六西格玛在提高抽油机井系统效率中的应用

李云

中国石化中原油田分公司 技术监测中心（河南 濮阳 457001）

0 引言

2019 年中国石油化工股份有限公司工作会议提出了“节能减排、绿色低碳”发展战略。抽油机生产系统是中原油田主要耗能系统之一，耗电量占油田总耗电量的30%左右。抽油机井的系统效率是抽油机井能源利用水平的重要经验技术指标。对以抽油机井为主要生产方式的油田而言，实现降本增效的一个重要的途径就是提高抽油机井的系统效率。

六西格玛管理是一套系统的业务改进体系和管理模式，它通过运用多种质量工具实现对过程的改进和完善[1]。为有效提高抽油机井系统效率，采用精益六西格玛管理方法，对影响系统效率的过程和环节进行分析。通过运用过程分析、潜在失效模式分析、假设检验、实验设计等工具，进一步挖掘现有生产过程的潜力，消除不良影响，以期提升过程能力，提高机采系统效率[2]。

1 定义阶段

中原油田某采油厂采油管理区作为节能示范区，先期对机采、注水、集输系统进行了整体能效测试评价工作，机采系统耗电占78.7%、注水系统耗电占15.9%、集输系统耗电占5.3%，可看出机采系统耗电占示范区的耗电比重最大。实现机采系统效率的提升，是当前节能示范区工作的重点。

示范区目前平均系统效率为27.1%，与采油厂2010—2017年中最低平均机采系统效率相比，仍低3.5%。通过本次研究，力争将整个示范区机采系统效率提高到30.6%，达到历史平均最低水平。

2 测量阶段

2.1 机采系统效率定义

根据GB/T 33653—2017《油田生产系统能耗测试和计算方法》的定义：机采系统效率是指机械采油系统的输出功率与输入功率的比值，它是评价机采系统用能水平的重要指标。

2.2 影响机采系统效率的因素

图1 油机井系统效率各节点影响因素

抽油机井系统可分为地面、地下2个子系统，影响机采系统效率的因素也较多，按节点进一步细分为电机、皮带、减速箱、四连杆、盘根盒、抽油杆、抽油泵、管柱共8个部分[3]。抽油机井系统效率各节点影响因素如图1所示。

2.3 FMEA潜在失效模式及后果分析

通过FMEA潜在失效模式对影响因子的逐一分析（表1），严重度（S）、发生度（O）和探测度（D）三者数据之积（RPN）为FMEA 结果，凡RPN 值大于100的一律列为改善项[4]。

表1 提高机采系统效率过程故障模式与影响（FMEA）分析

按RPN 值高低筛选的重要因子有：平衡度、泵效、电动机功率利用率、供液能力、电动机功率因数。

3 分析阶段

通过对目前现状分析，筛选出5 个重点影响机采系统效率提高的因子，分别为不良电动机利用率、不良电动机功率因数、不良平衡度、不良泵效、不良供液能力，下步对5 个重要影响因子进行影响程度的分析验证。

3.1 供液能力对系统效率的影响程度分析

通过回归分析，P 值小于0.05，说明供液能力对机采系统效率的影响度显著；其影响度达到63.4%，是非常关键的X，需要改善。

3.2 泵效对系统效率的影响程度分析

通过回归分析，P 值小于0.05，说明泵效对机采系统效率的影响度显著；其影响度达到68.9%，是非常关键的X，需要改善。

3.3 电动机功率利用率对系统效率的影响程度分析

通过回归分析，P 值小于0.05，说明电动机功率利用率对机采系统效率的影响度显著；其影响度达到20.3%，需要改善。

3.4 电机功率因数对系统效率的影响程度分析

通过回归分析，P 值为0.033，小于0.05，说明功率因数对机采系统效率有影响；其影响度达到4.5%。

3.5 平衡度对机采系统效率的影响程度分析

通过回归分析，P 值小于0.05，影响度为0，说明本次示范区抽油机平衡度现状对系统效率直接影响度无显著性。

通过分析验证，泵效和供液能力对机采系统效率的影响最大（分别为68.9%和63.4%），其次是电动机利用率（20.3%）和电动机功率因数（4.4%），平衡度无直接影响。

