié)束后，礫石開始在砂床頂部的空間內(nèi)從井段末端開始進(jìn)行反向充填，直至充填到水平井段開始位置，攜砂液則通過(guò)沉積的礫石層進(jìn)入沖管上返回地面。

3.4 礫石充填工藝難點(diǎn)分析

圖5為礫石充填工藝難點(diǎn)圖。

圖5 礫石充填工藝難點(diǎn)圖

從礫石充填的工藝原理及充填難點(diǎn)可以看出，沖篩比、排量、砂比、濾失強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)充填動(dòng)態(tài)及效果都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

3.6 礫石充填效率方差分析

1）沖篩比對(duì)充填效果的影響：沖篩比對(duì)充填效果的影響主要體現(xiàn)在對(duì)篩套環(huán)空中的純攜砂液流量的影響上。較大的沖管尺寸會(huì)減小沖篩環(huán)空中純攜砂液的流通面積，增大摩阻壓降，提高攜砂能力，降低篩套環(huán)空發(fā)生堵塞的危險(xiǎn)。

單因子方差分析：充填效率與沖篩比。

來(lái)源 自由度 SS MS F P

沖篩比 2 24.64 12.32 6.39 0.019

誤差 9 17.36 1.93

合計(jì) 11 42.00

S=1.389 R-Sq=58.67%

R-Sq（調(diào)整）=49.49%

P=0.019＜0.05，說(shuō)明沖篩比對(duì)礫石充填效率影響顯著。

2）排量對(duì)充填效果的影響：高排量的砂漿具有較強(qiáng)的攜砂能力，礫石顆粒不容易沉積；充填過(guò)程中發(fā)生提前堵塞的危險(xiǎn)性越??；但是砂漿排量過(guò)高會(huì)使砂床高度變低甚至消失，不利于穩(wěn)定充填或達(dá)不到“平衡堤”充填方式。

來(lái)源 自由度 SS MS F P

回歸 1 18.475 2 18.475 2 7.85 0.019

誤差 10 23.524 8 2.352 5

合計(jì) 11 42.000 0

回歸方程為

充填效率=81.42+0.002 399×排量

S=1.533 78 R-Sq=44.0%

R-Sq（調(diào)整）=38.4%

P=0.019＜0.05，說(shuō)明排量對(duì)礫石充填效率影響顯著。

3）砂比對(duì)充填效果的影響：砂比越高，礫石顆粒越不容易被攜帶；由于攜砂液的濾失和砂床高度的不斷升高，篩套環(huán)空中會(huì)越快地達(dá)到礫石極限濃度，堵塞位置會(huì)越提前。

來(lái)源 自由度 SS MS F P

回歸 1 19.047 6 19.047 6 8.30 0.016

誤差 10 22.952 4 2.295 2

合計(jì) 11 42.000 0

回歸方程為

充填效率=87.70-0.317 5砂比

S=1.51500 R-Sq=45.4%

R-Sq（調(diào)整）=39.9%

P=0.016＜0.05，說(shuō)明砂比對(duì)礫石充填效率影響顯著

4）濾失強(qiáng)度對(duì)充填效果的影響：攜砂液的濾失，使得沉積砂床出現(xiàn)“斜堤”特征。濾失強(qiáng)度越大，砂床高度沿充填位置向上傾斜的速度越快，越容易出現(xiàn)提前堵塞；堵塞的位置越靠前，充填效率越低。

來(lái)源 自由度 SS MS F P

回歸 1 23.678 6 23.678 6 12.92 0.005

誤差 10 18.321 4 1.832 1

合計(jì) 11 42.000 0

回歸方程為

充填效率=90.53-6.314濾失強(qiáng)度

S=1.353 57 R-Sq=56.4%

R-Sq（調(diào)整）=52.0%

P=0.005＜0.05，說(shuō)明濾失強(qiáng)度對(duì)礫石充填效率影響顯著。

3.7 一次對(duì)接成功率無(wú)數(shù)據(jù)分析

充填工具的作用：外充填工具連接在管柱上，通過(guò)油管送入內(nèi)充填工具，二者對(duì)接后打開滑套，實(shí)現(xiàn)礫石充填；上提內(nèi)管柱，關(guān)閉滑套，完成礫石充填。

