提高水力射流泵井筒排液成功率QC.docx
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提高水力射流泵井筒排液成功率QC
提高水力射流泵井筒排液成功率
目录
前言1
一、小组概况2
二、选题理由3
三、设定目标4
四、目标可行性分析4
五、原因分析7
六、确定主要原因8
七、制定对策20
八、实施对策21
九、效果检查29
十、制定巩固措施32
十一、总结和下一步打算32
前言
水力射流泵简介:
水力射流泵是一种通过高压动力液举升地层液的井筒排液设备。
该设备具有结构简单、无运动部件、运行可靠等特点,并且在海上油田排液求产以及酸化后排酸中可实现与其他工序的联作,快速排液,降低地层二次污染。
下图为水力射流泵排液施工工艺流程图(见图1)。
1.下入工作筒
2.井口投入泵芯
4.排出液分离计量
3.泵注动力液排液
图1水力射流泵排液施工工艺原理图
制图人:
一、小组概况
1、小组活动情况简介:
(见表1)
表1小组活动情况简介表
小组名称
注册编号
课题名称
提高水力射流泵井筒排液成功率
成立时间
注册时间
活动次数
课题类型
现场型
活动时间
活动方式
集中与分散相结合
出勤率
获奖情况
制表人:
刘
2、小组成员简介:
(见表2)
表2小组成员简介表
序号
姓名
年龄
性别
学历
职称
组内分工
制表人:
二、选题理由
水力射流泵井筒排液一次成功率≥85%
方针目标
表32012年水力射流泵井筒排液成功率统计表
时间
(月)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
平均
成功率(%)
80
75
90
75
67
100
80
50
75
75
90
90
79
现场情况
制表人:
2012年水力射流泵井筒排液成功率为79%
运行情况
图22012年水力射流泵井筒排液成功率折线图
制图人:
造成影响
水力射流泵井筒排液成功率低导致施工周期延长、劳动强度增加,2012年海上水力射流泵排液62次,其中13井次发生故障,作业成本增加115万
确定课题
提高水力射流泵井筒排液成功率
三、设定目标
通过本次活动,结合现场施工情况,使海上水力射流泵排液的井筒排液成功率由原来的79%提高到85%(见图3)。
现状活动目标
图3小组活动目标柱状示意图
制图人:
四、目标可行性分析
《采油技术手册(第三版)》上册中规定射流泵用于井筒排液时,连续工作时间应≥150小时,方能将井筒及近井地带的污液排净,取得地层实际的产液结果,实现成功的井筒排液。
根据这一要求,小组成员查阅2012年度《海上射流泵施工故障井台帐》、《质量分析台账》,调查分析了射流泵排液过程的问题,绘制了2012年导致射流泵井筒排液成功率低问题的调查表(见表4)。
表42012年海上射流泵井筒排液成功率低问题调查表
序号
井号
连续排液时间
施工内容
存在故障
问题类型
1
埕北25B-5
51h
酸化后排酸
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
2
CDX-55i
86h
排液求产
泵效低停泵
泵芯密封件损坏
3
CDX-25P
93h
排液求产
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
4
埕北古7-1
45h
酸压后排酸
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
5
青东23
45h
排液求产
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
6
CDX-56P
56h
排液求产
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
7
CDX-18P
77h
排液求产
泵效低停泵
泵芯密封件损坏
8
埕北1B-4
85h
酸化后排酸
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
9
埕北11NB-12
78h
酸化后排酸
无出液停机
地面泵操作失误
10
KD403
29h
