基于TRIZ理论的充气管排水采气实验台创新设计

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

（①中海油田服务股份有限公司，天津 300459；②东北石油大学，大庆 163318）

0 引言

随着天然气的开发进入到中后期，气藏的压力和流动速度显著降低，导致气藏不能随天然气从井筒中带出水和凝析液，使其滞留在井中，出现“气井积液”现象[1]。持续出现这种情况，会导致井筒中持续聚集液柱，最终会将气压死，造成气井停产。目前针对这种现象，普遍采用常规的排水采气工艺，但常规工艺存在间歇式开采、工艺复杂等问题，不仅效率低，而且需要附加地面设备，提高了开采成本[2]。

在天然气开采中，模拟实验系统是进行多种工具及工艺研究必不可少的实验手段，有关排水采气试验台的研究，中石化公司西南油气分公司于2009年设计出了模拟不同气井井身结构的定向井泡沫排水井筒模拟实验装置[3]；中石油川庆钻探工程有限公司于2012年设计出了用于模拟定向井井下流态的全可视化定向井气液流态井筒模拟实验装置[4]。排水采气实验台的设计难点主要在于在试验过程中对实验装置的反复拆卸和对井筒定向角度进行调节，为此多年以来人们一直希望能够设计出便于反复拆卸、井筒定向角度的排水采气实验台。

1 TRIZ理论概述

TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文缩写，由前苏联专家阿奇舒勒领导的研究机构，在分析了世界上近250万件高水平发明专利的基础上，综合多学科领域的原理和法则形成的理论体系[5]。

TRIZ理论体系采用辩证法、系统论和认识论作为哲学指导，再根据自然科学、思维科学和系统科学的分析和研究成果，以技术系统进化法则为理论基础和核心思想，涵盖了用于解决工程矛盾和复杂发明问题所需要的分析方法、算法流程和解题工具。利用TRIZ理论，可以解决以技术冲突和物理矛盾为特征的复杂发明问题，结合系统化的解决问题流程，使设计人员得到行之有效的解决方案[6]。

本文先对产品进行初始形势分析，确定技术矛盾与物理矛盾，再运用解决矛盾的发明原理与分离方法，对排水采气实验台进行创新设计。

2 排水采气实验台创新设计

2.1 排水采气实验台的进化阶段分析

通过专利数量和S曲线可以对产品的技术成熟度做出预测，这种方法已经被广泛应用在各个领域技术的趋势预测中[7]。根据系统进化阶段的S曲线，结合现有排水采气实验台的专利数量，不难判断出排水采气实验台目前的发展处在成长期。Mann D.认为当系统进化到一定阶段时面临的主要问题是解决矛盾，对应的主要工具是矛盾矩阵和发明原理[8]。（图1）

图1 系统进化阶段曲线

2.2 排水采气实验台的技术矛盾分析

所谓技术矛盾，是指系统中的某个作用，同时产生对设计目的有利、有害的两种影响[9]。

从功能上来看，排水采气实验台是用来模拟气井开采工艺研究的重要手段，起到为真实气井开采提供参考依据的作用。但搭建实验台的成本偏高，我们希望可以用同一套实验台模拟不同井深、不同定向角度的水平井工况。

