基于TRIZ理論的充氣管排水采氣實(shí)驗(yàn)臺創(chuàng)新設(shè)計(jì)

牛志巍NIU Zhi-wei；劉融LIU Rong；李治淼LI Zhi-miao

（①中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；②東北石油大學(xué)，大慶 163318）

0 引言

隨著天然氣的開發(fā)進(jìn)入到中后期，氣藏的壓力和流動速度顯著降低，導(dǎo)致氣藏不能隨天然氣從井筒中帶出水和凝析液，使其滯留在井中，出現(xiàn)“氣井積液”現(xiàn)象[1]。持續(xù)出現(xiàn)這種情況，會導(dǎo)致井筒中持續(xù)聚集液柱，最終會將氣壓死，造成氣井停產(chǎn)。目前針對這種現(xiàn)象，普遍采用常規(guī)的排水采氣工藝，但常規(guī)工藝存在間歇式開采、工藝復(fù)雜等問題，不僅效率低，而且需要附加地面設(shè)備，提高了開采成本[2]。

在天然氣開采中，模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是進(jìn)行多種工具及工藝研究必不可少的實(shí)驗(yàn)手段，有關(guān)排水采氣試驗(yàn)臺的研究，中石化公司西南油氣分公司于2009年設(shè)計(jì)出了模擬不同氣井井身結(jié)構(gòu)的定向井泡沫排水井筒模擬實(shí)驗(yàn)裝置[3]；中石油川慶鉆探工程有限公司于2012年設(shè)計(jì)出了用于模擬定向井井下流態(tài)的全可視化定向井氣液流態(tài)井筒模擬實(shí)驗(yàn)裝置[4]。排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要在于在試驗(yàn)過程中對實(shí)驗(yàn)裝置的反復(fù)拆卸和對井筒定向角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為此多年以來人們一直希望能夠設(shè)計(jì)出便于反復(fù)拆卸、井筒定向角度的排水采氣實(shí)驗(yàn)臺。

1 TRIZ理論概述

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文縮寫，由前蘇聯(lián)專家阿奇舒勒領(lǐng)導(dǎo)的研究機(jī)構(gòu)，在分析了世界上近250萬件高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則形成的理論體系[5]。

TRIZ理論體系采用辯證法、系統(tǒng)論和認(rèn)識論作為哲學(xué)指導(dǎo)，再根據(jù)自然科學(xué)、思維科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的分析和研究成果，以技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則為理論基礎(chǔ)和核心思想，涵蓋了用于解決工程矛盾和復(fù)雜發(fā)明問題所需要的分析方法、算法流程和解題工具。利用TRIZ理論，可以解決以技術(shù)沖突和物理矛盾為特征的復(fù)雜發(fā)明問題，結(jié)合系統(tǒng)化的解決問題流程，使設(shè)計(jì)人員得到行之有效的解決方案[6]。

本文先對產(chǎn)品進(jìn)行初始形勢分析，確定技術(shù)矛盾與物理矛盾，再運(yùn)用解決矛盾的發(fā)明原理與分離方法，對排水采氣實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的進(jìn)化階段分析

通過專利數(shù)量和S曲線可以對產(chǎn)品的技術(shù)成熟度做出預(yù)測，這種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域技術(shù)的趨勢預(yù)測中[7]。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化階段的S曲線，結(jié)合現(xiàn)有排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的專利數(shù)量，不難判斷出排水采氣實(shí)驗(yàn)臺目前的發(fā)展處在成長期。Mann D.認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)化到一定階段時面臨的主要問題是解決矛盾，對應(yīng)的主要工具是矛盾矩陣和發(fā)明原理[8]。（圖1）

圖1 系統(tǒng)進(jìn)化階段曲線

2.2 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的技術(shù)矛盾分析

所謂技術(shù)矛盾，是指系統(tǒng)中的某個作用，同時產(chǎn)生對設(shè)計(jì)目的有利、有害的兩種影響[9]。

從功能上來看，排水采氣實(shí)驗(yàn)臺是用來模擬氣井開采工藝研究的重要手段，起到為真實(shí)氣井開采提供參考依據(jù)的作用。但搭建實(shí)驗(yàn)臺的成本偏高，我們希望可以用同一套實(shí)驗(yàn)臺模擬不同井深、不同定向角度的水平井工況。

針對目前存在的問題，為確定當(dāng)前系統(tǒng)的技術(shù)矛盾，需對系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，得到的因果鏈如圖2所示。

圖2 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺因果鏈分析圖

根據(jù)因果鏈分析可以得到當(dāng)前系統(tǒng)的技術(shù)矛盾為：

①實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)為剛性結(jié)構(gòu)，又需要柔性部分來調(diào)整定向角度；

②實(shí)驗(yàn)臺應(yīng)易于收納，又需要具有完整結(jié)構(gòu)。

對技術(shù)矛盾進(jìn)行表述，確定39個工程參數(shù)：

確定要解決的技術(shù)矛盾為TC-1，它發(fā)生在（實(shí)驗(yàn)臺的穩(wěn)定性）與（方便調(diào)整角度）之間，發(fā)生在（實(shí)驗(yàn)臺為剛性結(jié)構(gòu)）的時候。（圖3）

圖3 技術(shù)矛盾1表述圖

確定要解決的技術(shù)矛盾為TC-3，它發(fā)生在（實(shí)驗(yàn)臺易于收納）與（實(shí)驗(yàn)臺的可制造性）之間，發(fā)生在（實(shí)驗(yàn)臺便于攜帶）的時候。（圖4）

圖4 技術(shù)矛盾2表述圖

以上表述可以確定技術(shù)矛盾所對應(yīng)的參數(shù)；

技術(shù)矛盾1：改善的參數(shù)：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性（13）惡化的參數(shù)：適用性及多用性（35）

