劉立，劉康，劉興雷，梁慶華，寧爽，劉曉旭

中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司 測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司（黑龍江 大慶163414）

油田注入井分層測(cè)試調(diào)配是了解分層注入井各層段注入能力的一項(xiàng)測(cè)試工作。注入井分層測(cè)試調(diào)配工作需要在注入井偏心配水器偏孔內(nèi)投送、打撈堵塞器，而偏心投撈器主要是配合打撈頭和壓送頭使用，對(duì)偏心配水器中堵塞器和堵塞式壓力計(jì)進(jìn)行投送、打撈作業(yè)的一種重要專用工具。中國(guó)石油大慶油田某三大區(qū)塊油田年注入井分層測(cè)試調(diào)配4 100余井次，12 300余層次，目前廣泛使用的機(jī)械式偏心投撈器，每年注入井的偏心堵塞器投送或打撈施工數(shù)萬(wàn)次。根據(jù)2015—2018年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由于偏心堵塞器投送掉卡、井下油阻、井下垢阻、井下工具遇阻等故障，堵塞器一次投送成功率平均僅為78.5%，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 000多萬(wàn)元，增大了施工勞動(dòng)強(qiáng)度，而相應(yīng)的堵塞器一次打撈成功率平均為91.5%。因此，針對(duì)偏心堵塞器投送成功率較低、施工成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，開展偏心堵塞器投送可靠性研究及創(chuàng)新實(shí)踐，對(duì)于偏心堵塞器投送提質(zhì)增效尤為重要。

1 偏心堵塞器投送現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)分析

為全面分析偏心堵塞器投送故障規(guī)律，對(duì)2015—2018年大慶油田三個(gè)區(qū)塊油田注入井投送偏心堵塞器故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，各類故障問題共471個(gè)。

1.1 偏心堵塞器投送故障統(tǒng)計(jì)

將偏心堵塞器投送系統(tǒng)或工具按照不同結(jié)構(gòu)總成（組件）分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表1。從表1可以看出，偏心堵塞器投送故障主要發(fā)生在壓送頭，由壓送頭與堵塞器連接不可靠造成的故障數(shù)占總故障數(shù)的63.06%，較其他組件發(fā)生故障次數(shù)明顯居多。

表1 偏心堵塞器投送系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

1.2 壓送頭故障統(tǒng)計(jì)

壓送頭是投撈器與偏心堵塞器連接的重要組件，主要由收縮套、壓緊套、夾緊套或夾片組成。對(duì)表1中由壓送頭發(fā)生的297次故障，按壓送頭中夾緊套或夾片、收縮套和壓緊套3類機(jī)件發(fā)生的故障數(shù)進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計(jì)，其中夾緊套或夾片發(fā)生的故障率45.12%，遠(yuǎn)高于收縮套故障率（20.87%）、壓緊套故障率（34.01%）。

1.3 井下遇阻統(tǒng)計(jì)

偏心投撈器投送堵塞器過程中，經(jīng)常發(fā)生井下遇阻。通過分析不同井別、遇阻層段以及井下工具遇阻深度，對(duì)表1中114次井下遇阻現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中由井下油阻、垢阻而發(fā)生的故障率分別是34.12%、53.51%，遠(yuǎn)高于井下工具發(fā)生的故障率（12.28%）。

2 偏心堵塞器投送系統(tǒng)分析

基于偏心堵塞器投送系統(tǒng)存在故障的主要原因，開展偏心堵塞器投送系統(tǒng)分析，以期找到有效的解決方案。

2.1 偏心堵塞器投送可靠性模型的建立

由測(cè)試技術(shù)、采油工程可靠性專家、TRIZ創(chuàng)新小組組成專家團(tuán)隊(duì)，針對(duì)偏心堵塞器投送可靠性問題，構(gòu)建了偏心堵塞器投送系統(tǒng)可靠性模型（圖1）。

圖1 偏心堵塞器投送系統(tǒng)或工具串可靠性模型框圖

偏心堵塞器投送可靠性是指注入井分層測(cè)試調(diào)配作業(yè)施工過程中投撈器完成投送堵塞器的能力。投送工具串和井下工具串任何一套工具或系統(tǒng)發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致整體投送系統(tǒng)發(fā)生故障，投送工具串投送功能就要在偏心配水器（偏孔）處中斷。因此，整個(gè)投送系統(tǒng)為一個(gè)串聯(lián)型可靠性模型。

