基于TRIZ理論的采油平臺井口蓋板吊具創新設計

牛志巍 NIU Zhi-wei；趙俊杰 ZHAO Jun-jie；李治淼 LI Zhi-miao

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

0 引言

隨著海上油田不斷向著深水和超深水發展，進行深水和超深水海洋鉆井采油的關鍵裝備及其相應的海洋石油平臺的發展逐漸向著安全、高效的方向邁進。在此期間，海洋平臺的發展經歷了由簡單到復雜的過程，平臺的材料從最初的木材到鋼材再到現在的鋼筋混凝土結構形式；平臺的結構形式也從固定發展到移動等多種形式；平臺的作業水深也從淺水發展到1000多米的深水。研究其發展則成為目前深水和超深水石油開發首要的課題。

我國海洋油氣開發始于1964年1月，故而當時將海洋石油公司命名為“641”公司。從1966年12月底在渤海灣建成第一座固定式導管架平臺起，這30多年的時間里中國海洋石油總公司下屬的四大公司：渤海公司、南海東部、西部公司和東海公司己建成使用的海洋平臺有幾十座。主要平臺結構型式包括鋼質導管架平臺、錐體沉箱式和浮式[1]。

海洋平臺作為固定井架設備以及安放采油工具的重要設備，一直都是海洋油田開采中的重要保障。當在井口施工時，井口處的蓋板需要被吊裝起來，方便工作人員進行下一步的作業，但直接起吊的蓋板存在墜落的風險，因此，平臺上的工作人員希望能設計一種能靈活的將蓋板移動到多個位置的吊具。

1 TRIZ理論概述

TRIZ是俄文“Teorijz Rezhenija Izobretatel'skich Zadach”的詞頭縮寫，為發明問題解決理論的意思[2]。該理論的提出者阿奇舒勒以高水平專利為研究基礎，在分析了世界各國250萬件專利的基礎上，找出了發明背后存在的模式，以此形成了TRIZ的原始基礎，進一步的提出了一整套具有完整體系的理論和方法。該理論體系經過半個多世紀的發展，目前主要包括9大工具：①技術系統進化法則；②最終理想解；③40個發明原理；④阿奇舒勒沖突矩陣；⑤物理矛盾和分離原理[3]；⑥物質場模型；⑦76個標準解；⑧發明問題解決算法；⑨科學效應知識庫。TRIZ方法具有較強的工程實用性，目前已在很多工程領域得到了廣泛應用，不僅創造出了成千上萬項的重大發明，同時還為企業帶來了高額的利潤。

2 采油平臺井口蓋板吊具創新設計

2.1 采油平臺井口蓋板吊具的進化階段分析

在TRIZ理論中，通過檢索當前系統的專利數量并結合系統進化階段的S曲線，可以預測產品的技術成熟度，這種方法已經被廣泛應用在各個領域技術的趨勢預測中[4]。根據系統進化階段的S曲線，結合現有采油平臺井口蓋板吊具的專利數量，不難判斷出排水采氣實驗臺目前的發展處在嬰兒期。Mann D.認為當系統進化到一定階段時面臨的主要問題是解決矛盾，對應的主要工具是矛盾矩陣和發明原理[5]。

圖1 系統進化階段曲線

2.2 采油平臺井口蓋板吊具的初始形勢分析

2.2.1 當前系統的功能及組成

采油平臺井口蓋板吊具通常是放置在井口蓋板上的起支撐作用的可移動機械裝置，起到為工人進行井下作業時，抬起井口蓋板并將其固定在不影響作業位置的用途。主要由液壓絞車、鎖具、卸扣等組成。

2.2.2 當前系統的工作原理

采油平臺井口蓋板拆裝過程中，需要液壓絞車或游車大鉤帶鎖具用卸扣吊裝井口蓋板，將卸扣安裝在井口蓋板的把手處，井口蓋板在移運的過程中，把手主要承受蓋板重量，存在把手斷裂，蓋板掉落的風險，同時井口蓋板在移運過程中需要人員用牽引繩拉動吊索，改變蓋板移運方向。

2.2.3 當前系統存在的主要問題

①井口蓋板在移運的過程中，把手主要承受蓋板重量，存在把手斷裂，蓋板掉落的風險；②井口蓋板移走后，其原部位為敞開區域，人員在拉動牽引繩時存在跌落的風險；③由于吊運的鋼絲繩是從轉盤處放下來的，由于限位，也容易磨損鋼絲繩，存在吊物墜落風險。

2.2.4 問題解決目標

①不需要卸扣吊裝蓋板把手，定制專用電動葫蘆拉動井口蓋板懸吊鋼絲繩，將井口蓋板移運至旁側，省去了人工拉牽引繩改變移運方向，保障人員安全；②井口蓋板移至旁側后，將井口蓋板移運遠離敞開部位，防止井口吊物磕碰、墜落風險。

2.3 采油平臺井口蓋板吊具的技術矛盾分析

通過對采油平臺的井口蓋板吊具進行功能分析，不難發現，其在采油平臺當中主要起到阻擋井口的作用。但是目前的井口蓋板吊具，采用提升機構將蓋板吊起后，蓋板被吊在井口的正上方，具有墜落傷人的風險。因此我們希望設計一種可以靈活移動蓋板位置的吊具。

針對剛剛提出的問題，下面對當前系統進行因果鏈分析，以便確定當前系統的技術矛盾。根據因果鏈分析，我們可以得到當前系統的技術矛盾：①吊具既應該方便移運，又應該與井口蓋板緊密連接。②吊運吊具的鋼絲繩，既應該方便限位，又應該避免磨損鋼絲繩，減小吊物墜落風險。