4 改进阶段

经讨论，对系统效率影响较小的不良电动机功率因数通过电容补偿，即可达到合格评价指标，因此可采取快速改善。分析阶段通过对机采系统效率提高的影响因子的显著性和贡献率的分析，在改进阶段将进一步确定影响因子X是如何影响系统效率Y的，当X达到什么值时将会使Y达到最佳；以及影响因子X 之间是否存在相互影响，并通过全因子设计实验获得最佳改进方案。

4.1 关键因子水平标定

将影响系统效率的3 个因子全部列入拟合模型[5]，按计划矩阵做实验，得到相应数据记录，共设计3 个因子，每个因子有2 个水平，收集到16 组数据，以便下步进行因子的主次效应和交叉影响分析数据，标定详见表2。

表2 提高机采系统效率影响因素的水平标定 /%

4.2 全因子效应分析

将全部因子列入拟合选定模型，“供液能力、功率利用率、泵效、泵效×功率利用率”对应的P值小于0.05，因此可以判定，这4 项效应是显著的，其对机采系统效率的影响贡献率为68.93%。

4.3 主因子模型解读和最优结果

模型模拟结果显示，当供液能力、泵效、功率利用率均为高值，示范区机采系统效率最高可达38.3%。具体如图2所示。

4.4 新设计点对系统效率的预测响应

根据某示范区目前实际情况，供液能力短时间很难通过改善达到高水平，故在模型新设计中将供液能力设计为不改善项低水平值。泵效、功率利用率设计为改善项高水平值，实验结果Y 为31.17%，在置信区间内，符合实验结果，达到了提高机采系统效率的目标值30.6%。因此，将泵效和电动机功率利用率作为项目当前主要改善项，将供液能力作为长期控制改善项。

图2 系统效率拟合立方图

4.5 质量改进措施

针对不良泵效和不良电动机功率利用率作为项目当前主要改善项，首先项目组与示范区通过“五个结合”工作方式（即监测技术与地质、工程、注水、设备管理相结合）开展了提升措施方案对接会，共同分析测试数据，制定出地面、井筒、地下“三位一体”的改善措施安排计划，具体见表3。

5 控制阶段

5.1 关键因子控制

控制阶段是对改善措施的固化，以保证改善措施长期有效。在此阶段主要对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）不良供液能力进行控制。①以改善注采关系为原则，强化有效注水，根据见效情况采取堵水、小泵加深、补孔、泵升级等措施，确保注采平衡，改善油井供液状况。②根据地层供液能力确定抽油泵生产参数，然后根据生产参数确定拖动电机转速、功率等。③强化油井日常管理，定期测试抽油机机电参数，分析系统效率存在问题并及时整改[6]，具体见表4。

5.2 改善结果

控制阶段完成后，对比改善前和改善后，系统效率已超目标0.4 个百分点，Y 整体过程能力PPK由0.26提升到0.85，提升明显。

表3 提高机采系统效率工作量安排

表4 提高供液能力控制计划

6 结束语

通过运用精益六西格玛方法提高抽油机井系统效率，取得了一定成效，达到了预期的目标。

1）提高抽油机井系统效率是油井管理的一项重要工作，由于影响机采系统效率的因素很多，不同的因素之间相互影响，因此在以往的工作中通过某一个或少数几个因素对系统效率的影响进行评价，提出整改建议时存在一定的局限性。为了科学地确定多个因素的主次关系，避免主观随意性带来偏差，采用精益六西格玛方法对影响机采系统效率的众多因素影响度进行分析验证，找出了“供液能力、泵效、电动机功率利用率”是本次研究的主要因素，为下步重点治理指明了方向。

2）机采系统的节能是综合意义的节能，影响系统效率的各因素之间相互制约，因此油井节能措施的实施应坚持效益第一，抓主要矛盾兼顾次要矛盾，点面结合，管理与技术措施并重，才能实现真正意义上的节能降耗。