2.2 偏心堵塞器投送系統(tǒng)可靠性分析

聘請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家，以評(píng)分分配法[1]對(duì)串聯(lián)型偏心堵塞器投送系統(tǒng)進(jìn)行可靠度分析，評(píng)分值在1～10選取。設(shè)定偏心堵塞器投送系統(tǒng)MTBF為100 h，月工作時(shí)間為50 h，其可靠度分配情況見表2。

由表2可見：偏心堵塞器投送系統(tǒng)壓送頭的可靠度為0.776，在整個(gè)投送系統(tǒng)可靠度最低；投撈組件系統(tǒng)可靠度為0.903，其可靠度相對(duì)較低。這兩個(gè)重要組件在整個(gè)系統(tǒng)中是薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)一步改進(jìn)可靠性設(shè)計(jì)[2]。

表2 偏心堵塞器投送系統(tǒng)可靠度分配表

2.3 偏心堵塞器投送故障樹分析

專家團(tuán)隊(duì)運(yùn)用故障樹法對(duì)偏心堵塞器投送故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖2所示。

由圖2可知，由偏心堵塞器投送故障的頂層事件開始，推導(dǎo)出投撈總成故障、壓送頭故障、堵塞器故障、導(dǎo)向總成故障以及井下遇阻5個(gè)中間事件，并繼續(xù)細(xì)化推導(dǎo)出引起偏心堵塞器投送故障的24個(gè)基本事件。對(duì)24個(gè)基本事件進(jìn)行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與計(jì)算，獲取偏心堵塞器投送故障發(fā)生概率及失效時(shí)間等，為偏心堵塞器投送可靠性預(yù)判提供參考依據(jù)，找出規(guī)避故障或事故原因的基本線索，挖掘系統(tǒng)資源[2-5]，開展有針對(duì)性的TRIZ創(chuàng)新，為提高偏心堵塞器投送可靠性提供有效解決方案。

圖2 偏心堵塞器投送系統(tǒng)故障樹

2.4 偏心堵塞器投送功能分析

根據(jù)偏心堵塞器投送系統(tǒng)組件功能匯總表（表3），功能“1”屬于受井況影響的有害問題項(xiàng)，注入介質(zhì)水垢、油污或雜質(zhì)附著偏心配水器，對(duì)堵塞器投送成功率影響大，可以通過熱洗、酸洗、注入介質(zhì)過濾或使用通井器進(jìn)行解決；功能“3”屬于投送工具與井下工具存在相互關(guān)系的作用影響，堵塞器坐入配水器偏孔內(nèi)因阻力而產(chǎn)生不良問題項(xiàng)，不易徹底解決，只能部分解決[6]，可以通過熱洗、酸洗或使用刮通器進(jìn)行解決；功能“7”是重點(diǎn)的不良問題項(xiàng)，屬于壓送頭和堵塞器組件對(duì)作用影響的問題，不能完全坐入配水器偏孔內(nèi)，是導(dǎo)致堵塞器掉卡的主要原因。完善這些重點(diǎn)問題功能的實(shí)現(xiàn)是后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)[6]。

通過表3中功能作用分析，建立基于組件及相關(guān)作用的功能作用（表4），可以明確偏心堵塞器投送系統(tǒng)故障問題發(fā)生部位[7]。

通過表3、表4建立偏心堵塞器投送系統(tǒng)功能作用對(duì)模型，根據(jù)問題功能項(xiàng)，逐步建立功能裁剪模型（圖3），以消除不足、有害等局部問題功能，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)功能的目的。

圖3 偏心堵塞器投送系統(tǒng)功能與裁剪模型

表3 偏心堵塞器投送系統(tǒng)組件功能匯總表

表4 偏心堵塞器投送系統(tǒng)功能模型作用分析

由圖3可知，注入井分層流量調(diào)配過程中，投撈器使壓送頭投送堵塞器工作量較大，由于壓送頭存在不足的問題功能，投送效率低；同時(shí)由于注入井油阻、垢阻及井下工具遇阻的有害問題功能，造成施工前清垢及測(cè)試作業(yè)時(shí)效長(zhǎng)，針對(duì)這兩個(gè)問題功能，需要進(jìn)行功能裁剪，以提高堵塞器投送效率。