酸化后排酸
泵压超限停机
动力液堵塞泵芯
11
埕北4C-1
35h
酸化后排酸
泵压超限停机
射流泵喉管结垢
12
埕北1B-5
76h
酸化后排酸
不出液
管柱刺漏
13
埕北22C-5
90h
酸化后排酸
泵压超限停机
动力液堵塞泵芯
调查人:
数据来源:
质量分析台账
制表人:
根据表4,小组成员做出射流泵井筒排液成功率低问题统计表(见表5)。
表5射流泵施工成功率低问题统计表
序号
问题类型
频数
(次)
累计频数
(次)
频率
(%)
累计频率
(%)
1
射流泵喉管结垢
7
7
53.8
53.8
2
泵芯密封件损坏
2
9
15.4
69.2
3
动力液堵塞泵芯
2
11
15.4
84.6
4
地面泵操作失误
1
12
7.7
92.3
5
管柱刺漏
1
13
7.7
100
统计人:
根据统计表,小组成员绘制了海上水力射流泵井筒排液成功率低问题的饼分图(见图4)。
图4水力射流泵井筒排液成功率低的问题饼分图
制图人:
由饼分图可看出,影响海上水力射流泵井筒排液成功率低的主要问题是:
射流泵喉管结垢。
历史借鉴:
在《2012年射流泵排液成功率折线图》中,我们可以看出:
3、6、11、12月份的射流泵排液成功率在目标范围内,说明目标值是可行的。
综上分析:
通过努力,小组活动目标实现是可行的。
五、原因分析
小组成员针对水力射流泵喉管结垢这一主要问题进行分析,绘制关联图(见图5)。
操作人员培训不达标
喷嘴内径小
喷嘴喉管尺寸不匹配
气蚀效益
动力液湍流
喉管内
径大
理论差
摩阻高
流速变化大
操作不当
密封件差
颗粒携带差
形成的负压值低
射流泵喉管结垢
动力液与地层液配伍性差
检测不准确
刺漏
喉管内部结晶
流速降低
离子反应
入库把关不合格
泵体装配不合格
零件配合差
堵塞器不到位
因素:
主要问题:
要因:
图5水力射流泵排液中喉管结垢现象的影响因素关联图
制图人:
分析人:
、
庞兴河、
六、确定主要原因
从关联图中可以看出造成射流泵喉管结垢的末端因素有5项,分别为:
操作人员培训不达标、动力液与地层液配伍性差、入库把关不合格、泵体装配不合格、喷嘴喉管尺寸不匹配。
小组成员根据原因分析的5个末端因素制定了《要因确认表》(见表6)。
表6要因确认表
序号
末端因素
验证方法
判断依据
验证人
地点
日期
1
操作人员培训不达标
调查分析现场考核
考核操作人员能否按照设备操作规程正确操作
会议室、井场
2
动力液与地层液配伍性差
室内实验现场分析
动力液与地层液配伍性是否达标
实验室、井场
3
入库把关不合格
调查分析现场抽检
考核射流泵配件入库合格率是否达标
资料室、工房
4
泵体装配不合格
调查分析现场试压
考核装配后的泵体试压是否达标
资料室、工房
5
喷嘴喉管尺寸不匹配
现场实验模拟验证
考核喷嘴喉管尺寸不匹配是否削弱液流对结晶颗粒的携带
码头、会议室
制图人:
小组成员针对影响射流泵喉管结垢的5个末端因素,逐一进行了分析验证。
要因验证1:
操作人员培训不达标
验证方法:
调查分析、现场考核验证地点:
会议室、井场
验证时间:
验证人:
判定依据:
考核操作人员能否按照设备操作规程正确操作
验证过程:
小组成员查阅《2012年操作人员培训记录》,共培训24次,协同管理人员对8位操作人员进行考试(见图6),成绩见表7。
人员证件
实操考试
操作人员在考试
图6检验员证件、现场考核图
制图人:
表7考试成绩分数段统计表
姓名
尤春光
张胜斌
单喜珍
丁健
张卫东
钟佳金
张传东
崔强
理论
95
82
91
85
79
92
83
83
操作
96
91
94
80
92
81
85
82
制表人:
人员持证上岗,并且理论、操作考试全部合格。
因此,操作人员培训不达标对射流泵喉管结垢问题影响为非要因。
验证结果:
非要因。
要因验证2:
动力液与地层液配伍性差
验证方法:
室内实验、现场分析验证地点:
实验室、井场
验证时间:
验证人:
判定依据:
动力液与地层液配伍性是否达标
验证过程:
胶圈碳化变脆
鉴于海上施工用水量大,海水便于取材,所以常采用过滤海水作为动力液。
小组成员查阅了《渤海湾水质水文统计表》,对渤海湾水质水文进行分析的基础上,小组成员绘制了渤海水质分类情况表,见表8。
