基于TRIZ理論的采油平臺(tái)井口蓋板吊具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

牛志巍 NIU Zhi-wei；趙俊杰 ZHAO Jun-jie；李治淼 LI Zhi-miao

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

0 引言

隨著海上油田不斷向著深水和超深水發(fā)展，進(jìn)行深水和超深水海洋鉆井采油的關(guān)鍵裝備及其相應(yīng)的海洋石油平臺(tái)的發(fā)展逐漸向著安全、高效的方向邁進(jìn)。在此期間，海洋平臺(tái)的發(fā)展經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的過程，平臺(tái)的材料從最初的木材到鋼材再到現(xiàn)在的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式；平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式也從固定發(fā)展到移動(dòng)等多種形式；平臺(tái)的作業(yè)水深也從淺水發(fā)展到1000多米的深水。研究其發(fā)展則成為目前深水和超深水石油開發(fā)首要的課題。

我國海洋油氣開發(fā)始于1964年1月，故而當(dāng)時(shí)將海洋石油公司命名為“641”公司。從1966年12月底在渤海灣建成第一座固定式導(dǎo)管架平臺(tái)起，這30多年的時(shí)間里中國海洋石油總公司下屬的四大公司：渤海公司、南海東部、西部公司和東海公司己建成使用的海洋平臺(tái)有幾十座。主要平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式包括鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)、錐體沉箱式和浮式[1]。

海洋平臺(tái)作為固定井架設(shè)備以及安放采油工具的重要設(shè)備，一直都是海洋油田開采中的重要保障。當(dāng)在井口施工時(shí)，井口處的蓋板需要被吊裝起來，方便工作人員進(jìn)行下一步的作業(yè)，但直接起吊的蓋板存在墜落的風(fēng)險(xiǎn)，因此，平臺(tái)上的工作人員希望能設(shè)計(jì)一種能靈活的將蓋板移動(dòng)到多個(gè)位置的吊具。

1 TRIZ理論概述

TRIZ是俄文“Teorijz Rezhenija Izobretatel'skich Zadach”的詞頭縮寫，為發(fā)明問題解決理論的意思[2]。該理論的提出者阿奇舒勒以高水平專利為研究基礎(chǔ)，在分析了世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，找出了發(fā)明背后存在的模式，以此形成了TRIZ的原始基礎(chǔ)，進(jìn)一步的提出了一整套具有完整體系的理論和方法。該理論體系經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，目前主要包括9大工具：①技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則；②最終理想解；③40個(gè)發(fā)明原理；④阿奇舒勒沖突矩陣；⑤物理矛盾和分離原理[3]；⑥物質(zhì)場模型；⑦76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解；⑧發(fā)明問題解決算法；⑨科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫。TRIZ方法具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性，目前已在很多工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，不僅創(chuàng)造出了成千上萬項(xiàng)的重大發(fā)明，同時(shí)還為企業(yè)帶來了高額的利潤。

2 采油平臺(tái)井口蓋板吊具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的進(jìn)化階段分析

在TRIZ理論中，通過檢索當(dāng)前系統(tǒng)的專利數(shù)量并結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)化階段的S曲線，可以預(yù)測產(chǎn)品的技術(shù)成熟度，這種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域技術(shù)的趨勢預(yù)測中[4]。根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化階段的S曲線，結(jié)合現(xiàn)有采油平臺(tái)井口蓋板吊具的專利數(shù)量，不難判斷出排水采氣實(shí)驗(yàn)臺(tái)目前的發(fā)展處在嬰兒期。Mann D.認(rèn)為當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)化到一定階段時(shí)面臨的主要問題是解決矛盾，對應(yīng)的主要工具是矛盾矩陣和發(fā)明原理[5]。

圖1 系統(tǒng)進(jìn)化階段曲線

2.2 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的初始形勢分析

2.2.1 當(dāng)前系統(tǒng)的功能及組成

采油平臺(tái)井口蓋板吊具通常是放置在井口蓋板上的起支撐作用的可移動(dòng)機(jī)械裝置，起到為工人進(jìn)行井下作業(yè)時(shí)，抬起井口蓋板并將其固定在不影響作業(yè)位置的用途。主要由液壓絞車、鎖具、卸扣等組成。

2.2.2 當(dāng)前系統(tǒng)的工作原理

采油平臺(tái)井口蓋板拆裝過程中，需要液壓絞車或游車大鉤帶鎖具用卸扣吊裝井口蓋板，將卸扣安裝在井口蓋板的把手處，井口蓋板在移運(yùn)的過程中，把手主要承受蓋板重量，存在把手?jǐn)嗔?，蓋板掉落的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)井口蓋板在移運(yùn)過程中需要人員用牽引繩拉動(dòng)吊索，改變蓋板移運(yùn)方向。

