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

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

0 引言

隨著天然氣的開發(fā)進入到中后期，氣藏的壓力和流動速度顯著降低，導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，會導致井筒中持續(xù)聚集液柱，最終會將氣壓死，造成氣井停產。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、工藝復雜等問題，不僅效率低，而且需要附加地面設備，提高了開采成本[2]。

在天然氣開采中，模擬實驗系統(tǒng)是進行多種工具及工藝研究必不可少的實驗手段，有關排水采氣試驗臺的研究，中石化公司西南油氣分公司于2009年設計出了模擬不同氣井井身結構的定向井泡沫排水井筒模擬實驗裝置[3]；中石油川慶鉆探工程有限公司于2012年設計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)井筒模擬實驗裝置[4]。排水采氣實驗臺的設計難點主要在于在試驗過程中對實驗裝置的反復拆卸和對井筒定向角度進行調節(jié)，為此多年以來人們一直希望能夠設計出便于反復拆卸、井筒定向角度的排水采氣實驗臺。

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)專家阿奇舒勒領導的研究機構，在分析了世界上近250萬件高水平發(fā)明專利的基礎上，綜合多學科領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)論和認識論作為哲學指導，再根據(jù)自然科學、思維科學和系統(tǒng)科學的分析和研究成果，以技術系統(tǒng)進化法則為理論基礎和核心思想，涵蓋了用于解決工程矛盾和復雜發(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，可以解決以技術沖突和物理矛盾為特征的復雜發(fā)明問題，結合系統(tǒng)化的解決問題流程，使設計人員得到行之有效的解決方案[6]。

本文先對產品進行初始形勢分析，確定技術矛盾與物理矛盾，再運用解決矛盾的發(fā)明原理與分離方法，對排水采氣實驗臺進行創(chuàng)新設計。

2 排水采氣實驗臺創(chuàng)新設計

2.1 排水采氣實驗臺的進化階段分析

通過專利數(shù)量和S曲線可以對產品的技術成熟度做出預測，這種方法已經被廣泛應用在各個領域技術的趨勢預測中[7]。根據(jù)系統(tǒng)進化階段的S曲線，結合現(xiàn)有排水采氣實驗臺的專利數(shù)量，不難判斷出排水采氣實驗臺目前的發(fā)展處在成長期。Mann D.認為當系統(tǒng)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(fā)明原理[8]。（圖1）

圖1 系統(tǒng)進化階段曲線

2.2 排水采氣實驗臺的技術矛盾分析

所謂技術矛盾，是指系統(tǒng)中的某個作用，同時產生對設計目的有利、有害的兩種影響[9]。

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

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

圖2 排水采氣實驗臺因果鏈分析圖

根據(jù)因果鏈分析可以得到當前系統(tǒng)的技術矛盾為：

①實驗臺應為剛性結構，又需要柔性部分來調整定向角度；

②實驗臺應易于收納，又需要具有完整結構。

對技術矛盾進行表述，確定39個工程參數(shù)：

確定要解決的技術矛盾為TC-1，它發(fā)生在（實驗臺的穩(wěn)定性）與（方便調整角度）之間，發(fā)生在（實驗臺為剛性結構）的時候。（圖3）

圖3 技術矛盾1表述圖

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

圖4 技術矛盾2表述圖

以上表述可以確定技術矛盾所對應的參數(shù)；

技術矛盾1：改善的參數(shù)：結構的穩(wěn)定性（13）惡化的參數(shù)：適用性及多用性（35）

技術矛盾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前技術問題的發(fā)明原理：

表1 技術矛盾矩陣表

通過對排水采氣實驗臺設計需求分析，有兩種可應用的發(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用到設計中：將實驗臺的換向結構設計成可以調節(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用到設計中：引入氣體填充實驗臺的套管與油管。

表2 發(fā)明原理及解釋說明

2.3 排水采氣實驗臺的物理矛盾分析

技術矛盾只能解決兩個相互關聯(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。確定當前系統(tǒng)的物理矛盾：

物理矛盾1：

（實驗臺）應該（為剛性結構），以滿足（提高裝置穩(wěn)定性）要求；（實驗臺）應該（為柔性結構），以滿足（調整裝置角度）要求。

物理矛盾2：

（實驗臺）應該（易于收納），以滿足（便于攜帶）要求；（實驗臺）應該（不易于收納），以滿足（提高可制造性）要求。

采用分離原理，提出技術方案：

方案1：將實驗臺的直井段設計成剛性結構，將實驗臺的轉向段設計成柔性結構。（物理矛盾1空間分離）

方案2：當需要進行實驗時，實驗臺為剛性結構，當不進行實驗時，實驗臺為柔性結構。（物理矛盾1時間分離）

方案3：將實驗臺的井筒設計成一節(jié)一節(jié)的波紋管結構，整體來看，實驗臺具有一定的剛度，但從局部看，一個個微小的波紋結構，又能使裝置在實驗時具有一定的柔性。（物理矛盾1系統(tǒng)分離）

方案4：將實驗臺設計成填充氣體的結構，當進行實驗時，充入氣體，當實驗結束時，放出氣體，便于攜帶。（物理矛盾2條件分離）

2.4 排水采氣實驗臺的物場模型分析

前文對技術矛盾、物理矛盾進行了分析，接下來對系統(tǒng)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提供排水采氣實驗臺。可以得到當前系統(tǒng)的物場模型如下：作用對象S1為實驗臺中的套管與油管，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：效應不足完整模型解法。（圖6）

圖6 一般解法模型

提出技術方案：

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

3 排水采氣實驗臺的設計預案

充氣管模擬排水采氣實驗臺的設計預案如圖5所示，主要包括充氣管道、定向部分、調心部分，可以實現(xiàn)實驗臺在工作時調節(jié)井筒長度。

首先將油管頂端與井口通過接箍接好，將定向彎頭與調心支架組裝，擰動調心支架上的螺母，將定向彎頭調整到所需角度，將調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心支架，向油管充氣，向套管充氣，調心支架定點抱死，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 實驗臺總圖

4 結論

本文以排水采氣實驗臺的創(chuàng)新設計為例，分析了排水采氣實驗臺在設計中存在的便于拆卸與便于調整角度的問題，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)明原理所構成的矛盾沖突解決矩陣，對排水采氣實驗臺進行了創(chuàng)新設計，將充氣井筒與定向彎頭進行組合，通過實驗時向井筒中填充氣體，實驗結束后放出井筒中的氣體，以滿足排水采氣實驗臺便于攜帶的要求；通過調整定向彎頭的螺母，以滿足排水采氣實驗臺調整角度的要求。通過創(chuàng)新設計，驗證了TRIZ理論在機械工程領域進行創(chuàng)新設計的可行性，進一步可為相關的產品創(chuàng)新提供理論依據(jù)。