偏心堵塞器投送可靠性研究及其應用

劉立，劉康，劉興雷，梁慶華，寧爽，劉曉旭

中國石油大慶油田有限責任公司 測試技術服務分公司（黑龍江 大慶163414）

油田注入井分層測試調配是了解分層注入井各層段注入能力的一項測試工作。注入井分層測試調配工作需要在注入井偏心配水器偏孔內投送、打撈堵塞器，而偏心投撈器主要是配合打撈頭和壓送頭使用，對偏心配水器中堵塞器和堵塞式壓力計進行投送、打撈作業的一種重要專用工具。中國石油大慶油田某三大區塊油田年注入井分層測試調配4 100余井次，12 300余層次，目前廣泛使用的機械式偏心投撈器，每年注入井的偏心堵塞器投送或打撈施工數萬次。根據2015—2018年的統計結果，由于偏心堵塞器投送掉卡、井下油阻、井下垢阻、井下工具遇阻等故障，堵塞器一次投送成功率平均僅為78.5%，經濟損失達1 000多萬元，增大了施工勞動強度，而相應的堵塞器一次打撈成功率平均為91.5%。因此，針對偏心堵塞器投送成功率較低、施工成本高、勞動強度大的問題，開展偏心堵塞器投送可靠性研究及創新實踐，對于偏心堵塞器投送提質增效尤為重要。

1 偏心堵塞器投送現狀統計分析

為全面分析偏心堵塞器投送故障規律，對2015—2018年大慶油田三個區塊油田注入井投送偏心堵塞器故障進行統計，各類故障問題共471個。

1.1 偏心堵塞器投送故障統計

將偏心堵塞器投送系統或工具按照不同結構總成（組件）分別進行統計，結果見表1。從表1可以看出，偏心堵塞器投送故障主要發生在壓送頭，由壓送頭與堵塞器連接不可靠造成的故障數占總故障數的63.06%，較其他組件發生故障次數明顯居多。

表1 偏心堵塞器投送系統故障統計

1.2 壓送頭故障統計

壓送頭是投撈器與偏心堵塞器連接的重要組件，主要由收縮套、壓緊套、夾緊套或夾片組成。對表1中由壓送頭發生的297次故障，按壓送頭中夾緊套或夾片、收縮套和壓緊套3類機件發生的故障數進行細化統計，其中夾緊套或夾片發生的故障率45.12%，遠高于收縮套故障率（20.87%）、壓緊套故障率（34.01%）。

1.3 井下遇阻統計

偏心投撈器投送堵塞器過程中，經常發生井下遇阻。通過分析不同井別、遇阻層段以及井下工具遇阻深度，對表1中114次井下遇阻現象進行統計，其中由井下油阻、垢阻而發生的故障率分別是34.12%、53.51%，遠高于井下工具發生的故障率（12.28%）。

2 偏心堵塞器投送系統分析

基于偏心堵塞器投送系統存在故障的主要原因，開展偏心堵塞器投送系統分析，以期找到有效的解決方案。

2.1 偏心堵塞器投送可靠性模型的建立

由測試技術、采油工程可靠性專家、TRIZ創新小組組成專家團隊，針對偏心堵塞器投送可靠性問題，構建了偏心堵塞器投送系統可靠性模型（圖1）。

圖1 偏心堵塞器投送系統或工具串可靠性模型框圖

偏心堵塞器投送可靠性是指注入井分層測試調配作業施工過程中投撈器完成投送堵塞器的能力。投送工具串和井下工具串任何一套工具或系統發生故障，都會導致整體投送系統發生故障，投送工具串投送功能就要在偏心配水器（偏孔）處中斷。因此，整個投送系統為一個串聯型可靠性模型。

2.2 偏心堵塞器投送系統可靠性分析

聘請有經驗的專家，以評分分配法[1]對串聯型偏心堵塞器投送系統進行可靠度分析，評分值在1～10選取。設定偏心堵塞器投送系統MTBF為100 h，月工作時間為50 h，其可靠度分配情況見表2。

由表2可見：偏心堵塞器投送系統壓送頭的可靠度為0.776，在整個投送系統可靠度最低；投撈組件系統可靠度為0.903，其可靠度相對較低。這兩個重要組件在整個系統中是薄弱環節，需要進一步改進可靠性設計[2]。

表2 偏心堵塞器投送系統可靠度分配表

2.3 偏心堵塞器投送故障樹分析

專家團隊運用故障樹法對偏心堵塞器投送故障進行系統分析，如圖2所示。

由圖2可知，由偏心堵塞器投送故障的頂層事件開始，推導出投撈總成故障、壓送頭故障、堵塞器故障、導向總成故障以及井下遇阻5個中間事件，并繼續細化推導出引起偏心堵塞器投送故障的24個基本事件。對24個基本事件進行大數據統計分析與計算，獲取偏心堵塞器投送故障發生概率及失效時間等，為偏心堵塞器投送可靠性預判提供參考依據，找出規避故障或事故原因的基本線索，挖掘系統資源[2-5]，開展有針對性的TRIZ創新，為提高偏心堵塞器投送可靠性提供有效解決方案。

