六西格瑪在提高抽油機井系統效率中的應用

李云

中國石化中原油田分公司 技術監測中心（河南 濮陽 457001）

0 引言

2019 年中國石油化工股份有限公司工作會議提出了“節能減排、綠色低碳”發展戰略。抽油機生產系統是中原油田主要耗能系統之一，耗電量占油田總耗電量的30%左右。抽油機井的系統效率是抽油機井能源利用水平的重要經驗技術指標。對以抽油機井為主要生產方式的油田而言，實現降本增效的一個重要的途徑就是提高抽油機井的系統效率。

六西格瑪管理是一套系統的業務改進體系和管理模式，它通過運用多種質量工具實現對過程的改進和完善[1]。為有效提高抽油機井系統效率，采用精益六西格瑪管理方法，對影響系統效率的過程和環節進行分析。通過運用過程分析、潛在失效模式分析、假設檢驗、實驗設計等工具，進一步挖掘現有生產過程的潛力，消除不良影響，以期提升過程能力，提高機采系統效率[2]。

1 定義階段

中原油田某采油廠采油管理區作為節能示范區，先期對機采、注水、集輸系統進行了整體能效測試評價工作，機采系統耗電占78.7%、注水系統耗電占15.9%、集輸系統耗電占5.3%，可看出機采系統耗電占示范區的耗電比重最大。實現機采系統效率的提升，是當前節能示范區工作的重點。

示范區目前平均系統效率為27.1%，與采油廠2010—2017年中最低平均機采系統效率相比，仍低3.5%。通過本次研究，力爭將整個示范區機采系統效率提高到30.6%，達到歷史平均最低水平。

2 測量階段

2.1 機采系統效率定義

根據GB/T 33653—2017《油田生產系統能耗測試和計算方法》的定義：機采系統效率是指機械采油系統的輸出功率與輸入功率的比值，它是評價機采系統用能水平的重要指標。

2.2 影響機采系統效率的因素

圖1 油機井系統效率各節點影響因素

抽油機井系統可分為地面、地下2個子系統，影響機采系統效率的因素也較多，按節點進一步細分為電機、皮帶、減速箱、四連桿、盤根盒、抽油桿、抽油泵、管柱共8個部分[3]。抽油機井系統效率各節點影響因素如圖1所示。

2.3 FMEA潛在失效模式及后果分析

通過FMEA潛在失效模式對影響因子的逐一分析（表1），嚴重度（S）、發生度（O）和探測度（D）三者數據之積（RPN）為FMEA 結果，凡RPN 值大于100的一律列為改善項[4]。

表1 提高機采系統效率過程故障模式與影響（FMEA）分析

按RPN 值高低篩選的重要因子有：平衡度、泵效、電動機功率利用率、供液能力、電動機功率因數。

3 分析階段

通過對目前現狀分析，篩選出5 個重點影響機采系統效率提高的因子，分別為不良電動機利用率、不良電動機功率因數、不良平衡度、不良泵效、不良供液能力，下步對5 個重要影響因子進行影響程度的分析驗證。

3.1 供液能力對系統效率的影響程度分析

通過回歸分析，P 值小于0.05，說明供液能力對機采系統效率的影響度顯著；其影響度達到63.4%，是非常關鍵的X，需要改善。

3.2 泵效對系統效率的影響程度分析

通過回歸分析，P 值小于0.05，說明泵效對機采系統效率的影響度顯著；其影響度達到68.9%，是非常關鍵的X，需要改善。

3.3 電動機功率利用率對系統效率的影響程度分析

通過回歸分析，P 值小于0.05，說明電動機功率利用率對機采系統效率的影響度顯著；其影響度達到20.3%，需要改善。

3.4 電機功率因數對系統效率的影響程度分析

通過回歸分析，P 值為0.033，小于0.05，說明功率因數對機采系統效率有影響；其影響度達到4.5%。

3.5 平衡度對機采系統效率的影響程度分析

通過回歸分析，P 值小于0.05，影響度為0，說明本次示范區抽油機平衡度現狀對系統效率直接影響度無顯著性。

通過分析驗證，泵效和供液能力對機采系統效率的影響最大（分別為68.9%和63.4%），其次是電動機利用率（20.3%）和電動機功率因數（4.4%），平衡度無直接影響。