2.2.3 當(dāng)前系統(tǒng)存在的主要問題

①井口蓋板在移運(yùn)的過程中，把手主要承受蓋板重量，存在把手?jǐn)嗔眩w板掉落的風(fēng)險(xiǎn)；②井口蓋板移走后，其原部位為敞開區(qū)域，人員在拉動(dòng)牽引繩時(shí)存在跌落的風(fēng)險(xiǎn)；③由于吊運(yùn)的鋼絲繩是從轉(zhuǎn)盤處放下來的，由于限位，也容易磨損鋼絲繩，存在吊物墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.4 問題解決目標(biāo)

①不需要卸扣吊裝蓋板把手，定制專用電動(dòng)葫蘆拉動(dòng)井口蓋板懸吊鋼絲繩，將井口蓋板移運(yùn)至旁側(cè)，省去了人工拉牽引繩改變移運(yùn)方向，保障人員安全；②井口蓋板移至旁側(cè)后，將井口蓋板移運(yùn)遠(yuǎn)離敞開部位，防止井口吊物磕碰、墜落風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的技術(shù)矛盾分析

通過對采油平臺(tái)的井口蓋板吊具進(jìn)行功能分析，不難發(fā)現(xiàn)，其在采油平臺(tái)當(dāng)中主要起到阻擋井口的作用。但是目前的井口蓋板吊具，采用提升機(jī)構(gòu)將蓋板吊起后，蓋板被吊在井口的正上方，具有墜落傷人的風(fēng)險(xiǎn)。因此我們希望設(shè)計(jì)一種可以靈活移動(dòng)蓋板位置的吊具。

針對剛剛提出的問題，下面對當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，以便確定當(dāng)前系統(tǒng)的技術(shù)矛盾。根據(jù)因果鏈分析，我們可以得到當(dāng)前系統(tǒng)的技術(shù)矛盾：①吊具既應(yīng)該方便移運(yùn)，又應(yīng)該與井口蓋板緊密連接。②吊運(yùn)吊具的鋼絲繩，既應(yīng)該方便限位，又應(yīng)該避免磨損鋼絲繩，減小吊物墜落風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 采油平臺(tái)井口蓋板吊具因果鏈分析圖

對技術(shù)矛盾進(jìn)行表述，確定39個(gè)工程參數(shù)：確定要解決的技術(shù)矛盾為TC-1，它發(fā)生在（吊具方便調(diào)整位置）與（井口蓋板緊密連接）之間，發(fā)生在（需要移運(yùn)井口蓋板）的時(shí)候（圖3）。確定要解決的技術(shù)矛盾為TC-3，它發(fā)生在（吊具采用鋼絲繩限制位置）與（減小吊物墜落風(fēng)險(xiǎn)）之間，發(fā)生在（需要移運(yùn)井口蓋板）的時(shí)候（圖4）。技術(shù)矛盾1：改善的參數(shù)：可靠性（27）惡化的參數(shù)：系統(tǒng)的復(fù)雜性（36）技術(shù)矛盾2：改善的參數(shù)：可靠性（27）惡化的參數(shù)：可操作性（33）

圖3 技術(shù)矛盾1表述圖

圖4 技術(shù)矛盾2表述圖

查看下面的阿奇舒勒矛盾矩陣表[3]（表1），可以確定用于解決當(dāng)前技術(shù)問題的發(fā)明原理。通過對采油平臺(tái)井口蓋板吊具的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析，確定出39個(gè)工程參數(shù)。再結(jié)合從矛盾矩陣表中查到的發(fā)明原理，從中找到兩個(gè)較為適合的發(fā)明原理，分別為第13條、第1條和第17條發(fā)明原理，如表2所示。其中，將反向作用原理應(yīng)用到吊具的設(shè)計(jì)當(dāng)中：在吊具上設(shè)計(jì)有伸展機(jī)構(gòu)，方便對蓋板的位置進(jìn)行調(diào)整；將分割原理應(yīng)用到吊具的設(shè)計(jì)中：將原本為一個(gè)整體的吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以實(shí)現(xiàn)相對移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，將一維變多維原理應(yīng)用到吊具的設(shè)計(jì)當(dāng)中：在吊具上設(shè)計(jì)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，方便對蓋板的位置進(jìn)行水平方向的調(diào)整。

表1 技術(shù)矛盾矩陣表

表2 發(fā)明原理及解釋說明

2.4 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的物理矛盾分析

技術(shù)矛盾用于解決相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，但要是考慮系統(tǒng)中的同一個(gè)參數(shù)對系統(tǒng)的影響，則需要用到物理矛盾解決，下面確定當(dāng)前系統(tǒng)的物理矛盾。

