基于TRIZ理論的壓裂配件管理模式研究

焦金龍，梁淑平，董慶魯，仇尚

中國石油大慶油田有限責任公司 試油試采分公司 （黑龍江 大慶 163412）

在石油領域，壓裂是指采油或采氣過程中，利用水力作用，使油氣層形成裂縫的一種方法。壓裂是人為地使地層產生裂縫，改善油在地下的流動環境，使油井產量增加，對改善油井井底流動條件、減緩層間和改善油層動用狀況起到重要的作用[1]。壓裂施工中地面流程一般采用耐高壓的直管、旋塞閥、三通、分流器、變扣、單流閥以及活動彎頭等，這些壓裂用的配件在使用過程中，一般都承受高達90 MPa以上的高壓，為保障施工安全，提高生產運行效率，需要對每個壓裂配件建立檔案，進行精細管理。傳統的井控高壓配件管理方法采用人工記錄單據的方式，這種方式不但費時費力，還容易造成人為錯誤或損失，而且勞動力成本高。隨著企業生產規模不斷擴大，壓裂配件的種類越來越多，傳統工作模式已經遠遠不能滿足工作的需要。因此研究出一種科技含量高、智能化、信息化的高壓配件管理方法很有必要。20世紀50年代末，根里奇·阿奇舒勒提出了TRIZ理論，該理論通過對專利文獻和自然科學知識進行研究、整理和歸納而形成的。TRIZ理論的基礎是技術系統進化的客觀規律，它既可以被認知也可用于解決發明性問題。TRIZ理論的核心是技術系統進化的原理及消除矛盾，并建立了基于知識消除矛盾的邏輯化方法，用系統化的解題流程解決特殊問題或矛盾[2-3]。

1 壓裂配件管理存在的問題

目前某石油工程技術服務單位有常用壓裂配件11種2 500多件。外形完全相似的配件眾多，需要對壓裂配件進行精細化管理，原有的管理方式已不能滿足實際工作需要，這就需要一套更加完備、先進、科學的管理方法。

管理的高壓配件中有耐高壓的直管、旋塞閥、三通、分流器、變扣、單流閥以及活動彎頭等。壓裂配件管理小隊平均每天配送、發放及回收壓裂配件約200件，由人工每日清點和手寫記錄統計配件的出入庫、使用信息等數據，該管理方式經常會出現統計信息與實際應用不符、數據疏漏錯誤、保養和報廢不及時等管理上的漏洞。所以提高井控配件的自動化、信息化管理水平顯得極其重要。當前壓裂配件管理流程如圖1所示。

當前系統存在的主要問題有以下3點：①配件種類多、數量大，各種臺賬記錄工作繁重；②每個壓裂配件建立檔案，目前人力無法實現，存在安全隱患；③配件使用地點分散，周轉頻繁，查詢信息困難。

圖1 當前壓裂配件管理流程

2 壓裂配件管理的系統分析

壓裂配件管理系統的功能：對壓裂配件進行發放、回收、使用情況統計，并根據使用情況對壓裂配件進行保養、檢測、維修、報廢等處理。壓裂配件管理系統的組成：壓裂配件、管理臺賬、管理人員、使用人員。

2.1 壓裂配件管理系統的S曲線

壓裂配件管理方式中有很多方法，由圖2可知，壓裂配件當前系統階段處于成長初期，成長空間還很大，從紙筆記賬管理到電子臺賬管理，再到未來的人工智能管理，進而實現高效管理壓裂配件，達到成熟期的期望系統。

圖2 壓裂配件管理系統的S曲線

2.2 壓裂配件管理系統的九屏圖

九屏圖法是TRIZ中典型的“系統思維”方法，即對情境進行整體考慮，不僅考慮目前的情境和探討的問題，而且還有它們在層次和時間上的位置和角色。

九屏圖法具有兩條軸線——系統層次和時間，可將發明者的視野從一個“屏幕“擴展到九個“屏幕”。從當前系統出發，時間維度為當前系統的過去，當前系統的未來，從層次維度出發，當前系統的子系統，當前系統的超系統，再拓展相應的當前系統的過去、當前系統的未來，即形成了九屏圖。在壓裂配件管理系統中，通過九屏圖法分析，可以從未來系統、未來系統的子系統和未來系統的超系統中尋求解決方案。圖3為壓裂配件管理系統的九屏圖。從九屏圖可以看出，管理臺賬及存放地點、記錄方式及工具、電子芯片、數據庫及智能機器人等部分可提供解決問題方案。

圖3 壓裂配件管理系統的九屏圖

2.3 壓裂配件管理系統的因果鏈分析

目前壓裂配件管理效率低下的原因可以從管理人員、記錄臺賬、壓裂配件數量、周轉使用頻率以及現場使用記錄數據等方面進行分析（圖4）。

圖4 壓裂配件管理系統的因果鏈

從圖4可以看出，壓裂配件管理效率低下的原因主要有：管理人員有限，無法快速地完成壓裂配件的發放及記錄工作；紙筆記錄的方式費事費力，且容易出錯；因配件無編號，對現場的使用情況無法如實記錄，增加檢測工作量。