4 改進階段

經討論，對系統效率影響較小的不良電動機功率因數通過電容補償，即可達到合格評價指標，因此可采取快速改善。分析階段通過對機采系統效率提高的影響因子的顯著性和貢獻率的分析，在改進階段將進一步確定影響因子X是如何影響系統效率Y的，當X達到什么值時將會使Y達到最佳；以及影響因子X 之間是否存在相互影響，并通過全因子設計實驗獲得最佳改進方案。

4.1 關鍵因子水平標定

將影響系統效率的3 個因子全部列入擬合模型[5]，按計劃矩陣做實驗，得到相應數據記錄，共設計3 個因子，每個因子有2 個水平，收集到16 組數據，以便下步進行因子的主次效應和交叉影響分析數據，標定詳見表2。

表2 提高機采系統效率影響因素的水平標定 /%

4.2 全因子效應分析

將全部因子列入擬合選定模型，“供液能力、功率利用率、泵效、泵效×功率利用率”對應的P值小于0.05，因此可以判定，這4 項效應是顯著的，其對機采系統效率的影響貢獻率為68.93%。

4.3 主因子模型解讀和最優結果

模型模擬結果顯示，當供液能力、泵效、功率利用率均為高值，示范區機采系統效率最高可達38.3%。具體如圖2所示。

4.4 新設計點對系統效率的預測響應

根據某示范區目前實際情況，供液能力短時間很難通過改善達到高水平，故在模型新設計中將供液能力設計為不改善項低水平值。泵效、功率利用率設計為改善項高水平值，實驗結果Y 為31.17%，在置信區間內，符合實驗結果，達到了提高機采系統效率的目標值30.6%。因此，將泵效和電動機功率利用率作為項目當前主要改善項，將供液能力作為長期控制改善項。

圖2 系統效率擬合立方圖

4.5 質量改進措施

針對不良泵效和不良電動機功率利用率作為項目當前主要改善項，首先項目組與示范區通過“五個結合”工作方式（即監測技術與地質、工程、注水、設備管理相結合）開展了提升措施方案對接會，共同分析測試數據，制定出地面、井筒、地下“三位一體”的改善措施安排計劃，具體見表3。

5 控制階段

5.1 關鍵因子控制

控制階段是對改善措施的固化，以保證改善措施長期有效。在此階段主要對14口井（Q28C、Q85-16、L9-6、L15、L20、L16、Q19-C2、L16-2、Q92-10、Q85-C12、Q19-10、Q88、L31-3、Q25-20）不良供液能力進行控制。①以改善注采關系為原則，強化有效注水，根據見效情況采取堵水、小泵加深、補孔、泵升級等措施，確保注采平衡，改善油井供液狀況。②根據地層供液能力確定抽油泵生產參數，然后根據生產參數確定拖動電機轉速、功率等。③強化油井日常管理，定期測試抽油機機電參數，分析系統效率存在問題并及時整改[6]，具體見表4。

5.2 改善結果

控制階段完成后，對比改善前和改善后，系統效率已超目標0.4 個百分點，Y 整體過程能力PPK由0.26提升到0.85，提升明顯。

表3 提高機采系統效率工作量安排

表4 提高供液能力控制計劃

6 結束語

通過運用精益六西格瑪方法提高抽油機井系統效率，取得了一定成效，達到了預期的目標。

1）提高抽油機井系統效率是油井管理的一項重要工作，由于影響機采系統效率的因素很多，不同的因素之間相互影響，因此在以往的工作中通過某一個或少數幾個因素對系統效率的影響進行評價，提出整改建議時存在一定的局限性。為了科學地確定多個因素的主次關系，避免主觀隨意性帶來偏差，采用精益六西格瑪方法對影響機采系統效率的眾多因素影響度進行分析驗證，找出了“供液能力、泵效、電動機功率利用率”是本次研究的主要因素，為下步重點治理指明了方向。

2）機采系統的節能是綜合意義的節能，影響系統效率的各因素之間相互制約，因此油井節能措施的實施應堅持效益第一，抓主要矛盾兼顧次要矛盾，點面結合，管理與技術措施并重，才能實現真正意義上的節能降耗。