3 偏心堵塞器投送可靠性研究

通過上述有關(guān)偏心堵塞器投送可靠性分析及TRIZ系統(tǒng)分析，明確了偏心堵塞器投送的問題功能及關(guān)注要點(diǎn)，有效開展偏心堵塞器投送系統(tǒng)可靠性研究，運(yùn)用TRIZ方法提供解決問題思路。

3.1 偏心堵塞器投送技術(shù)物理矛盾分析

偏心堵塞器投送技術(shù)矛盾主要體現(xiàn)在堵塞器投送可靠性和釋放堵塞器可易性。根據(jù)表5，確定要解決的技術(shù)矛盾為“TC-1”，它發(fā)生在投送過程穩(wěn)定性提高與不容易釋放堵塞器之間，發(fā)生在壓送頭與堵塞器鎖緊的條件下。

表5 偏心堵塞器投送系統(tǒng)技術(shù)矛盾分析

偏心堵塞器投送物理矛盾主要體現(xiàn)在壓送頭與堵塞器摩擦力以及上下彈簧的彈力所體現(xiàn)的物理場(chǎng)。在堵塞器投送過程中，壓送頭與堵塞器滑動(dòng)摩擦力應(yīng)該足夠大，以滿足投送可靠性要求，與此同時(shí)壓送頭與堵塞器摩擦力也應(yīng)該適宜小，以滿足投送堵塞器要求。投撈器上下彈簧壓縮力應(yīng)該足夠有效，以滿足投送可靠性要求，但同時(shí)投撈器上下彈簧應(yīng)能在發(fā)生彈性形變后恢復(fù)原狀，以滿足容易投送堵塞器要求。

偏心堵塞器投送過程所表現(xiàn)的兩個(gè)相對(duì)立的物理矛盾，可以通過TRIZ的分割原理獲得解決方案。通過分析偏心堵塞器投送系統(tǒng)的技術(shù)物理矛盾工程參數(shù)，確定需要改善的工程參數(shù)為“力”，即壓送頭與堵塞器滑動(dòng)摩擦力；惡化的工程參數(shù)為“可靠性”，即壓送頭投送堵塞器的可靠程度。同時(shí)通過查找阿奇舒勒矛盾矩陣表[5]獲得的解決方案有4種：“3局部質(zhì)量原理”“13反向作用原理”“21較少有害作用的時(shí)間原理”“35物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)怼薄?/p>

3.2 偏心堵塞器投送物場(chǎng)模型分析

針對(duì)偏心堵塞器投送系統(tǒng)存在的主要問題，可以利用物場(chǎng)模型分析。

如圖4所示，在偏心堵塞器投送系統(tǒng)中存在一個(gè)“壓送頭-堵塞器”物場(chǎng)模型，其中：“F1”為具有滑動(dòng)摩擦力的機(jī)械場(chǎng)；“S2”為創(chuàng)新前的壓送頭，如銷釘式、夾片式、擰式等（表4）?！癝2”相對(duì)于“S1”堵塞器的作用是不足的，運(yùn)用TRIZ方法，增加TRIZ創(chuàng)新成果“S3”，即創(chuàng)新后的壓送頭，為較好改善當(dāng)前“F1”機(jī)械場(chǎng)的不足，提供可行、實(shí)用的技術(shù)方案。

圖4 “壓送頭-堵塞器”物場(chǎng)模型分析

在偏心堵塞器投送系統(tǒng)中存在另一個(gè)“堵塞器-配水器”物場(chǎng)模型（圖5），其中“F2”為具有阻力的機(jī)械場(chǎng)。由于偏心配水器偏孔內(nèi)油阻、垢阻的阻力作用，使堵塞器坐入配水器偏孔內(nèi)的作用不足，通過增加“F3”熱場(chǎng)或化學(xué)場(chǎng)，運(yùn)用“S5”熱洗或酸化清油組、垢阻，同時(shí)運(yùn)用“S6”通井工具，空心通井器、沖擊鉆式通井器、斜井滾輪式通井器、偏心孔刮通器等系列通井工具[7-8]進(jìn)行清垢，可以改善當(dāng)前“F2”機(jī)械場(chǎng)的不足，提高投送效率。