充填工具存在的問(wèn)題：內(nèi)外充填工具對(duì)接困難（一次對(duì)接成功率75%），主要是充填工具無(wú)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，同時(shí)無(wú)法判斷是否對(duì)接成功。

研究的方向：增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，方便機(jī)械定位，有效解決底部充填工具對(duì)充填工具對(duì)接難題；優(yōu)化工具參數(shù)，確保后期作業(yè)的順利進(jìn)行。

4 改進(jìn)

針對(duì)已經(jīng)確認(rèn)的關(guān)鍵因素，項(xiàng)目組制定了具體可行的改進(jìn)計(jì)劃，如表9所示，并且按照改善計(jì)劃將事項(xiàng)逐一進(jìn)行落實(shí)和改進(jìn)。

4.1 X的改善計(jì)劃

表9為X的改善計(jì)劃表。

4.2 X1-X4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析過(guò)程

根據(jù)礫石充填效率難點(diǎn)分析，用水平井礫石充填數(shù)學(xué)模型來(lái)描述各個(gè)流體系統(tǒng)的流動(dòng)特征及相互耦合過(guò)程。水平井礫石充填數(shù)學(xué)模型研究的假設(shè)條件：各流動(dòng)系統(tǒng)中的流動(dòng)為一維等溫流動(dòng)；井筒呈水平，篩管及沖管同心放置；礫石及攜砂液流體不可壓縮。水平井礫石充填數(shù)學(xué)模型研究的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。經(jīng)研究數(shù)學(xué)模型、耦合方程、輔助方程、方程組封閉。

水平井礫石充填參數(shù)優(yōu)化目的：避免提前堵塞，使充填過(guò)程穩(wěn)定安全，并達(dá)到100%的充填效率。水平試驗(yàn)排序及結(jié)果見(jiàn)表10及圖6。

從圖6可以看出，因子C（砂比）、A（沖篩比）對(duì)礫石充填影響效果顯著，因子B（排量）、D（濾失強(qiáng)度）影響效果還需進(jìn)一步篩選分析。標(biāo)準(zhǔn)化處理后見(jiàn)圖7。

項(xiàng)目 效應(yīng) 系數(shù) 系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差 T P

常量 91.063 0.359 0 253.63 0.000

沖篩比 4.875 2.437 0.359 0 6.79 0.001

排量 2.125 1.062 0.359 0 2.96 0.032

砂比 -5.125-2.562 0.359 0 -7.14 0.001

濾失強(qiáng)度 0.375 0.187 0.359 0 0.52 0.624

S=1.436 14 PRESS=105.6

R-Sq=95.79% R-Sq（預(yù)測(cè)）=56.89%

表9 X的改善計(jì)劃表

表10 4因子2水平試驗(yàn)排序及結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

R-Sq（調(diào)整）=87.37%

來(lái)源 自由度 Seq SS Adj SS Adj MS F P

主效應(yīng) 4 218.75 218.75 54.687 26.52 0.001

交互作用 6 15.87 15.87 2.646 1.28

DOE分析因子結(jié)論：通過(guò)進(jìn)一步分析，可以看出因子C（砂比）、A（沖篩比）B（排量）對(duì)充填效果影響顯著，因子D（濾失強(qiáng)度）對(duì)充填效果影響不顯著。

對(duì)水平井礫石充填方案進(jìn)行優(yōu)化，等值線圖與響應(yīng)優(yōu)化見(jiàn)圖8。

從圖8可以看出，沖篩比在0.75～0.8，砂比＜5%時(shí)，充填效率能達(dá)到95%以上。

響應(yīng)優(yōu)化參數(shù)：沖篩比=0.8，排量=2 700 L/min，砂比=4%，濾失強(qiáng)度=1.5 L/（min·m），預(yù)測(cè)的響應(yīng)充填效率=98.438%，合意性=1.000復(fù)合合意性=1.000。

圖6 效應(yīng)的正態(tài)圖和效應(yīng)Pareto圖

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化的正態(tài)圖和效應(yīng)Pareto圖

4.3 X5的改善措施描述

X5主要是通過(guò)對(duì)充填工具增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)，保證工具一次對(duì)接成功率。