针对目前存在的问题，为确定当前系统的技术矛盾，需对系统进行因果链分析，得到的因果链如图2所示。

图2 排水采气实验台因果链分析图

根据因果链分析可以得到当前系统的技术矛盾为：

①实验台应为刚性结构，又需要柔性部分来调整定向角度；

②实验台应易于收纳，又需要具有完整结构。

对技术矛盾进行表述，确定39个工程参数：

确定要解决的技术矛盾为TC-1，它发生在（实验台的稳定性）与（方便调整角度）之间，发生在（实验台为刚性结构）的时候。（图3）

图3 技术矛盾1表述图

确定要解决的技术矛盾为TC-3，它发生在（实验台易于收纳）与（实验台的可制造性）之间，发生在（实验台便于携带）的时候。（图4）

图4 技术矛盾2表述图

以上表述可以确定技术矛盾所对应的参数；

技术矛盾1：改善的参数：结构的稳定性（13）恶化的参数：适用性及多用性（35）

技术矛盾2：改善的参数：适用性及多用性（35）恶化的参数：可靠性（27）

查看下面的阿奇舒勒矛盾矩阵表[10-11]，可以确定用于解决当前技术问题的发明原理：

表1 技术矛盾矩阵表

通过对排水采气实验台设计需求分析，有两种可应用的发明原理，分别为第30条和第24条发明原理，如表2所示。其中，将柔性壳体或薄膜原理应用到设计中：将实验台的换向结构设计成可以调节角度的定向弯头与填充气体的柔性薄膜组合的形式；将借助中介物原理应用到设计中：引入气体填充实验台的套管与油管。

表2 发明原理及解释说明

2.3 排水采气实验台的物理矛盾分析

技术矛盾只能解决两个相互关联的参数，而对于系统中同一个参数的影响，需要用到物理矛盾来解决。确定当前系统的物理矛盾：

物理矛盾1：

（实验台）应该（为刚性结构），以满足（提高装置稳定性）要求；（实验台）应该（为柔性结构），以满足（调整装置角度）要求。

物理矛盾2：

（实验台）应该（易于收纳），以满足（便于携带）要求；（实验台）应该（不易于收纳），以满足（提高可制造性）要求。

采用分离原理，提出技术方案：

方案1：将实验台的直井段设计成刚性结构，将实验台的转向段设计成柔性结构。（物理矛盾1空间分离）

方案2：当需要进行实验时，实验台为刚性结构，当不进行实验时，实验台为柔性结构。（物理矛盾1时间分离）

方案3：将实验台的井筒设计成一节一节的波纹管结构，整体来看，实验台具有一定的刚度，但从局部看，一个个微小的波纹结构，又能使装置在实验时具有一定的柔性。（物理矛盾1系统分离）

方案4：将实验台设计成填充气体的结构，当进行实验时，充入气体，当实验结束时，放出气体，便于携带。（物理矛盾2条件分离）

2.4 排水采气实验台的物场模型分析

前文对技术矛盾、物理矛盾进行了分析，接下来对系统的技术问题进行物-场模型分析，首先确定待解决的技术问题为提供排水采气实验台。可以得到当前系统的物场模型如下：作用对象S1为实验台中的套管与油管，工具S2为定向弯头，二者之间作用场为机械场，属于有效作用不足模型。（图5）

图5 物场模型

采用一般解法5：效应不足完整模型解法。（图6）

图6 一般解法模型

提出技术方案：

方案5：将实验台原本的油管与套管改为充气结构，引入流动性好的液压场，再通过原本的换向结构，便可轻易的改变实验台的定向角度。

3 排水采气实验台的设计预案

充气管模拟排水采气实验台的设计预案如图5所示，主要包括充气管道、定向部分、调心部分，可以实现实验台在工作时调节井筒长度。

首先将油管顶端与井口通过接箍接好，将定向弯头与调心支架组装，拧动调心支架上的螺母，将定向弯头调整到所需角度，将调心支架装入未充气的套管，将未充气的油管穿过定向弯头和调心支架，向油管充气，向套管充气，调心支架定点抱死，将新油管穿过卡套以及新套管，将新油管充气，将套管与新套管通过法兰接好，将套管套在油管外面，将向套管充气，将新套管充气，将套管与新套管之间的法兰连接，将新套管与井底之间的法兰连接。（图7）

图7 实验台总图

4 结论

本文以排水采气实验台的创新设计为例，分析了排水采气实验台在设计中存在的便于拆卸与便于调整角度的问题，并基于TRIZ理论的矛盾解决原理，利用39个工程参数和40条发明原理所构成的矛盾冲突解决矩阵，对排水采气实验台进行了创新设计，将充气井筒与定向弯头进行组合，通过实验时向井筒中填充气体，实验结束后放出井筒中的气体，以满足排水采气实验台便于携带的要求；通过调整定向弯头的螺母，以满足排水采气实验台调整角度的要求。通过创新设计，验证了TRIZ理论在机械工程领域进行创新设计的可行性，进一步可为相关的产品创新提供理论依据。