焦金龍，梁淑平，董慶魯，仇尚

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

在石油領(lǐng)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(chǎn)生裂縫，改善油在地下的流動環(huán)境，使油井產(chǎn)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(dá)90 MPa以上的高壓，為保障施工安全，提高生產(chǎn)運行效率，需要對每個壓裂配件建立檔案，進(jìn)行精細(xì)管理。傳統(tǒng)的井控高壓配件管理方法采用人工記錄單據(jù)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(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，壓裂配件的種類越來越多，傳統(tǒng)工作模式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(xiàn)和自然科學(xué)知識進(jìn)行研究、整理和歸納而形成的。TRIZ理論的基礎(chǔ)是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的客觀規(guī)律，它既可以被認(rèn)知也可用于解決發(fā)明性問題。TRIZ理論的核心是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)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(shù)服務(wù)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(jìn)行精細(xì)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(jìn)、科學(xué)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(fā)放及回收壓裂配件約200件，由人工每日清點和手寫記錄統(tǒng)計配件的出入庫、使用信息等數(shù)據(jù)，該管理方式經(jīng)常會出現(xiàn)統(tǒng)計信息與實際應(yīng)用不符、數(shù)據(jù)疏漏錯誤、保養(yǎng)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(dāng)前壓裂配件管理流程如圖1所示。

當(dāng)前系統(tǒng)存在的主要問題有以下3點：①配件種類多、數(shù)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(xiàn)，存在安全隱患；③配件使用地點分散，周轉(zhuǎn)頻繁，查詢信息困難。

圖1 當(dāng)前壓裂配件管理流程

2 壓裂配件管理的系統(tǒng)分析

壓裂配件管理系統(tǒng)的功能：對壓裂配件進(jìn)行發(fā)放、回收、使用情況統(tǒng)計，并根據(jù)使用情況對壓裂配件進(jìn)行保養(yǎng)、檢測、維修、報廢等處理。壓裂配件管理系統(tǒng)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(tǒng)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(dāng)前系統(tǒng)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(jìn)而實現(xiàn)高效管理壓裂配件，達(dá)到成熟期的期望系統(tǒng)。

圖2 壓裂配件管理系統(tǒng)的S曲線

2.2 壓裂配件管理系統(tǒng)的九屏圖

九屏圖法是TRIZ中典型的“系統(tǒng)思維”方法，即對情境進(jìn)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(tǒng)層次和時間，可將發(fā)明者的視野從一個“屏幕“擴(kuò)展到九個“屏幕”。從當(dāng)前系統(tǒng)出發(fā)，時間維度為當(dāng)前系統(tǒng)的過去，當(dāng)前系統(tǒng)的未來，從層次維度出發(fā)，當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)，當(dāng)前系統(tǒng)的超系統(tǒng)，再拓展相應(yīng)的當(dāng)前系統(tǒng)的過去、當(dāng)前系統(tǒng)的未來，即形成了九屏圖。在壓裂配件管理系統(tǒng)中，通過九屏圖法分析，可以從未來系統(tǒng)、未來系統(tǒng)的子系統(tǒng)和未來系統(tǒng)的超系統(tǒng)中尋求解決方案。圖3為壓裂配件管理系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫及智能機(jī)器人等部分可提供解決問題方案。

圖3 壓裂配件管理系統(tǒng)的九屏圖

2.3 壓裂配件管理系統(tǒng)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(shù)量、周轉(zhuǎn)使用頻率以及現(xiàn)場使用記錄數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行分析（圖4）。

圖4 壓裂配件管理系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，技術(shù)系統(tǒng)是一個復(fù)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(fā)展，而技術(shù)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(shù)物理矛盾

在壓裂配件管理系統(tǒng)中，技術(shù)矛盾主要體現(xiàn)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(shù)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(shù)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(tǒng)的矛盾參數(shù)，改善的參數(shù)為25時間損耗；惡化的參數(shù)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(tǒng)替代法、35性能轉(zhuǎn)換法和30柔化法[3]。

3.2 物場模型分析

技術(shù)系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)構(gòu)成，組成技術(shù)系統(tǒng)的各個部件都能完成相應(yīng)的功能，才能實現(xiàn)整體功能。研究技術(shù)系統(tǒng)存在的問題，從系統(tǒng)部件的子系統(tǒng)的功能進(jìn)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(tǒng)中存在一個機(jī)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(jī)械場的不足，形成可行性的方案。

圖6 壓裂配件管理系統(tǒng)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(shù)或?qū)I(yè)術(shù)語導(dǎo)致的思維定勢，并可用于微觀級別分析系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的某些組件不能完成其必要的功能，并表現(xiàn)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(xiàn)預(yù)期的功能，并根據(jù)小人模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計。

如圖7所示，在壓裂配件管理系統(tǒng)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(huán)節(jié)多；解決方案小人模型中期望信息可直接到達(dá)管理人員，減少中間環(huán)節(jié)，提高信息流的速度。

圖7 壓裂配件管理系統(tǒng)的小人模型法

4 壓裂配件管理系統(tǒng)的改進(jìn)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(jìn)方案，去重篩選，結(jié)合目前技術(shù)現(xiàn)狀和實際情況，制定出以下技術(shù)方案：選擇成本合理的RFID芯片技術(shù)和移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，建立高壓配件數(shù)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(jī)，進(jìn)行信息錄入和無線上傳；在服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對配件信息收集儲存、配件的使用情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)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(yīng)用后臺數(shù)據(jù)庫存儲配件相關(guān)信息，通過對電子標(biāo)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(yǎng)信息、維修信息等，對需要保養(yǎng)的設(shè)備及時提示保養(yǎng)，對達(dá)到報廢標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及時報廢，實現(xiàn)智能化管理，降低了安全風(fēng)險，節(jié)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(shù)字化管理已經(jīng)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(yīng)用了安裝芯片的壓裂配件，實現(xiàn)了對壓裂配件單獨建檔，實時跟蹤，如圖8所示。在應(yīng)用中掃描操作簡單，芯片識別準(zhǔn)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(jìn)行動態(tài)監(jiān)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(yè)施工提供了安全保障。同時，通過表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(tǒng)界面

表1 新、舊模式下壓裂配件發(fā)放效率對比（按60口井計算）

5 結(jié)論

針對目前壓裂配件管理模式的缺陷，利用TRIZ理論對其進(jìn)行了方案改進(jìn)，通過S曲線、九屏圖、因果鏈及功能裁剪對系統(tǒng)進(jìn)行了分析；通過技術(shù)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(jié)合目前技術(shù)現(xiàn)狀提出利用RFID芯片技術(shù)和移動通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，建立高壓配件數(shù)字化管理模式。該管理模式實現(xiàn)了智能化管理，降低了安全風(fēng)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(jìn)數(shù)字油田建設(shè)的一種有益嘗試和探索。