井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性研究與應(yīng)用

張鵬

中國石油大慶油田有限責任公司 測試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江 大慶 163513）

依據(jù)API油管、套管規(guī)格及尺寸計算，目前油田產(chǎn)出剖面抽油機井過環(huán)空測井的[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，長度1.5 m的集流式儀器。過環(huán)空產(chǎn)出剖面測井[3-5]的遇阻率[6]高達65%，主要原因為環(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，間接縮短儀器串長度，降低遇阻率。目前使用橡膠軟連接強度低、易斷裂，因此研制具備剛性和柔性特點的新型柔性短接對降低過環(huán)空產(chǎn)出剖測井遇阻率具有重要的實際意義。從2014年12月起，由質(zhì)量和技術(shù)專家組成團隊，采用質(zhì)量可靠性設(shè)計技術(shù)[9-10]和SolidWorks計算機軟件模擬技術(shù)，針對油氣田產(chǎn)出井測試使用的小直徑測井儀器長度成倍增加導致的過環(huán)空測試儀器無法下井的難題，研究設(shè)計了一種新型井下儀器柔性短接，變相縮短小直徑測井儀器的長度，以達到進一步降低儀器測試遇阻率的效果。

1 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性研究

經(jīng)過專家團隊討論，重點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，達到井下儀器柔性短接理想設(shè)計指標，井下儀器柔性短接既是剛性的也是柔性的，關(guān)鍵指標抗拉強度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：專家團隊使用全面質(zhì)量管理工具頭腦風暴分析法，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)計成卡扣式蛇形柔性管，對柔性管的切縫（寬度）、材料、形態(tài)、厚度等4個影響因子，優(yōu)化排列組合，找到最佳實驗組合，并加工成型。井下柔性短接以蛇形狀割縫式短接基礎(chǔ)配以密封傳導接頭，依據(jù)評分分配法優(yōu)化井下儀器柔性短接各設(shè)計單元可靠性合理分配值，確定質(zhì)量可靠性薄弱指標；通過可靠性初步設(shè)計與SolidWorks三維模擬，找到影響顯著的組合因子；質(zhì)量正交試驗設(shè)計以抗拉強度、彎度作為井下儀器柔性短接的關(guān)鍵指標，通過分析水平和、極差、標準差、貢獻率確定井下儀器柔性短接各單元最佳組合實驗因子，并與初步設(shè)計及模擬實驗的組合因子相互驗證；通過井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性的實踐結(jié)果驗證井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性薄弱指標是否提高，是否達到質(zhì)量可靠性設(shè)計要求。

準則：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)計指標

井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性數(shù)據(jù)缺乏，聘請質(zhì)量和安全專家團隊，通過評分分配法，分配可靠性指標。采用串聯(lián)模型。井下儀器柔性短接系統(tǒng)可靠性指標MTBF要求為600 h，系統(tǒng)可靠度要求為0.90，月工作時間為60 h，請10位專家對井下儀器柔性短接影響因素評分后，見表1。

表1 井下儀器柔性短接可靠性指標分配

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，復雜程度最簡單、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單，目前井下儀器普遍使用的17-4無縫鋼管（1Cr18Ni9Ti），厚度均可以滿足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)計的關(guān)鍵點，需要改進。

2 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性初步設(shè)計與模擬實驗

通過分析，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)計學，每個因子選取3個水平數(shù)（表2），選擇L9（34）。

表2 L9（34）正交試驗設(shè)計因子水平

根據(jù)表3中每一組實驗組合，利用SolidWorks對井下儀器柔性短接進行下井狀態(tài)模擬，如圖1所示。經(jīng)過9組實驗后“，A2B3C1”實驗組合因子的井下儀器柔性短接的抗拉強度為2.989 t，近似等于設(shè)定抗拉強度3.2 t，井下儀器柔性短接的彎度為11.889°，近似12°，說明“A2B3C1”組合因子影響顯著。