圖5 “堵塞器-配水器”物場(chǎng)模型分析

4 偏心堵塞器投送可靠性應(yīng)用

2015—2018年針對(duì)偏心堵塞器投送系統(tǒng)存在的問題，持續(xù)開展可靠性及TRIZ系統(tǒng)分析與研究實(shí)踐。

4.1 偏心堵塞器投送TRIZ創(chuàng)新成果應(yīng)用

針對(duì)偏心堵塞器投送問題綜合運(yùn)用8項(xiàng)可靠性技術(shù)及TRIZ方法，提出33條技術(shù)路線，共確認(rèn)14條可行性方案（表6）。經(jīng)專家團(tuán)隊(duì)及TRIZ創(chuàng)新小組研究，提出6項(xiàng)專利方案、3項(xiàng)發(fā)明專利預(yù)案，TRIZ創(chuàng)新小組在2015—2018年期間相繼取得了3項(xiàng)發(fā)明專利，即卡塊滑道式[9]、鋼珠卡扣式[10]、投撈器及堵塞器組合式打撈工具（可伸縮堵塞器投送裝置、截面圓柱形投撈器、收縮槽式鎖輪）[11]。

表6 偏心堵塞器投送系統(tǒng)創(chuàng)新技術(shù)路線匯總

2019—2020年大慶油田某三大區(qū)塊為了提高偏心堵塞器投送效率，全面推廣應(yīng)用偏心堵塞器投送系統(tǒng)專利項(xiàng)目。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩年來偏心堵塞器一次投送成功率平均為84.6%，較之前提高了6.1%；降低經(jīng)濟(jì)損失400多萬(wàn)元。兩年來共統(tǒng)計(jì)偏心堵塞器投送各類故障問題203個(gè)，壓送頭故障率占32.05%，相較于之前壓送頭故障占比下降了31.01%，井下遇阻故障率占35.40%，相較于之前中井下遇阻故障占比提高了11.2%，主要受注入井油井轉(zhuǎn)注等井況影響?？梢姡槍?duì)壓送頭主要故障問題項(xiàng)開展可靠性研究與TRIZ創(chuàng)新效果顯著，極大提高了堵塞器投送成功率，減少了施工勞動(dòng)強(qiáng)度，經(jīng)濟(jì)效益明顯提升。

4.2 偏心堵塞器投送可靠性實(shí)踐效果

2020年12月，聘請(qǐng)可靠性專家對(duì)偏心堵塞器投送系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性效果進(jìn)行再評(píng)價(jià)，設(shè)定系統(tǒng)MTBF為150 h，月工作時(shí)間為50 h，結(jié)果見表7。

由表7可知，壓送頭應(yīng)用可靠度為0.853，較創(chuàng)新前（表2）提高了0.077；投撈組件的應(yīng)用可靠度為0.924，較設(shè)計(jì)可靠度（表1）提高了0.021。通過壓送頭及投撈組件這兩個(gè)重要因子的創(chuàng)新實(shí)踐，有效提高了偏心堵塞器投送可靠性。

表7 偏心堵塞器投送系統(tǒng)應(yīng)用可靠度分配表

5 結(jié)語(yǔ)

1）串聯(lián)型可靠性模型的偏心堵塞器投送系統(tǒng)，任何一個(gè)單元組件（投撈器、壓送頭、堵塞器）出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。

2）基于故障（失效）樹分析的偏心堵塞器投送系統(tǒng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，為投送系統(tǒng)故障預(yù)判提供參考依據(jù)。

3）基于TRIZ理論方法的功能分析技術(shù)物理矛盾分析、物場(chǎng)分析，為確定系統(tǒng)TRIZ解決技術(shù)路線提供實(shí)踐依據(jù)。

4）可靠性技術(shù)與TRIZ創(chuàng)新工具的綜合運(yùn)用，為解決技術(shù)物理方案提供可行性的思路、方法及工具。