技術(shù)矛盾2：改善的參數(shù)：適用性及多用性（35）惡化的參數(shù)：可靠性（27）

查看下面的阿奇舒勒矛盾矩陣表[10-11]，可以確定用于解決當(dāng)前技術(shù)問題的發(fā)明原理：

表1 技術(shù)矛盾矩陣表

通過對排水采氣實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)需求分析，有兩種可應(yīng)用的發(fā)明原理，分別為第30條和第24條發(fā)明原理，如表2所示。其中，將柔性殼體或薄膜原理應(yīng)用到設(shè)計(jì)中：將實(shí)驗(yàn)臺的換向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以調(diào)節(jié)角度的定向彎頭與填充氣體的柔性薄膜組合的形式；將借助中介物原理應(yīng)用到設(shè)計(jì)中：引入氣體填充實(shí)驗(yàn)臺的套管與油管。

表2 發(fā)明原理及解釋說明

2.3 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的物理矛盾分析

技術(shù)矛盾只能解決兩個相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，而對于系統(tǒng)中同一個參數(shù)的影響，需要用到物理矛盾來解決。確定當(dāng)前系統(tǒng)的物理矛盾：

物理矛盾1：

（實(shí)驗(yàn)臺）應(yīng)該（為剛性結(jié)構(gòu)），以滿足（提高裝置穩(wěn)定性）要求；（實(shí)驗(yàn)臺）應(yīng)該（為柔性結(jié)構(gòu)），以滿足（調(diào)整裝置角度）要求。

物理矛盾2：

（實(shí)驗(yàn)臺）應(yīng)該（易于收納），以滿足（便于攜帶）要求；（實(shí)驗(yàn)臺）應(yīng)該（不易于收納），以滿足（提高可制造性）要求。

采用分離原理，提出技術(shù)方案：

方案1：將實(shí)驗(yàn)臺的直井段設(shè)計(jì)成剛性結(jié)構(gòu)，將實(shí)驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)向段設(shè)計(jì)成柔性結(jié)構(gòu)。（物理矛盾1空間分離）

方案2：當(dāng)需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)臺為剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，實(shí)驗(yàn)臺為柔性結(jié)構(gòu)。（物理矛盾1時間分離）

方案3：將實(shí)驗(yàn)臺的井筒設(shè)計(jì)成一節(jié)一節(jié)的波紋管結(jié)構(gòu)，整體來看，實(shí)驗(yàn)臺具有一定的剛度，但從局部看，一個個微小的波紋結(jié)構(gòu)，又能使裝置在實(shí)驗(yàn)時具有一定的柔性。（物理矛盾1系統(tǒng)分離）

方案4：將實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計(jì)成填充氣體的結(jié)構(gòu)，當(dāng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，充入氣體，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，放出氣體，便于攜帶。（物理矛盾2條件分離）

2.4 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的物場模型分析

前文對技術(shù)矛盾、物理矛盾進(jìn)行了分析，接下來對系統(tǒng)的技術(shù)問題進(jìn)行物-場模型分析，首先確定待解決的技術(shù)問題為提供排水采氣實(shí)驗(yàn)臺?？梢缘玫疆?dāng)前系統(tǒng)的物場模型如下：作用對象S1為實(shí)驗(yàn)臺中的套管與油管，工具S2為定向彎頭，二者之間作用場為機(jī)械場，屬于有效作用不足模型。（圖5）

圖5 物場模型

采用一般解法5：效應(yīng)不足完整模型解法。（圖6）

圖6 一般解法模型

提出技術(shù)方案：

方案5：將實(shí)驗(yàn)臺原本的油管與套管改為充氣結(jié)構(gòu)，引入流動性好的液壓場，再通過原本的換向結(jié)構(gòu)，便可輕易的改變實(shí)驗(yàn)臺的定向角度。

3 排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)預(yù)案

充氣管模擬排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)預(yù)案如圖5所示，主要包括充氣管道、定向部分、調(diào)心部分，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺在工作時調(diào)節(jié)井筒長度。

首先將油管頂端與井口通過接箍接好，將定向彎頭與調(diào)心支架組裝，擰動調(diào)心支架上的螺母，將定向彎頭調(diào)整到所需角度，將調(diào)心支架裝入未充氣的套管，將未充氣的油管穿過定向彎頭和調(diào)心支架，向油管充氣，向套管充氣，調(diào)心支架定點(diǎn)抱死，將新油管穿過卡套以及新套管，將新油管充氣，將套管與新套管通過法蘭接好，將套管套在油管外面，將向套管充氣，將新套管充氣，將套管與新套管之間的法蘭連接，將新套管與井底之間的法蘭連接。（圖7）

圖7 實(shí)驗(yàn)臺總圖

4 結(jié)論

本文以排水采氣實(shí)驗(yàn)臺的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為例，分析了排水采氣實(shí)驗(yàn)臺在設(shè)計(jì)中存在的便于拆卸與便于調(diào)整角度的問題，并基于TRIZ理論的矛盾解決原理，利用39個工程參數(shù)和40條發(fā)明原理所構(gòu)成的矛盾沖突解決矩陣，對排水采氣實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將充氣井筒與定向彎頭進(jìn)行組合，通過實(shí)驗(yàn)時向井筒中填充氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后放出井筒中的氣體，以滿足排水采氣實(shí)驗(yàn)臺便于攜帶的要求；通過調(diào)整定向彎頭的螺母，以滿足排水采氣實(shí)驗(yàn)臺調(diào)整角度的要求。通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了TRIZ理論在機(jī)械工程領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可行性，進(jìn)一步可為相關(guān)的產(chǎn)品創(chuàng)新提供理論依據(jù)。