基于TRIZ 理論的抽油桿與油管磨損問題求解

高書香 耿小丕 范志東 韓彥龍 李冰冰 趙海賢

(承德石油高等專科學(xué)校,河北 承德067000)

抽油機(jī)井是當(dāng)前陸地油田上最主要的開采方式之一,但同時(shí)斜井、定向井等也是常見的井筒結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)利用抽油機(jī)開采定向井、斜井等井筒內(nèi)的流體時(shí),由于井眼傾斜和彎曲導(dǎo)致桿管之間存在較大的接觸壓力,從而導(dǎo)致抽油桿和油管之間發(fā)生摩擦損害,通常稱為桿管偏磨[1]。這種偏磨會(huì)導(dǎo)致抽油桿柱斷脫、油管漏失、作業(yè)頻次增加等等。為了減少甚至消除偏磨,人們研發(fā)設(shè)計(jì)了諸多設(shè)備與方法,但都沒有解決根本問題。本文利用TRIZ 原理進(jìn)行求解分析,力圖找到解決問題的最優(yōu)方案。

1 問題的背景

抽油機(jī)井開采系統(tǒng)是由抽油機(jī)(在地面上)、井口裝置(在地面上)、抽油泵(在井底)、抽油桿柱和油管柱(分別由多根抽油桿、油管連接而成,在井筒中)組成。

抽油泵是一種活塞泵,依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)抽汲流體；抽油桿柱的功能就是傳遞抽油機(jī)驢頭的動(dòng)力給井下抽油泵的活塞；油管的作用是把抽油泵抽汲的流體導(dǎo)流到井口；井口的功能有密封、導(dǎo)流、測(cè)壓等。由于諸多原因的存在,導(dǎo)致抽油桿柱在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生擺動(dòng)和彎曲,從而引起抽油桿和油管之間的磨損,如圖1 所示。

圖1 桿管偏磨示意圖

為了防止抽油桿和油管之間發(fā)生摩擦損壞,通常在抽油桿上安設(shè)數(shù)量不等的扶正器。為更好地防止偏磨,還使用內(nèi)襯油管、旋轉(zhuǎn)井口等其它措施,但現(xiàn)場(chǎng)使用效果并不理想。

2 問題分析

根據(jù)TRIZ 原理,針對(duì)上述問題,依次進(jìn)行了以下分析。

2.1 功能分析

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行功能分析,建立功能模型,如圖2 所示。

圖2 抽油機(jī)井系統(tǒng)功能模型

2.2 原因分析

利用因果鏈分析、裁剪分析、魚骨圖分析等方法,對(duì)系統(tǒng)發(fā)生偏磨的原因進(jìn)行多角度分析,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致偏磨的主要原因有6項(xiàng),如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)致問題的主要原因

我們選擇第5 項(xiàng)原因,作為解決問題的關(guān)鍵點(diǎn),利用TRIZ原理進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

3 利用TRIZ 原理解決問題

3.1 選定關(guān)鍵問題

第5 項(xiàng)原因作為問題的關(guān)鍵點(diǎn),即:在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中,抽油桿柱缺乏足夠的橫向支撐力。

抽油機(jī)井系統(tǒng)在采油過程中,抽油桿柱不但要上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),而且還要承受振動(dòng)載荷、慣性載荷等多種動(dòng)載荷,不可避免地出現(xiàn)橫向擺動(dòng)情況。目前在諸多防偏磨技術(shù)中,主要依靠扶正器的橫向支撐力,但效果并不理想。

3.2 選擇解決工具

從上述分析可以看出,抽油桿柱和油管柱之間的物場(chǎng)模型不完整,因此選用物場(chǎng)模型和標(biāo)準(zhǔn)解原理進(jìn)行求解設(shè)計(jì)。求解前的物場(chǎng)模型如圖4 所示。

圖4 問題的物場(chǎng)模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)解求解原理和流程,選用第一類或第二類標(biāo)準(zhǔn)解進(jìn)行求解,得到8 個(gè)初步方案,如表1 所示。

表1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初步方案

4 方案優(yōu)選與設(shè)計(jì)

4.1 優(yōu)選方案

上述8 個(gè)方案中,根據(jù)礦場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際,以及設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的基本狀況,定性篩選出4 個(gè)方案進(jìn)行后續(xù)的定量評(píng)價(jià),即方案1、3、5、8。定量評(píng)價(jià)指標(biāo)選用設(shè)備成本、系統(tǒng)效率、防磨損程度,各指標(biāo)的權(quán)重依次是0.2、0.4、0.4。然后對(duì)定性篩選出的4 個(gè)方案進(jìn)行打分,如表2 所示。

表2 定量評(píng)價(jià)打分情況

各方案的計(jì)算量化值依次是:0.92、0.8、0.76、0.92。因此,方案1 和方案8 同為最優(yōu)方案。

4.2 設(shè)計(jì)方案

將方案1 和方案8 相結(jié)合,設(shè)計(jì)方案如下:

(1)在抽油桿的外表面和油管的內(nèi)表面,分別鑲嵌極性相同的磁體。

(2)抽油桿和油管可以單獨(dú)生產(chǎn),現(xiàn)場(chǎng)安裝后再使用；也可在制造時(shí)嵌套配置。

(3)磁件的分布型式、鑲嵌方式可根據(jù)載荷大小而選擇。

上述設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)專利,并獲得授權(quán)(CN 211737102 U)。

5 結(jié)論

5.1 TRIZ 作為一種創(chuàng)新工具,在改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝等方面,具有顯著優(yōu)勢(shì)。

5.2 TRIZ 理論的應(yīng)用,要結(jié)合大量的問題分析工具。

5.3 利用TRIZ 原理求解問題時(shí)產(chǎn)生的大量方案,需要結(jié)合有效的方案評(píng)價(jià)方法進(jìn)行優(yōu)選,提高問題求解效率。