表8渤海水质分类情况表
序号
分类
海水中的离子及物质
1
可被过滤分离
藻类、粘土颗粒、浮游生物
2
无法过滤分离
Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Al3+、Li+等80余种离子
制表人:
由表8可知,海水中存在包括Ca2+、Na+、K+、Mg2+、Al3+、Li+等80余种离子,而经过粗滤、精滤处理后的过滤海水仍无法处理掉这些离子。
为验证这些离子的存在是否会导致动力液与地层液配伍性不达标,进而造成喉管结垢,小组成员通过外协的方式采用过滤海水、水源井水两种样本分别与地层产液进行了室内实验验证,见图9。
图7模拟实验验证
制图人:
实验中,采用传感器控制系统温度、压力,注入泵注入动力液,通过称重喉管的方法确定内部是否有结垢产生。
小组成员对实验后三个喉管样本进行称重,重量统计表见表9。
表9模拟喉管重量统计表
序号
种类
重量(g)
结果
1
未经实验喉管
53
无结垢
2
水源井水喉管
53
无结垢
3
过滤海水喉管
55
有结垢
制表人:
由表可知,过滤海水动力液与地层液混合发生结垢,二者配伍性不达标。
因此,动力液与地层液配伍性差对射流泵喉管结垢问题影响为要因。
验证结果:
要因
要因验证3:
入库把关不合格
验证方法:
调查分析、现场抽检验证地点:
资料室、工房
验证时间:
验证人:
判定依据:
考核射流泵配件入库合格率是否达标
验证过程:
小组成员跟踪检查射流泵配件入库的过程:
射流泵配件入库时库管负责人检查配件的合格证,并依据加工图纸逐件检验,填写入库检验登记表,做到不合格的配件不入库,严把质量关。
(见图8)
配件检验
配件图纸
入库登记
配件入库
图8射流泵配件加工、检验过程图
制图人:
2012年共入库配件79件,详见《2012年入库配件检验台账》(表10)。
表10入库配件检验台账
年度
数量(件)
不合格(件)
合格率(%)
2012
79
0
100
制表人:
小组成员现场随机抽取已入库的射流泵配件,按照《射流泵操作使用说明书》进行了现场检验(见图9)。
检验
抽取
图9射流泵配件抽检过程图
制图人:
根据检验结果,现场绘制射流泵配件抽检记录统计表(见表11)。
表11现场射流泵配件抽检记录
序号
图号
配件名称
合格
(件)
不合格
(件)
合格率
(%)
检验人
1
JP-51-01
筒体
3
0
100
2
JP-51-02
打捞接头
5
0
100
3
JP-51-03
喷嘴
12
0
100
4
JP-51-04
喉管
12
0
100
5
JP-51-05
扩散管
12
0
100
6
JP-51-06
托砂皮碗
15
0
100
7
JP-51-07
滑套
5
0
100
8
JP-51-08
堵塞器
3
0
100
9
JP-51-09
压力计托筒
3
0
100
制表人:
抽检入库的射流泵配件全部合格,因此,入库把关不合格对射流泵喉管结垢问题影响为非要因。
验证结果:
非要因
要因验证4:
泵体装配不合格
验证方法:
调查分析、现场试压验证地点:
资料室、工房
验证时间:
验证人:
判定依据:
考核装配后的泵体试压是否达标
验证过程:
小组成员查阅了《2012年射流泵工作筒组装及地面实验台账》(见表12)。
表122012年射流泵泵体组装及地面实验统计台账
年度
组装(批)
试压(次)
不合格(次)
合格率(%)
2012
70
70
0
100
制表人:
射流泵是由工作筒和泵芯两部分配合完成工作的。
因此,小组成员分别进行了泵芯的装配试压(见图10)和泵工作筒的装配试压(见图12)。
装配
试压
图10射流泵泵芯装配、试压图
制图人:
射流泵芯装配完成后,按照《井下作业与试油技术实用手册》试压35MPa,稳压15min,压降<0.5MPa,试压为合格。
试压合格后出具合格证,建立试压合格台账(见图11)。
建立台账
试压、稳压
图11射流泵泵芯试压过程
制图人:
对射流泵施工影响较大的主泵工作筒关键部件,进行抽检试压(见图12)。
射流泵主工作筒
图12射流泵工作筒关键部件的抽检试压图
制图人:
整理射流泵现场抽检试压记录(见表13)。
表13现场抽检试压记录
序号
名称
压力(MPa)
稳压(min)