圖2 采油平臺井口蓋板吊具因果鏈分析圖

對技術矛盾進行表述，確定39個工程參數：確定要解決的技術矛盾為TC-1，它發生在（吊具方便調整位置）與（井口蓋板緊密連接）之間，發生在（需要移運井口蓋板）的時候（圖3）。確定要解決的技術矛盾為TC-3，它發生在（吊具采用鋼絲繩限制位置）與（減小吊物墜落風險）之間，發生在（需要移運井口蓋板）的時候（圖4）。技術矛盾1：改善的參數：可靠性（27）惡化的參數：系統的復雜性（36）技術矛盾2：改善的參數：可靠性（27）惡化的參數：可操作性（33）

圖3 技術矛盾1表述圖

圖4 技術矛盾2表述圖

查看下面的阿奇舒勒矛盾矩陣表[3]（表1），可以確定用于解決當前技術問題的發明原理。通過對采油平臺井口蓋板吊具的設計需求進行分析，確定出39個工程參數。再結合從矛盾矩陣表中查到的發明原理，從中找到兩個較為適合的發明原理，分別為第13條、第1條和第17條發明原理，如表2所示。其中，將反向作用原理應用到吊具的設計當中：在吊具上設計有伸展機構，方便對蓋板的位置進行調整；將分割原理應用到吊具的設計中：將原本為一個整體的吊具結構設計成可以實現相對移動的結構，將一維變多維原理應用到吊具的設計當中：在吊具上設計有導向機構，方便對蓋板的位置進行水平方向的調整。

表1 技術矛盾矩陣表

表2 發明原理及解釋說明

2.4 采油平臺井口蓋板吊具的物理矛盾分析

技術矛盾用于解決相互關聯的參數，但要是考慮系統中的同一個參數對系統的影響，則需要用到物理矛盾解決，下面確定當前系統的物理矛盾。

物理矛盾：

（井口蓋板吊具）應該（方便調整位置），以滿足（避免蓋板墜落傷人）要求；（井口蓋板吊具）應該（不方便調整位置），以滿足（縮短作業時間）要求。

采用分離原理，提出技術方案：方案1：將井口蓋板吊具設計成組合式的結構，當需要調整位置的時候，通過吊具的伸展結構對蓋板位置進行調整。（系統分離）方案2：當需要調整位置時，井口蓋板吊具具有磁性，當不需要調整位置時，井口蓋板吊具不具有磁性。（時間分離）方案3：井口蓋板吊具設計成一節一節的波紋結構，整體來看，井口蓋板吊具具有一定的剛度，但從局部看，一個個微小的波紋結構，又能使井口蓋板吊具在工作時具有一定的柔性，不至于在長時間的磨損后發生破壞。（系統分離）方案4：將井口蓋板吊具設計成填充流體的液壓結構，當需要使用井口蓋板吊具時，充入流體，將井口蓋板舉升，當不需要使用井口蓋板吊具時，放出流體，便于攜帶。（條件分離）

2.5 采油平臺井口蓋板吊具的物場模型分析

通過前文對采油平臺井口蓋板吊具系統中存在的技術矛盾、物理矛盾進行了分析，接下來需要對系統的技術問題進行物-場模型分析，首先確定待解決的技術問題為設計一種采油平臺井口蓋板吊具。可以得到當前系統的物場模型如圖5：作用對象S1為采油平臺井口蓋板，工具S2為井口蓋板吊具，二者之間作用場為機械場，屬于有效作用不足模型。采用一般解法5：效應不足完整模型解法（圖6）。提出技術方案：方案5：將采油平臺井口蓋板系統中原本的吊具改為強磁吊具，引入可靠性高的磁場，再結合有導軌組成的換向結構，便可輕易的改變采油平臺井口蓋板吊具的固定位置。

圖5 物場模型

圖6 一般解法模型

3 采油平臺井口蓋板吊具的設計預案

通過對采油平臺井口蓋板吊具進行分析，得到了諸多的設計方案，結合提出的方案，最終采油平臺井口蓋板吊具的工作狀態圖和放置位置示意圖分別如圖7、圖8所示，其中工作狀態圖展示了井口蓋板吊具的待機狀態與工作狀態。首先將上滑軌與下滑軌連接起來，用桁架結構將四個永磁磁力吊通過吊索具連接到桁架上，確保四個磁力吊受力均勻，直接用四聯鎖具將四個磁力吊連接，形成強大磁力，吊運井口蓋板。當需要移運蓋板時，可以通過左右移動滑軌，帶動蓋板一起運動，避免了直接將蓋板吊起，帶來的蓋板墜落的風險。

圖7 井口蓋板吊具機械式工具工作狀態圖

圖8 井口蓋板吊具工具放置位置示意圖

4 結論

本文根據采油平臺井口蓋板吊具的設計需求，通過對其存在的技術矛盾與物理矛盾[6-8]進行了分析，再基于TRIZ理論中的發明原理，對采油平臺井口蓋板吊具進行了創新設計，新結構采用磁力吸合井口蓋板，不需要卸扣吊裝蓋板把手，同時采用組合式結構對蓋板進行吊放，省去了人工拉牽引繩改變移運方向，避免了將蓋板吊起之后蓋板墜落的問題，保障人員安全。證實了TRIZ理論確實可以在機械工程領域進行創新設計，進一步可為相關的產品創新提供理論依據。