創(chuàng)新方法在“超深鉆探垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)”中的應(yīng)用

一、引言

“深地、深海、深空”的資源開發(fā)作為國家重大戰(zhàn)略科技攻關(guān)項(xiàng)目，關(guān)系到國家戰(zhàn)略資源儲備的安全。“上天不易，人地更難”，井眼只有打的越直，才能鉆的越深。然而，受地層各向異性及鉆頭機(jī)械破巖趨易特性等客觀因素的影響，井斜問題不可避免。井斜問題因此成為限制鉆深極限的首要原因12]。

為了解決并斜問題，科研人員將控制論的思想與方法應(yīng)用到鉆井工程實(shí)踐中，自動垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其工作原理為：當(dāng)測控系統(tǒng)監(jiān)測到井斜時(shí)，控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)推靠井眼高邊井壁，使鉆頭側(cè)向切削井眼低邊，從而將井眼軌跡重新糾回垂直方向[34。然而，該技術(shù)目前仍然存在關(guān)鍵技術(shù)問題，即現(xiàn)有垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)無法適用于超深鉆探，主要表現(xiàn)在以下三方面：

（1）當(dāng)鉆深超過7000米，系統(tǒng)功能失效，導(dǎo)致井斜迅速超標(biāo)，進(jìn)而被迫提前終止鉆進(jìn)；

（2）垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)制造、使用與維護(hù)成本高，單井作業(yè)費(fèi)用數(shù)百萬元；

（3）垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)僅適用于全面鉆進(jìn)，無法實(shí)現(xiàn)鉆探所需的取心作業(yè)，獲取地下巖樣。

為了解決上述技術(shù)問題，應(yīng)用創(chuàng)新方法理論，形成超深鉆探垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)系統(tǒng)研發(fā)，從而響應(yīng)國家“向地球深部進(jìn)軍”的號召，為探索地球深部奧秘，勘探深部資源提供有力的技術(shù)裝備支撐。

二、問題分析

2.1技術(shù)系統(tǒng)定義

首先對現(xiàn)有垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)系統(tǒng)定義，確定其功能為保持井眼的垂直程度。隨后，對當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，識別系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件，其中，系統(tǒng)組件是指構(gòu)成技術(shù)系統(tǒng)或工程系統(tǒng)的各個(gè)部分。這些部分可以是物質(zhì)（具有靜止質(zhì)量的物體），也可以是場（沒有靜止質(zhì)量，但可以與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用的能量或力），還可以是物質(zhì)和場的組合；超系統(tǒng)組件則是包含被分析系統(tǒng)在內(nèi)的更大系統(tǒng)或環(huán)境中的組件。根據(jù)上述定義，組件分析結(jié)果如表1所示。

隨后對系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件進(jìn)行相互作用分析，相互作用分析是分析系統(tǒng)中各個(gè)組件之間如何相互影響、相互依賴，以及它們之間的功能關(guān)系的過程。通過相互作用分析，可以揭示組件之間的相互作用機(jī)制，了解它們?nèi)绾喂餐ぷ饕詫?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能。自動垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)組件相互作用分析矩陣如圖1所示。

2.2系統(tǒng)功能分析

利用相互作用分析結(jié)果對自動垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行功能建模。功能建模是一種將技術(shù)系統(tǒng)功能以圖形化或結(jié)構(gòu)化的方式表示出來的過程。它旨在清晰地描述系統(tǒng)中各個(gè)組件的功能、用途、性能水平及它們之間的相互作用關(guān)系，從而幫助理解系統(tǒng)，并找到當(dāng)前系統(tǒng)的功能缺陷。圖2為自動垂直鉆進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)功能模型圖。

由功能分析可知，當(dāng)前技術(shù)系統(tǒng)的功能缺陷為：

（1）垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)主體對鉆頭的驅(qū)動與導(dǎo)向作用不足；