2.4 壓裂配件管理系統的功能分析與裁剪

功能分析主要是通過功能模型來描述技術系統的結構，技術系統是一個復雜的功能集合，功能集合需要由其各個組件完成各自的功能，工藝可以改變和發展，而技術系統的基本功能是不變的。通過建立組件列表及組件模型，通過作用分析，建立結構模型和功能模型，最后建立功能裁剪模型，如圖5所示。

圖5 壓裂配件管理系統的功能分析與裁剪

通過圖5可以看出，大量的壓裂配件信息，在人員有限的情況下，工作量很大，效率很低；同時臺賬對于壓裂配件的使用信息缺乏記錄，造成后期檢測工作量的增加。

3 基于TRIZ方法解決思路

3.1 技術物理矛盾

在壓裂配件管理系統中，技術矛盾主要體現在提高壓裂配件的信息處理速度和人力成本的高低。增加管理人員數量，會提高壓裂配件信息的處理速度，但是人力成本增加；減少管理人員數量，人力成本降低，但是壓裂配件信息處理速度降低。

通過分析確定壓裂配件管理系統的矛盾參數，改善的參數為25時間損耗；惡化的參數為38自動化程度。通過查阿奇舒勒矛盾矩陣表獲得的解決方案有4種：24中介法、28系統替代法、35性能轉換法和30柔化法[3]。

3.2 物場模型分析

技術系統由許多子系統構成，組成技術系統的各個部件都能完成相應的功能，才能實現整體功能。研究技術系統存在的問題，從系統部件的子系統的功能進行分析和求解，這種方法稱為“物場分析”。如圖6所示，在目前壓裂配件管理系統中存在一個機械場，其中紙筆對于臺賬的作用是不足的，通過增加電磁場，改善原機械場的不足，形成可行性的方案。

圖6 壓裂配件管理系統的物場分析

3.3 小人模型法

小人模型法是一種極好的工具，它可以打破技術或專業術語導致的思維定勢，并可用于微觀級別分析系統。當系統內的某些組件不能完成其必要的功能，并表現出相互矛盾時，可以用一組小人來代表這些不能完成特定功能的部件。通過使用能動的小人，實現預期的功能，并根據小人模型對結構進行重新設計。

如圖7所示，在壓裂配件管理系統中，問題小人模型為壓裂配件信息需要通過臺賬傳遞到管理人員，信息傳遞環節多；解決方案小人模型中期望信息可直接到達管理人員，減少中間環節，提高信息流的速度。

圖7 壓裂配件管理系統的小人模型法

4 壓裂配件管理系統的改進方案

通過這些方法原則提出提高壓裂配件管理效率的改進方案，去重篩選，結合目前技術現狀和實際情況，制定出以下技術方案：選擇成本合理的RFID芯片技術和移動通信技術、網絡數據庫技術相結合，建立高壓配件數字化管理模式[4-5]。對常用壓裂配件安裝RFID芯片，記錄壓裂配件的基本信息；高壓配件使用者配備手持掃描機，進行信息錄入和無線上傳；在服務器上建立數據庫管理系統，對配件信息收集儲存、配件的使用情況進行動態監控和實時查詢，提高配件的管理效率及使用效率。

該管理模式應用后臺數據庫存儲配件相關信息，通過對電子標牌或鑲嵌芯片的掃描，將讀取的信息直接顯示在軟件界面，這樣可以及時了解和更新出廠信息、使用信息、保養信息、維修信息等，對需要保養的設備及時提示保養，對達到報廢標準設備及時報廢，實現智能化管理，降低了安全風險，節省大量勞動力，還提高了工作效率、有效控制成本。

目前高壓配件數字化管理已經投入使用，420個常用壓裂配件安裝了RFID芯片。在J502井、LT1井等60口井應用了安裝芯片的壓裂配件，實現了對壓裂配件單獨建檔，實時跟蹤，如圖8所示。在應用中掃描操作簡單，芯片識別準確，信息錄入齊全、方便、快捷，配件信息查詢方便、快捷，對配件的使用全過程進行動態監控及信息同步共享，大大提高了配件的管理效率，為壓裂作業施工提供了安全保障。同時，通過表1的統計數據可以看出壓裂配件管理效率提高約10倍。

圖8 壓裂配件管理系統界面

表1 新、舊模式下壓裂配件發放效率對比（按60口井計算）

5 結論

針對目前壓裂配件管理模式的缺陷，利用TRIZ理論對其進行了方案改進，通過S曲線、九屏圖、因果鏈及功能裁剪對系統進行了分析；通過技術物理矛盾、物場模型分析及小人模型法提出解決方案，通過整合篩選，結合目前技術現狀提出利用RFID芯片技術和移動通信技術、網絡數據庫技術相結合，建立高壓配件數字化管理模式。該管理模式實現了智能化管理，降低了安全風險，極大提高了高壓配件的管理信息化、自動化水平，有效控制成本。該管理模式是推進數字油田建設的一種有益嘗試和探索。