压降(MPa)
结果
检验人
1
主工作筒
35
15
0.1
合格
制表人:
抽检测试全部合格,严格的措施保证射流泵及配件完好率为100%。
因此,泵筒装配不合格对射流泵喉管结垢问题影响为非要因。
验证结果:
非要因
要因验证5:
喷嘴喉管尺寸不匹配
验证方法:
现场实验、模拟验证验证地点:
码头、会议室
验证时间:
验证人:
判定依据:
喷嘴喉管尺寸不匹配是否削弱液流对结晶颗粒的携带
验证过程:
首先对水力射流泵的工作过程进行分析,结合经典理论力学理论,定性分析射流泵内部结构尺寸对排液的影响,然后通过数值模拟和现场实验相结合的办法确定喷嘴喉管尺寸不匹配是否导致喉管结垢。
小组成员针对射流泵喉管结垢问题,分析射流泵排液全过程,见图13:
图13水力射流泵工作原理示意图
制图人:
地面柱塞泵从油管正注动力液,动力液在喷嘴处节流,由质量守恒定律可知,流量不变的前提下,截面积减小,则流速增加。
再根据理想流体伯努利方程
(1),
…………………………………
(1)
式
(1)中:
z-位置水头(m),v-液流速度(m/s),g-重力加速度(m/s2),ρ-液体密度,p-液体压力(Pa),C-常数。
由于水力射流泵下至设计深度之后不变,故z为定值,在液体密度不发生改变的前提下,速度增加,则压力降低。
在喷嘴处压力骤降,形成“负压”。
地层液被吸入“负压”区,与动力液混合,最后经过扩散管将速度能转化为压力水头,经油套环空被举升至地面。
从以上分析过程可以看出,射流泵喷嘴喉管的尺寸不匹配直接导致液流速度和流态的变化,而流速流态的变化直接影响液流对结晶颗粒的携带作用。
为了验证这一结论,小组成员分别进行了数值模拟和现场实验。
1、数值模拟
小组成员经过分析讨论,决定使用Fluent流体动力学软件对喷嘴喉管内流体流动建模进行软件模拟,验证分析的结果。
模拟求解步骤如下:
a、计算雷诺数Re,判断喉管内流体形态。
…………………………………(式2)
式中:
Re-雷诺数,η-流体黏性系数(N·s·m-2),ρ-流体密度(kg/m3)
ν-流体的流速(m/s),ι-管道直径(m)。
根据动力液的最小、最大排量带入式2中计算,求出:
3.27×105>Re>1.3×104»2300,可知管内流体形态为湍流。
b、依据湍流形态,建立如图所示模型(见图14)。
图14流体模型图图15初始条件的设定
制图人:
c、定义求解器(数值格式、收敛控制),求解并监控(见图15)。
同时为了设置初始条件,根据表4《2012年水力射流泵施工井下成功率低问题统计表》小组成员查埕北古7-1井施工报表,将施工参数录入。
模拟的结果(见图16):
从图中可以看出,沿流体流动的方向,喉管壁出现了表征流动性降低的流动涡旋,说明喉管壁可能存在结垢物。
沿喉管方向出现流体流动性的变化
图16喉管壁流体流态模拟图
制图人:
2、现场实验
为进一步证实数值模拟的结果,小组成员进行了现场实验验证。
由于结垢发生在喉管内,因此小组成员决定选用喉管内径作为验证点,调整喉管内径大小进行排液实验。
实验采用的设备详单见表14。
表14水力射流泵地面实验设备用具统计表
序号
名称
型号
数量
备注
1
三缸柱塞泵
PSSA-116
1台
2
动力液罐
20m3
1个
3
软胶管
Φ50,35MPa
2根
4
模拟地层液罐
2m3
1个
5
射流泵芯
1号泵芯
1个
喉管内径4.8mm
2号泵芯
1个
喉管内径5.2mm
6
量油尺
20m
1把
7
秒表
506型
2个
制表人:
实验方法:
实验装置及工艺流程示意图见图17。
连接管路,启动三缸泵,动力液经三缸泵加压泵注入射流泵内,射流泵的吸入管线连接在模拟地层液罐底部出水口,通过三缸泵显示器读取泵压、动力液排量,通过量油尺和秒表测取模拟地层液的吸入速率。
射流泵芯地面实验
图17两种喉管下分别进行实验的过程
制表人:
实验中控制泵压8MPa,动力液排量12L/min,经过计算,得出内径4.8mm和5.2mm时喉管壁的液流速度,同时,小组成员查阅了《胶体与界面化学》得到硫酸钙晶体颗粒在水中的沉降速度为0.05m/s,查阅《粉体工程》可知,流体能够携带自由状态固体颗粒的条件是流速大于颗粒在该流体中沉降速度的2倍。
