基于TRIZ 理论的抽油杆与油管磨损问题求解

高书香 耿小丕 范志东 韩彦龙 李冰冰 赵海贤

(承德石油高等专科学校,河北 承德067000)

抽油机井是当前陆地油田上最主要的开采方式之一,但同时斜井、定向井等也是常见的井筒结构形式。当利用抽油机开采定向井、斜井等井筒内的流体时,由于井眼倾斜和弯曲导致杆管之间存在较大的接触压力,从而导致抽油杆和油管之间发生摩擦损害,通常称为杆管偏磨[1]。这种偏磨会导致抽油杆柱断脱、油管漏失、作业频次增加等等。为了减少甚至消除偏磨,人们研发设计了诸多设备与方法,但都没有解决根本问题。本文利用TRIZ 原理进行求解分析,力图找到解决问题的最优方案。

1 问题的背景

抽油机井开采系统是由抽油机(在地面上)、井口装置(在地面上)、抽油泵(在井底)、抽油杆柱和油管柱(分别由多根抽油杆、油管连接而成,在井筒中)组成。

抽油泵是一种活塞泵,依靠活塞的往复运动抽汲流体；抽油杆柱的功能就是传递抽油机驴头的动力给井下抽油泵的活塞；油管的作用是把抽油泵抽汲的流体导流到井口；井口的功能有密封、导流、测压等。由于诸多原因的存在,导致抽油杆柱在上下往复运动过程中发生摆动和弯曲,从而引起抽油杆和油管之间的磨损,如图1 所示。

图1 杆管偏磨示意图

为了防止抽油杆和油管之间发生摩擦损坏,通常在抽油杆上安设数量不等的扶正器。为更好地防止偏磨,还使用内衬油管、旋转井口等其它措施,但现场使用效果并不理想。

2 问题分析

根据TRIZ 原理,针对上述问题,依次进行了以下分析。

2.1 功能分析

对该系统进行功能分析,建立功能模型,如图2 所示。

图2 抽油机井系统功能模型

2.2 原因分析

利用因果链分析、裁剪分析、鱼骨图分析等方法,对系统发生偏磨的原因进行多角度分析,发现导致偏磨的主要原因有6项,如图3 所示。

图3 导致问题的主要原因

我们选择第5 项原因,作为解决问题的关键点,利用TRIZ原理进行方案设计和改进。

3 利用TRIZ 原理解决问题

3.1 选定关键问题

第5 项原因作为问题的关键点,即:在上下往复运动过程中,抽油杆柱缺乏足够的横向支撑力。

抽油机井系统在采油过程中,抽油杆柱不但要上下往复运动,而且还要承受振动载荷、惯性载荷等多种动载荷,不可避免地出现横向摆动情况。目前在诸多防偏磨技术中,主要依靠扶正器的横向支撑力,但效果并不理想。

3.2 选择解决工具

从上述分析可以看出,抽油杆柱和油管柱之间的物场模型不完整,因此选用物场模型和标准解原理进行求解设计。求解前的物场模型如图4 所示。

图4 问题的物场模型

根据标准解求解原理和流程,选用第一类或第二类标准解进行求解,得到8 个初步方案,如表1 所示。

表1 创新设计的初步方案

4 方案优选与设计

4.1 优选方案

上述8 个方案中,根据矿场生产实际,以及设备生产企业的基本状况,定性筛选出4 个方案进行后续的定量评价,即方案1、3、5、8。定量评价指标选用设备成本、系统效率、防磨损程度,各指标的权重依次是0.2、0.4、0.4。然后对定性筛选出的4 个方案进行打分,如表2 所示。

表2 定量评价打分情况

各方案的计算量化值依次是:0.92、0.8、0.76、0.92。因此,方案1 和方案8 同为最优方案。

4.2 设计方案

将方案1 和方案8 相结合,设计方案如下:

(1)在抽油杆的外表面和油管的内表面,分别镶嵌极性相同的磁体。

(2)抽油杆和油管可以单独生产,现场安装后再使用；也可在制造时嵌套配置。

(3)磁件的分布型式、镶嵌方式可根据载荷大小而选择。

上述设计已经申请专利,并获得授权(CN 211737102 U)。

5 结论

5.1 TRIZ 作为一种创新工具,在改进设备结构及工艺等方面,具有显著优势。

5.2 TRIZ 理论的应用,要结合大量的问题分析工具。

5.3 利用TRIZ 原理求解问题时产生的大量方案,需要结合有效的方案评价方法进行优选,提高问题求解效率。