（2）垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)主體對巖心的容納作用不足；

（3）井壁對系統(tǒng)外殼的有害加熱作用；

（4）系統(tǒng)外殼對測控系統(tǒng)的有害加熱作用；

（5）推靠翼肋對井壁的推靠作用不足；

（6）井壁對推靠翼肋的推靠作用不足。

2.3因果鏈分析

因果鏈分析是一種用于全面識別和解決工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析方法，它通過層層追因，從初始問題或缺陷開始，逐步挖掘出中間缺陷，直至找到關(guān)鍵缺陷，即根本原因。對于自動垂直鉆進(jìn)技術(shù)系統(tǒng)而言，初始缺陷即為垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)無法適用于超深鉆探這一表象工程問題，而功能缺陷往往以中間缺陷形式在因果鏈分析中得以體現(xiàn)。

因果鏈分析結(jié)果如圖3，排除一些客觀存在且無法改變的關(guān)鍵缺陷后，決定對“電子傳感器極限耐溫能力低”及“執(zhí)行機(jī)構(gòu)零部件占用空間大”這兩個(gè)關(guān)鍵缺陷進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

2.4九屏幕分析與資源分析

通過九屏幕分析結(jié)合資源分析（表2）可通過梳理獲得后續(xù)技術(shù)系統(tǒng)改進(jìn)或替代所需的各類可用資源，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)理想度的提升。

三、問題解決

3.1最終理想解

為了打破思維限制，明確最終目標(biāo)，首先對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行了最終理想解（IFR）分析，由此獲得啟發(fā)：不僅能夠從系統(tǒng)自身角度尋找技術(shù)解決方案，還可從地層與破巖角度尋找方案。

通過最終理想解帶來的啟發(fā)并結(jié)合資源分析所得結(jié)果，得到如下技術(shù)方案：

方案1：利用鉆井液的動能，通過水力噴射鉆井，將破巖方式由機(jī)械破碎改為射流破碎。

方案2：利用地球重力場設(shè)計(jì)機(jī)械式穩(wěn)定平臺，通過偏重塊重力產(chǎn)生的偏心力矩感應(yīng)井斜，從而實(shí)現(xiàn)對電子傳感器的替代（圖4）。

方案3：利用鉆井液材料向鉆井液中加入化學(xué)劑，對地層進(jìn)行改性，使其轉(zhuǎn)化為各向同性材質(zhì)。

方案4：利用鉆井液輸送功能向地層輸送脈沖酸液，將破巖方式由機(jī)械破碎改為腐蝕溶解。

方案5：利用地?zé)釄鰧⒌責(zé)豳Y源收集，通過熱熔方式融化地層。

3.2技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾指在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中，某個(gè)工程參數(shù)得到改善時(shí)，引起另一個(gè)工程參數(shù)的惡化。由“電子傳感器極限耐溫能力低”這一關(guān)鍵問題定義如下技術(shù)矛盾：如果采用電子傳感器，那么井眼垂直度將會得到提升，但是導(dǎo)致系統(tǒng)故障率提升（圖5）。分別識別改善參數(shù)與惡化參數(shù)后，通過阿奇舒勒矛盾矩陣推薦的發(fā)明原理得到方案6至方案9。

3.3物理矛盾

物理矛盾是為了實(shí)現(xiàn)某種功能，對同一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)的同一個(gè)工程參數(shù)提出了互斥的、合理的要求。由方案2的附加問題定義物理矛盾：偏重塊的外徑必須大，使產(chǎn)生的偏心力矩克服盤閥摩擦力矩的干擾；偏重塊的外徑必須小，以增大其與外殼間的環(huán)形空間，減小系統(tǒng)壓耗。通過矛盾分離原理得到方案10。

方案10：利用發(fā)明原理35一參數(shù)變化原理，設(shè)計(jì)灌鉛偏重塊，通過提升其密度增大偏心力矩。

3.4物場模型

采用機(jī)械式穩(wěn)定平臺方案時(shí)，垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)的耐溫能力能夠顯著提升，但受盤閥摩擦力矩的干擾，穩(wěn)定平臺的井斜感應(yīng)靈敏度較低。為此，對附加問題的物場模型進(jìn)行建立與改進(jìn)（圖6），通過標(biāo)準(zhǔn)解1.2.4：增加另外一個(gè)場來抵消原來有害場的效應(yīng)，得到方案11。

