基于TRIZ理论提高水下钻井应急安全系统效率

耿艳东

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①



基于TRIZ理论提高水下钻井应急安全系统效率

耿艳东

(河北华北石油荣盛机械制造有限公司，河北 任丘 062552)①

摘要：针对当前水下应急安全系统作业效率低下的问题，采用TRIZ创新理论对该问题进行根原因分析、资源分析，应用冲突解决理论及40条发明原理、物质-场分析及76个标准解对问题进行解答，并得出多个解决方案。对各个方案进行可用性分析，得出最终解决方案：为应急安全系统以及执行机构增加一套监测与控制系统；通过引入海水，抵消液端海水静压对蓄能器活塞的阻碍。最终方案有效提高了水下应急安全系统的效率。

关键词：水下；钻井；安全；控制系统；效率

水下应急安全系统是一种专门用于应对各种海洋钻井突发状况的紧急备用控制系统[1-4]，系统采用机械液压控制，存在作业效率低下的问题。随着钻井作业水深逐渐增加，该问题日益突出，亟待解决[4-6]。TRIZ创新理论是以前苏联G.S.Altshuller为首的专家通过对众多专利文献加以搜集、整理、归纳、提炼创建的一套科学、高效的理论方法，是解决发明问题和技术问题的强有力工具[7]。本文应用TRIZ创新理论中的分析工具对水下应急安全系统效率低下的问题进行深入分析，找到问题产生的根本原因，确定问题区域，根据实际情况进行功能分析、冲突区域确定、资源分析等，选择适用的创新工具方法进行解题，最后得出最终方案，有效解决了该问题。

1系统问题描述

水下应急安全系统主要由触发部分、功能管汇部分、蓄能器部分组成，如图1所示。系统触发部分监测主控系统是否正常，控制主油路通断；功能管汇部分控制着水下应急安全系统通向执行机构油路的通断；蓄能器部分负责向执行机构提供液压液[8]。

图1　水下应急安全系统结构示意

当前技术系统作业效率低下，具体体现在2个方面：

1)执行机构动作时间长。当应急安全系统在执行有严格先后顺序的时序动作时，可能由于环境变化造成干涉，动作均无法按时完成，最终导致关井失败。

2)蓄能器容积效率低。现有应急安全控制系统配备常规蓄能器。这种蓄能器在水下使用时会随着水深变化容积效率显著降低，如图2。3 000 m水深处的蓄能器容积效率只有水面上的1/10左右，因此需大幅增加蓄能器数量，以便为执行机构提供足够液量[9]。

图2　水下蓄能器容积效率变化曲线

针对“执行机构动作时间长”问题的解决方案是增加顺序阀或延时油路，但延时需操作人员多次试验调整，无法精准延时，仍可能出现动作干涉；针对“蓄能器容积效率低”问题的解决方案是蓄能器预充氦气，缺点是成本较高。

2TRIZ理论分析

2.1功能分析

针对当前技术系统，建立系统功能模型，明确与应急安全系统的元件、制品与超系统，同时识别相互之间的作用类型，如图3所示。

图3　水下应急安全系统功能模型

2.2因果分析

通过根原因分析法对水下应急安全系统效率低下的问题进行因果分析，建立根原因映射图，确定问题产生的根本原因，如图4所示。

2.3冲突区域确定

依据根原因分析结果和其相关问题元件及属性，最终确定两个问题区域，即：冲突问题1——应急安全系统无法根据动作完成情况调整功能；冲突问题2——液压液外部环境静水压大，如图4椭圆标记处。

冲突问题1所在区域存在3个不足作用：

1)执行机构对水面操作人员缺乏反馈——由于较深的海水阻隔，水面的操作人员无法用肉眼看清执行机构的执行情况。

2)执行机构对功能管汇部分缺乏反馈——缺乏设施将执行机构的执行情况反馈至功能管汇部分。

3)功能管汇不能根据实际情况合理将液量分配至执行机构，可能造成时间与液量浪费。

冲突问题2所在区域存在一个有害作用：海洋的高压环境作用于蓄能器内的液压液，压缩了蓄能器内气端储存的气体，占用了蓄能器的有效容积，致使蓄能器容积效率大幅降低[9]。

图4　根原因映射图

2.4可用资源分析

针对问题解决过程中的可用内部资源与外部资源进行分析，分析每项资源在问题求解过程中可能的作用，如表1～2所示。

表1　系统内部资源分析

表2　系统外部资源分析

3创新工具应用

根据上述分析结果，应用TRIZ理论工具对两个冲突问题进行解答，得到所有创新解，并确立最终解。其中冲突问题1采用冲突解决理论和40条发明原理进行解答；冲突问题2采用物质-场分析和76个标准解进行解答。

3.1冲突问题1解决方案

首先解决水下应急安全系统反馈不足问题。为了使水下应急安全系统可以直观的反馈操作信号，需要改善No37.监控与测试的困难程度，而这样会使No36.装置的复杂性发生恶化。查询冲突矩阵得到发明原理：10.预操作、15.动态化、28.机械系统的替代。

1)发明原理10.预操作对应的可能解。预先对物体进行特殊安排，使其在时间上有准备，或已处于易操作的位置。譬如，提前在执行机构附近布置ROV机器人[10]，便于水上工作人员及时观察情况，如图5所示。