根据以上分析,小组成员对相关参数进行计算,并绘制了两种喉管内径尺寸下液流对颗粒携带的对比关系表,见表15。
表15两种喉管内径尺寸下液流对颗粒携带的对比关系表
序号
喉管内径尺寸(mm)
最大速度umax(m/s)
流态
喉管壁流速
计算公式
喉管壁流速速度u(m/s)
水中自由沉降速度v(m/s)
是否满足u>2v
1
4.8
11
紊流
0.12
0.05
满足
2
5.2
9.4
层流
0.08
不满足
制表人:
由以上分析可知,喉管内径增加之后,导致液流速度降低,喉管壁的流体速度不满足大于2倍沉降速度的颗粒携带要求,无法将吸附在喉管壁的结垢颗粒携带出,因此,内部结构尺寸不匹配削弱了液流对晶体颗粒的携带作用,进而导致喉管内结垢。
因此,综合数值模拟和现场实验验证情况发现,喷嘴喉管尺寸不匹配对射流泵喉管结垢问题影响为要因。
验证结果:
要因
结论:
综上所述,造成射流泵喉管结垢的主要原因是:
动力液与地层液配伍性差和喷嘴喉管尺寸不匹配。
七、制定对策
根据验证结果确定的要因,小组成员经过认真分析讨论,对相应对策进行了可行性分析,并制定了详细的对策方案。
1、“动力液与地层液配伍性差”对策方案的可行性分析(见表16)。
表16“动力液与地层液配伍性差”对策方案可行性分析表
序号
对策
措施
分析对比
结论
1
海水动力液中加入化学防垢剂
进行配伍性实验,化学防垢剂筛选评价,并确定浓度
优点:
成本低,易实施
采用
缺点:
无
2
更换清洁动力液
采用船舶向施工井输运清洁无污染的水源井水做动力液
优点:
清洁,无敏感反应
不采用
缺点:
成本过高、耗时
制表人:
2、“喷嘴喉管尺寸不匹配”对策方案的可行性分析(见表17)。
表17“喷嘴喉管尺寸不匹配”对策方案可行性分析表
序号
对策
措施
分析对比
结论
1
改变喉管内径
改变喉管内径,匹配喷嘴、喉管、扩散管的参数,达到优化效果
优点:
简单易行
不采用
缺点:
效果不理想
2
重新设计泵芯内部结构
射流泵芯内部结构尺寸的设计,喉嘴距实验优化,确定材质,设计图纸加工装配
优点:
效果好
采用
缺点:
工作量大,考虑项点多
制表人:
针对以上对策方案的筛选,进行综合分析后,我们制定了要因对策措施表(见表18)。
序号
要因
对策
目标
措施
实施地点
责任人
时间
1
动力液与地层液配伍性差
海水动力液中加入化学防垢剂
筛选出防止喉管结垢的防垢药剂
1、进行药剂配伍性实验,优选化学防垢剂。
2、确定浓度。
实验室
工房
2
喷嘴喉管尺寸不匹配
重新设计泵芯内部结构
使泵芯连续工作≥150小时不结垢
1.射流泵芯内部结构尺寸的设计
2、优选材质
3.喉嘴距实验优化
4.设计图纸加工装配
办公室
工房
表18对策措施表
制表人:
八、实施对策
实施一:
海水动力液中加入化学防垢剂
小组成员调研国内外井下防垢剂产品性能,通过厂家给出的防垢剂类型及成分对比,筛选了三种离子型防垢剂分别为SA1320C、BHF-02、BHF-06。
小组成员查阅厂家提供的产品说明书,从经济性、环保性、耐温性、耐压性四个方面对药剂参数性能进行了对比,做出了三种防垢剂参数性能对比表(见表19)。
表19三种防垢剂参数性能对比表
序号
防垢剂
经济性
环保性
耐温性
耐压性
1
SA1320C
3万/立方
有毒
140℃
70MPa
2
BHF-02
2万/立方
无毒
200℃
70MPa
3
BHF-06
2.5万/立方
无毒
130℃
35MPa
综合性能:
BHF-02>BHF-06>SA1320C(环保性,经济性、耐温性、耐压性排序)
制表人:
同时,在实验室内,对三种防垢剂的防垢效果在室内分别进行了实验评价,见图18。
防垢剂筛选评价
实验中
实验准备
图18药剂评价实验
制图人:
三种防垢剂分别在浓度为5mg/L、50mg/L、200mg/L、1000mg/L、5000mg/L下进行筛选评价,筛选情况见表20。
表20三种防垢剂配伍性筛选结果对比表
防垢剂类型
判断标准
反应时间(h)
防垢剂浓度(mg/L)
5
50
200
1000
5000
SA1320C
是否沉淀
0
无
无
无
无
无
24
无
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