创新方法让科研少走弯路

文/本刊记者 马思遥

河北赛区

中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司

2022年11月6日至18日，《联合国气候变化框架公约》第二十七次缔约方大会（COP27）在埃及举办，中国生态环境部相关负责人在中国角“减污降碳协同增效：实现环境、气候、经济效益多赢”主题边会表示，中国式现代化的一个重要特征就是人与自然的和谐共生，中国政府将会统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，以减污降碳协同增效促进经济社会绿色低碳高质量发展。

中国气候变化谈判代表团团长、生态环境部副部长赵英民在出席边会时表示，“为落实‘双碳’目标，中国全面加速落实行动”。他介绍，中国已制定出台了包括能源、工业、交通运输等重点领域，煤炭、石油天然气、钢铁等重点行业碳达峰实施方案，以及科技、财政、绿色金融、减污降碳、人才培养等方面的支撑保障方案。

近年来，放眼世界，人类文明的发展史和能源的利用息息相关。能源企业过去一直都是“产污排碳”的大户，以化石能源为主的传统供应结构与“双碳”目标、低碳高质量发展的要求逐渐偏离，为此，以中国石油天然气股份有限公司为代表的我国能源企业积极探索、勇于开拓，加快实施绿色低碳发展战略，持续提升能源利用率，争当清洁能源低碳转型的推动者，最大限度内减少污染物和温室气体的排放，为全社会提供清洁优质的能源，展现出非凡的企业担当和社会责任。

中国石油天然气股份有限公司华北油田分公司（以下简称“华北油田分公司”）将创新方法引入公司研发中，让减污降碳拥抱创新方法，形成了诸多行之有效成绩非凡的成果，其中由华北油田分公司青年科技创新团队研发的“解决油井井下作业绿色环保问题关键技术研究与应用”科研成果荣获2022年中国创新方法大赛总决赛一等奖。

马伟娜是华北油田分公司青年科技创新团队的团队骨干，她介绍说：“其实从我们团队的名字中就可以看出来，我们是一支朝气蓬勃的年轻团队，平均年龄只有37岁。团队成员窦勤光、张峰具备较高材料组织能力，创新思路开阔、创新理念超前，团队成员在参赛期间各取所长、通力合作，再加上创新方法的学习和运用，取得了‘2+1’远大于‘3’的效果。”

目前，我国油井生产的主要手段为泵排采油，其中管式泵占比约95%。当油井井筒出现故障时，则需要进行井下作业。油井井下作业，是油田勘探开发过程中保证油井正常生产的技术手段。主要有油井维修、油井大修、油层改造和试油。在进行油井维修、大修作业时需要将管柱起出地面，同时管杆会将油污携带外泄，存在极大的环保隐患。据数据显示，各大油田每年井下作业平均达到2000多次，但是解决油井井下作业环保问题的措施却十分有限，目前仅有作业前反洗井和利用憋压式泄油器泄油后再进行洗井。油井井下作业环保问题导致井场地面渗漏、杆管蒸汽清洗、污染处理费用很高、安全隐患增加、油井减产等问题，严重制约石油工业的经济发展，同时对环境造成破坏。在此背景下，马伟娜团队将创新方法引入到了研发工作中，开始了“如何实现油井井下绿色环保作业”的课题研究。

马伟娜团队应用TRIZ理论，建立了系统功能模型，然后使用因果分析法，得到了初步行之有效的方案——加入清蜡剂、降粘剂，并找到了产生问题的三个关键点。之后又使用资源分析法得到了三个可行方案。

比如为了解决抽油杆偏磨问题，马伟娜团队使用了技术冲突、物理冲突、物质-场、小人法四套工具，得出“加入扶正器以减缓抽油杆磨损速度”的结论。然而这样新的问题又出现了，该方法会导致油流通道变小。马伟娜团队再次利用TRIZ工具，找到了利用柔性壳体或薄膜原理等方式，提高金属表面的耐磨性来解决新的问题。

马伟娜（左二）和同事利用创新方法探索解决方式

油井施工现场

随着研究的进行，新的创新方法不断涌现，然而各种新的问题也接踵而来，马伟娜团队虽然选用了成本低、易操作、施工周期短的抽油杆旋转保护器改变抽油杆的单一上下运动延缓杆管磨损速度，但是在实际应用中二者仍然是传统的刚性接触，偏磨现象依旧会出现。

为了抵消偏磨，马伟娜团队再次利用物质-场进行分析，得出“使用超高分子包覆内衬油管，使油管内部抽油杆变为柔性接触，抵消偏磨”的方案。该方案能够实现小角度定向井的内衬管偏磨抵消，但是对于大斜度井，偏磨问题依然存在。为此，马伟娜团队再次用TRIZ工具，使用物质-场进一步完善方案，突破性地以柔性接触代替了刚性接触，提出了点面磨损转换的新思路。最后再使用小人法分析杆柱受力情况，得出方案“在杆柱不受力时，实施杆柱加重，解决杆柱失稳造成的偏磨问题”。

“通过使用TRIZ理论，我们突破常规转变思路，以治理抽油杆偏磨腐蚀结垢为切入点，从根源上创造井筒内泄油通道；首创管式泵泄油器组合工艺，实现井筒泄油‘双保险’。通过举一反三对解决螺杆泵井下作业问题也有了突破，首创螺杆泵抽油管柱提开式泄油工艺，开创螺杆泵井井下作业源头控污的先河，达到国内先进水平。”马伟娜进一步介绍。

虽然TRIZ工具和理论提供了诸多行之有效的方法，但是研发的过程绝不是一帆风顺的，在整个课题的研发期间，马伟娜团队经常遇到各种各样的挫折和意想之外的困难。

“我觉得在成果开发和研究过程中，最大的困难就是拘泥于有限的知识领域，习惯于用领域内的经验，不能跳出领域知识之外进行思考，不善于也无法使用其他行业的知识和方法来解决自己行业的问题，缺乏跨行业、跨领域知识之间的相互借鉴。”马伟娜说，“通过创新方法的学习和应用，不仅开拓了我们的思维，而且让我们找到了克服惯性思维的方法、将本领域与跨领域连接的桥梁，更使我们的知识多元化。让我们从多维度、多角度考虑问题，这样才能找到更新颖的创意。”

虽然困难重重，但是强大的TRIZ理论有一套自己独有的解题框架，马伟娜团队应用相关工具，首先将特定问题转换成TRIZ的一般问题；其次通过发明原理、分离原理、76个标准解等多种解题工具对TRIZ的一般问题进行求解；然后以学识和经验建立可行的构想，得到需要的特定解；最后通过评价确定最终的解决方案。虽然研发中困难和阻碍一直存在，但是根据这个清晰的解题框架，他们少走了很多弯路。

目前，马伟娜团队研发的新技术在华北油田7个采油单位应用，近二年共计发生油井井下作业4924井次；避免了油井井下作业造成的大面积地面环境污染；有效缩短井下作业占井周期，实现了规模化的原油增产。

该项目从源头上解决了油井井下作业造成的地面环境污染，推进绿色矿山建设，对加快生态文明建设提供有力的技术支撑；同时，创新使用新工艺，全面提高工作效率、生产运行安全性，降低职工劳动强度。