图5　ROV就近观察操作水下设备

2)发明原理15.动态化对应的可能解。 使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以便达到优化的性能。譬如在执行机构上安装位移传感器，如图6所示。当执行机构关闭到位后，控制器通过对比位移数值，判定系统是否完成指令，完成后即可自动切断油路。

图6　水下位移传感器

3)发明原理28.机械系统的替代对应的可能解。用视觉听觉嗅觉系统代替部分机械系统。譬如，使用声呐系统用于信号反馈。例如防喷器关井操作动作到位时将触发某个声呐发生装置，通过声呐信号进行反馈操作，如图7所示。

图7　声纳反馈示意

然后解决引起冲突问题1的水下应急安全系统分配不足问题。为了使系统可以合理将液量分配至执行机构，需要改善No35.适应性及多用性，而这样会使No36.装置的复杂性发生恶化。查询冲突矩阵得到发明原理：15.动态化、28.机械系统的替代、29.气动与液压结构。

1)发明原理15.动态化对应的可能解。将一个物体划分成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置。例如加装互锁装置或油路选择开关，使油路可以在几种模式下进行切换，根据系统实际状态调整指令，实现液量合理分配，如图8所示。

图8　应急安全系统不同模式选择

2)发明原理28.机械系统替代对应的可能解。用电场、磁场以及电磁场完成与物体的相互作用。例如，根据传感器采集的信号，经控制系统分析后操作不同的电磁阀打开或关闭通往不同执行机构的指定油路，如图9所示。

图9　水下控制系统

3)发明原理29.气动与液压结构对应的可能解。物体的固体零部件可用气动或液压零部件代替。例如，安装电磁比例阀，根据执行动作所需的液量与响应时间调整阀门开启通径大小，如图10所示。

图10　电磁比例阀示意

3.2冲突问题2解决方案

针对冲突问题2建立问题的物质-场模型，定义现有问题为海水深度对蓄能器的排液效果产生的有害作用，如图11所示。

S1—蓄能器；S2—海水；FMe—压力场

考虑使用第1类标准中的第9-13条标准解消除或抵消有害效应，由此提出可能的解：

标准解No.11(1.2.3)有害效应是由一种场引起的，引入物质S3吸收有害效应。由于整套系统均处于海水中，蓄能器液端的海水静压会对蓄能器内部活塞的运动产生阻碍作用，从而影响蓄能器的排液效果。通过引入物质S3海水，使活塞的气端受到一个海水静压，从而抵消液端海水静压对蓄能器活塞的阻碍，如图12所示。

S1—蓄能器；S2—海水；S3—海水；FMe—压力场

将随水深变化的静水压反馈给蓄能器内部活塞，抵消连续液柱对活塞以及预充气体的压迫，如图13所示。

图13　水压补偿蓄能器示意

4方案汇总与评估

依据上述所得创新解，通过可用性评价，如表3所示，确定最终方案为：

1)应急控制系统以及执行机构增加一套监测与控制系统，通过传感器监测执行机构以及应急安全系统的状态，电控系统分析这些反馈信号，进而操作不同的电磁阀打开或关闭通往不同执行机构的指定油路，系统可根据执行指令所需的液量与响应时间调整阀门开启通径大小，从而实现液量合理分配。

2)系统状态通过声呐系统实时反馈至水面控制者，此外，通过引入物质S3海水，使活塞的气端受到一个海水静压，从而抵消液端海水静压对蓄能器活塞的阻碍。

表3　解决方案汇总与评估结果

5结论

1)通过TRIZ理论分析确定最终解决方案，形成了一套全新的水下应急安全系统总体架构，增加了系统可控性，实现了水下应急安全系统精细化控制，有效提高了系统的作业效率，符合技术进化的趋势[11-12]。

2)在现有应急安全系统的基础上引入电控技术以及水压补偿技术，实现了系统精确控制，抵消了环境水压对系统的负面影响。

3)新型应急安全系统若长期在海底待命，需解决系统电力持续供应问题。

4)新型应急安全系统较传统系统更加灵活高效，有效提升海洋钻井系统的安全水平，适合现有钻井平台升级改造。

5)今后将进一步利用TRIZ理论完善新型水下应急安全系统，推进产品的工程化应用以及智能化研究。

参考文献：

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[12]吴国辉，许宏奇，陈艳东，等.国内外深水防喷器控制系统的发展[J].石油矿场机械，2015，44(9)：1-4.

文章编号：1001-3482(2016)07-0027-06

收稿日期：①2015-12-29

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目“深水防喷器组及控制系统工程化研制”(2013AA09A220)

作者简介：耿艳东(1983-)男，河北高碑店人，工程师，现从事石油机械控制技术方面的研究工作，E-mail：18911063585@189.cn。

中图分类号：TE951

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.005

Improvement of Subsea Drilling Emergency Control System Efficiency Based on TRIZ Theory

GENG Yandong

(RongshengMachineryManufactureLtd.ofHuabeiOilfield，Renqiu062552，China)

Abstract：Aiming at the problem that current subsea emergency control system has a low operating efficiency，TRIZ innovative theory is used for root cause analysis and resource analysis to the problem，apply the theory of conflict resolution and 40 invention principles，material-field analysis and 76 standard solutions for solving the problem for the first time.It is concluded several solutions.The usability of these solutions is analyzed，and the final solution is drawn：add a set of monitoring and control system for the emergency control system and the actuator；introduce the sea water to offset the seawater static pressure on piston accumulator.The final solution improves the efficiency of emergency control system efficiently.

Keywords：under water；drilling；safety；control system；efficiency