物理矛盾：

（井口蓋板吊具）應(yīng)該（方便調(diào)整位置），以滿足（避免蓋板墜落傷人）要求；（井口蓋板吊具）應(yīng)該（不方便調(diào)整位置），以滿足（縮短作業(yè)時(shí)間）要求。

采用分離原理，提出技術(shù)方案：方案1：將井口蓋板吊具設(shè)計(jì)成組合式的結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要調(diào)整位置的時(shí)候，通過吊具的伸展結(jié)構(gòu)對蓋板位置進(jìn)行調(diào)整。（系統(tǒng)分離）方案2：當(dāng)需要調(diào)整位置時(shí)，井口蓋板吊具具有磁性，當(dāng)不需要調(diào)整位置時(shí)，井口蓋板吊具不具有磁性。（時(shí)間分離）方案3：井口蓋板吊具設(shè)計(jì)成一節(jié)一節(jié)的波紋結(jié)構(gòu)，整體來看，井口蓋板吊具具有一定的剛度，但從局部看，一個(gè)個(gè)微小的波紋結(jié)構(gòu)，又能使井口蓋板吊具在工作時(shí)具有一定的柔性，不至于在長時(shí)間的磨損后發(fā)生破壞。（系統(tǒng)分離）方案4：將井口蓋板吊具設(shè)計(jì)成填充流體的液壓結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要使用井口蓋板吊具時(shí)，充入流體，將井口蓋板舉升，當(dāng)不需要使用井口蓋板吊具時(shí)，放出流體，便于攜帶。（條件分離）

2.5 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的物場模型分析

通過前文對采油平臺(tái)井口蓋板吊具系統(tǒng)中存在的技術(shù)矛盾、物理矛盾進(jìn)行了分析，接下來需要對系統(tǒng)的技術(shù)問題進(jìn)行物-場模型分析，首先確定待解決的技術(shù)問題為設(shè)計(jì)一種采油平臺(tái)井口蓋板吊具?？梢缘玫疆?dāng)前系統(tǒng)的物場模型如圖5：作用對象S1為采油平臺(tái)井口蓋板，工具S2為井口蓋板吊具，二者之間作用場為機(jī)械場，屬于有效作用不足模型。采用一般解法5：效應(yīng)不足完整模型解法（圖6）。提出技術(shù)方案：方案5：將采油平臺(tái)井口蓋板系統(tǒng)中原本的吊具改為強(qiáng)磁吊具，引入可靠性高的磁場，再結(jié)合有導(dǎo)軌組成的換向結(jié)構(gòu)，便可輕易的改變采油平臺(tái)井口蓋板吊具的固定位置。

圖5 物場模型

圖6 一般解法模型

3 采油平臺(tái)井口蓋板吊具的設(shè)計(jì)預(yù)案

通過對采油平臺(tái)井口蓋板吊具進(jìn)行分析，得到了諸多的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合提出的方案，最終采油平臺(tái)井口蓋板吊具的工作狀態(tài)圖和放置位置示意圖分別如圖7、圖8所示，其中工作狀態(tài)圖展示了井口蓋板吊具的待機(jī)狀態(tài)與工作狀態(tài)。首先將上滑軌與下滑軌連接起來，用桁架結(jié)構(gòu)將四個(gè)永磁磁力吊通過吊索具連接到桁架上，確保四個(gè)磁力吊受力均勻，直接用四聯(lián)鎖具將四個(gè)磁力吊連接，形成強(qiáng)大磁力，吊運(yùn)井口蓋板。當(dāng)需要移運(yùn)蓋板時(shí)，可以通過左右移動(dòng)滑軌，帶動(dòng)蓋板一起運(yùn)動(dòng)，避免了直接將蓋板吊起，帶來的蓋板墜落的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 井口蓋板吊具機(jī)械式工具工作狀態(tài)圖

圖8 井口蓋板吊具工具放置位置示意圖

4 結(jié)論

本文根據(jù)采油平臺(tái)井口蓋板吊具的設(shè)計(jì)需求，通過對其存在的技術(shù)矛盾與物理矛盾[6-8]進(jìn)行了分析，再基于TRIZ理論中的發(fā)明原理，對采油平臺(tái)井口蓋板吊具進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新結(jié)構(gòu)采用磁力吸合井口蓋板，不需要卸扣吊裝蓋板把手，同時(shí)采用組合式結(jié)構(gòu)對蓋板進(jìn)行吊放，省去了人工拉牽引繩改變移運(yùn)方向，避免了將蓋板吊起之后蓋板墜落的問題，保障人員安全。證實(shí)了TRIZ理論確實(shí)可以在機(jī)械工程領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)一步可為相關(guān)的產(chǎn)品創(chuàng)新提供理論依據(jù)。