圖1 SolidWorks對井下儀器柔性短接進行下井狀態(tài)模擬試驗效果圖

表3 井下儀器柔性短接影響因子與水平模擬實驗結(jié)果

3 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性詳細設(shè)計與驗證實驗

利用標準正交表進行詳細實驗設(shè)計，抗拉強度見表4，彎度見表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個水平因子；第4列是由人員引起誤差。比較每個因子，第6行因子A取水平二號，即切縫寬度0.4 mm；因子B取水平三號，因此對硬度33～38HRC的17-4無縫鋼管進行熱處理：①固溶處理，1 020～1 060℃快冷；②550℃時效，540～560℃空冷，提高抗拉強度；因子C取水平一號，即兩圓外切圓形卡扣形態(tài)（圓半徑5.5 mm），使指標達到最佳條件“A2B3C1”，與SolidWorks對井下儀器柔性短接流體動態(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驗與正交試驗的最佳實驗條件結(jié)果比較理想。依據(jù)表4比較分析抗拉強度各個因子實驗結(jié)果的極差R，可知各因子對指標影響的程度為RA＞RB＞RC，RA值最大，即切縫寬度對井下儀器柔性短接抗拉強度指標的影響較大。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)計為0.4 mm。其次是材料影響柔性短接的抗拉強度，水平一材料是17-4無縫鋼管；水平二材料是304無縫鋼管；水平三材料是熱處理的17-4無縫鋼管。其中進行熱處理的17-4無縫鋼管抗拉強度最大，故材料選取熱處理的17-4無縫鋼管。依據(jù)表5比較分析彎度各個因子實驗結(jié)果的極差R，可知各因子對指標影響的程度為RA＞RC＞RB，RA值最大，即切縫寬度對井下儀器柔性短接彎度指標的影響較大，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驗數(shù)據(jù)（抗拉強度）分析

表5 井下儀器柔性短接影響因子與水平實驗數(shù)據(jù)（彎度）分析

3.2 因子的貢獻率分析

通過比較各因子的“貢獻率”，抗拉強度因子的貢獻率見表6，彎度因子貢獻率見表7。由表6中可知，因子A引起的抗拉強度數(shù)據(jù)波動在總平方和中占了90.11%，其次是因子B，影響最小的是因子C，引起的數(shù)據(jù)波動極小，說明井下儀器柔性短接的切縫，即因子A對抗拉強度的貢獻率最大，對整個井下儀器柔性短接的抗拉強度實驗結(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。說明井下儀器柔性短接的切縫對整個井下儀器柔性短接的彎度實驗結(jié)果影響顯著。通過對井下儀器柔性短接正交試驗數(shù)據(jù)分析可知，井下儀器柔性短接按最佳實驗組合因子“A2B3C1”進行生產(chǎn)加工制作。

表6 井下儀器柔性短接抗拉強度影響因子的貢獻率對比

表7 井下儀器柔性短接彎度影響因子的貢獻率對比

4 井下儀器柔性短接質(zhì)量可靠性的實踐效果

4.1 井下儀器柔性短接下井實踐效果

選取10支的產(chǎn)出剖面測井儀器進行下井試驗，產(chǎn)出剖面測井儀器進行起下井速度上限設(shè)定為2 000 m/h，儀絞車最大提升力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，在大港油田采油三廠和大慶油田采油五廠累計應(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損，相比于橡膠軟連（圖2），抗拉強度達到3.2 t。儀器遇阻率由65%降低到30%，測井成功率提高了50%，降低了勞動強度，創(chuàng)經(jīng)濟效益285萬元。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、儀器串過長下入比較困難的問題，但井下儀器柔性短接不能解決結(jié)蠟、死油導致的儀器遇阻。

圖2 橡膠軟連接與剛性軟連接對比

4.2 井下儀器柔性短接可靠性實踐效果

2022年7 月，請10位質(zhì)量和安全專家對井下儀器柔性短接可靠性效果進行再評價。由表1可知，設(shè)定井下儀器柔性短接系統(tǒng)可靠性指標MTBF達到1 000 h，系統(tǒng)可靠度為0.90，月工作時間應(yīng)維持在70 h，重新計算可靠性（表8）。

表8 井下儀器柔性短接應(yīng)用可靠性指標分配對比

從表8看出，柔性短接切縫的可靠度為0.975，較設(shè)計可靠度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)計可靠度0.970（表1）提高了0.011。說明影響柔性短接抗拉強度的兩個最重要影響因子是切縫和材料，影響柔性短接彎度的兩個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)用可靠性達到設(shè)計可靠性要求。

5 結(jié)論

1）可靠性評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，為改進設(shè)計提供了可靠依據(jù)。

2）SolidWorks模擬和正交試驗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踐表明，柔性短重要指標—抗拉強度和彎度的重要影響因子的應(yīng)用可靠度對比設(shè)計可靠度都有所提高。