5 控制

5.1 控制計(jì)劃

表11為控制計(jì)劃表。

5.2 Y1的改善效果跟蹤

表12為一次對(duì)接成功率過(guò)程能力改善效果對(duì)比表。

圖8 等值線圖與響應(yīng)優(yōu)化圖

表11 控制計(jì)劃表

表12 一次對(duì)接成功率過(guò)程能力改善效果對(duì)比表

5.3 Y2的改善效果跟蹤

改善前12口井與改善后7口井礫石充填效率做分階段單值控制圖（圖9）對(duì)比分析。

圖9 充填效率按階段的單值控制圖

從圖9可以看出，改善后礫石充填效率明顯提高，且流程是相對(duì)穩(wěn)定的。

5.4 改善井的施工效果評(píng)價(jià)

莊11-11-2H井采用的是水平井礫石充填完井技術(shù)，該井層位明三4-2，井段2 133～2 144 m。設(shè)計(jì)加砂量3.6 m3，液量104 m3，砂比5%。該井防砂層位井深近2 400 m，井斜89°，用高黏度、低砂比攜砂液將防砂篩管環(huán)空一次充填結(jié)實(shí)，充填效率達(dá)95%以上；底部充填工具一次對(duì)接成功。該井自投產(chǎn)以來(lái)初期平均日產(chǎn)油24 t，累計(jì)產(chǎn)油約2 000 t。單月份日產(chǎn)油控制圖分析如圖10所示。

圖10 日產(chǎn)油量的單值控制圖

從圖10可以看出，實(shí)際平均日產(chǎn)油量大大高于預(yù)計(jì)日產(chǎn)油量，且產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定，充填效果顯著。

5.5 收益

該項(xiàng)目提高了水平井礫石充填完井效率，同時(shí)項(xiàng)目的實(shí)施方案只涉及工藝參數(shù)優(yōu)化和工具結(jié)構(gòu)改進(jìn)2方面內(nèi)容，故增加的費(fèi)用可忽略不計(jì)。經(jīng)濟(jì)效益一方面體現(xiàn)在本中心的直接經(jīng)濟(jì)效益，項(xiàng)目研發(fā)期間共試驗(yàn)7口井，由原油增量帶來(lái)效益增加預(yù)計(jì)111.5萬(wàn)元，該項(xiàng)目縮短完井周期帶來(lái)的效益為3×0.5×7=10.5(萬(wàn)元)。累計(jì)直接經(jīng)濟(jì)效益為122萬(wàn)元。另一方面項(xiàng)目研發(fā)期間形成專有技術(shù)，申報(bào)發(fā)明專利1項(xiàng)，發(fā)表科技論文2篇，同時(shí)水平井礫石充填完井效率的提高，有利于進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)力。

6 結(jié)論

本項(xiàng)目按照DMAIC的改進(jìn)流程，通過(guò)DOE分析、因果矩陣、效應(yīng)的正態(tài)圖和效應(yīng)Pareto圖等六西格瑪方法對(duì)影響水平井礫石充填完井效率的主要因素進(jìn)行了分析和改進(jìn)。確定了最佳的礫石充填排量、砂比、沖篩比等參數(shù)，提高了礫石充填完井效率和工具一次對(duì)接成功率，縮短了施工時(shí)間，整體提高礫石充填完井效率和技術(shù)服務(wù)質(zhì)量。

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In order to meet the requirement of gravel filling completion of unconsolidated sandstone horizontal wells in Dagang Oilfield,six sigma design method is used for improving the gravel filling completion efficiency of horizontal wells.Based on the analysis factor design of horizontal well gravel filling parameters,the main factors of affecting the gravel filling completion efficiency are determined according to the normal diagram and Pareto diagram of effect;the optimum sieve ratio,displacement,sand ratio and filtration strength of gravel filling completion are determined by experimental design;the structure of the filling docking tool is optimized;the accuracy of experimental results is ensured by experimental verification.

Six Sigma;gravel filling;completion efficiency

劉言理（1988-），男，工程師，主要從事完井工藝技術(shù)研究及配套工具的設(shè)計(jì)研發(fā)。

尉立崗

2017-09-08