方案11：偏重塊加裝產(chǎn)生反向扭矩的水力渦輪，利用鉆井液動能產(chǎn)生的渦輪反扭矩平衡盤閥摩擦扭矩。

3.5智慧小人法

智慧小人法是一種通過擬人化建模解決系統(tǒng)矛盾的創(chuàng)新思維工具，將系統(tǒng)中的組件或功能想象成一群“有智慧的小人”，通過模擬他們的行為、沖突與合作，揭示問題本質(zhì)并尋找突破性解決方案。

通過智慧小人法得到方案12和方案13（圖7）。

方案12：偏重塊內(nèi)灌入智慧小人代表的磁流體，通過外部磁場激勵(lì)改變磁流體分布，使偏重塊重心位置可隨盤閥摩阻大小自動調(diào)節(jié)，從而有助于其穩(wěn)定在井眼低邊。

方案13：將偏重塊浸入智慧小人代表的高黏度阻尼油中，當(dāng)偏重塊失穩(wěn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，阻尼油產(chǎn)生有助于其穩(wěn)定的阻尼力，待偏重塊穩(wěn)定后阻尼力即會消失。

3.6裁剪

裁剪可以通過刪除組件來簡化系統(tǒng)，針對“執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件占用空間大導(dǎo)致系統(tǒng)無法取心”這一關(guān)鍵缺陷，通過裁剪得到方案14（圖8）

方案14：利用鉆井液這一超系統(tǒng)組件直接推動推靠翼肋，從而應(yīng)用裁剪規(guī)則A和C將活塞、缸筒、液壓系統(tǒng)裁剪，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)擁有足夠空間容納巖心。

3.7技術(shù)方案對比與最優(yōu)方案確定

對上述方案的技術(shù)難度、實(shí)施周期、實(shí)施成本、生產(chǎn)效率以及可行性進(jìn)行綜合評價(jià)與對比，經(jīng)專家組的多輪評審論證，最終決定采用方案2、方案10、方案11、方案13、方案14。基于上述優(yōu)選方案，最終形成超深鉆探垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

四、結(jié)論

本文采用創(chuàng)新方法理論，對當(dāng)前自動垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行問題分析，揭示了當(dāng)前系統(tǒng)的關(guān)鍵缺陷，并采用創(chuàng)新工具對關(guān)鍵缺陷予以解決，最終形成超深鉆探垂直鉆進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)簡單可靠、可適用于井下高溫、振動復(fù)雜環(huán)境，在石油鉆井、科學(xué)鉆探等諸多領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]管志川，陳庭根.鉆井工程理論與技術(shù)[M].石油大學(xué)出版社，2000.

[2]白家祉，蘇義腦.井斜控制理論與實(shí)踐[M].石油工業(yè)出版社，1990.

[3]Chur，C，Oppelt，J.Vertical Driling Technology：AMilestone inDirectionalDrilling[R]. SPE-25759，1993.

[4]JOppelt，C Chur，etal.New concepts for verticaldrillingofboreholes[R].SPE-21905，1991.

[5]柴麟，張凱，劉寶林，等.自動垂直鉆井工具分類及發(fā)展現(xiàn)狀[J].石油機(jī)械，2020，48（1）.

[6]孫永偉，謝爾蓋·伊克萬科，伊克萬科.TRIZ：打開創(chuàng)新之門的金鑰匙.I[M].科學(xué)出版社，2015.

[7]創(chuàng)新方法研究會.創(chuàng)新方法教程，中級[M].高等教育出版社，2012.

[8]創(chuàng)新方法研究會.創(chuàng)新方法教程，高級[M].高等教育出版社，2012.

責(zé)編/馬銘陽