圖2 偏心堵塞器投送系統故障樹

2.4 偏心堵塞器投送功能分析

根據偏心堵塞器投送系統組件功能匯總表（表3），功能“1”屬于受井況影響的有害問題項，注入介質水垢、油污或雜質附著偏心配水器，對堵塞器投送成功率影響大，可以通過熱洗、酸洗、注入介質過濾或使用通井器進行解決；功能“3”屬于投送工具與井下工具存在相互關系的作用影響，堵塞器坐入配水器偏孔內因阻力而產生不良問題項，不易徹底解決，只能部分解決[6]，可以通過熱洗、酸洗或使用刮通器進行解決；功能“7”是重點的不良問題項，屬于壓送頭和堵塞器組件對作用影響的問題，不能完全坐入配水器偏孔內，是導致堵塞器掉卡的主要原因。完善這些重點問題功能的實現是后續改進設計的出發點[6]。

通過表3中功能作用分析，建立基于組件及相關作用的功能作用（表4），可以明確偏心堵塞器投送系統故障問題發生部位[7]。

通過表3、表4建立偏心堵塞器投送系統功能作用對模型，根據問題功能項，逐步建立功能裁剪模型（圖3），以消除不足、有害等局部問題功能，達到優化系統功能的目的。

圖3 偏心堵塞器投送系統功能與裁剪模型

表3 偏心堵塞器投送系統組件功能匯總表

表4 偏心堵塞器投送系統功能模型作用分析

由圖3可知，注入井分層流量調配過程中，投撈器使壓送頭投送堵塞器工作量較大，由于壓送頭存在不足的問題功能，投送效率低；同時由于注入井油阻、垢阻及井下工具遇阻的有害問題功能，造成施工前清垢及測試作業時效長，針對這兩個問題功能，需要進行功能裁剪，以提高堵塞器投送效率。

3 偏心堵塞器投送可靠性研究

通過上述有關偏心堵塞器投送可靠性分析及TRIZ系統分析，明確了偏心堵塞器投送的問題功能及關注要點，有效開展偏心堵塞器投送系統可靠性研究，運用TRIZ方法提供解決問題思路。

3.1 偏心堵塞器投送技術物理矛盾分析

偏心堵塞器投送技術矛盾主要體現在堵塞器投送可靠性和釋放堵塞器可易性。根據表5，確定要解決的技術矛盾為“TC-1”，它發生在投送過程穩定性提高與不容易釋放堵塞器之間，發生在壓送頭與堵塞器鎖緊的條件下。

表5 偏心堵塞器投送系統技術矛盾分析

偏心堵塞器投送物理矛盾主要體現在壓送頭與堵塞器摩擦力以及上下彈簧的彈力所體現的物理場。在堵塞器投送過程中，壓送頭與堵塞器滑動摩擦力應該足夠大，以滿足投送可靠性要求，與此同時壓送頭與堵塞器摩擦力也應該適宜小，以滿足投送堵塞器要求。投撈器上下彈簧壓縮力應該足夠有效，以滿足投送可靠性要求，但同時投撈器上下彈簧應能在發生彈性形變后恢復原狀，以滿足容易投送堵塞器要求。

偏心堵塞器投送過程所表現的兩個相對立的物理矛盾，可以通過TRIZ的分割原理獲得解決方案。通過分析偏心堵塞器投送系統的技術物理矛盾工程參數，確定需要改善的工程參數為“力”，即壓送頭與堵塞器滑動摩擦力；惡化的工程參數為“可靠性”，即壓送頭投送堵塞器的可靠程度。同時通過查找阿奇舒勒矛盾矩陣表[5]獲得的解決方案有4種：“3局部質量原理”“13反向作用原理”“21較少有害作用的時間原理”“35物理或化學參數改變原理”。

3.2 偏心堵塞器投送物場模型分析

針對偏心堵塞器投送系統存在的主要問題，可以利用物場模型分析。

如圖4所示，在偏心堵塞器投送系統中存在一個“壓送頭-堵塞器”物場模型，其中：“F1”為具有滑動摩擦力的機械場；“S2”為創新前的壓送頭，如銷釘式、夾片式、擰式等（表4）。“S2”相對于“S1”堵塞器的作用是不足的，運用TRIZ方法，增加TRIZ創新成果“S3”，即創新后的壓送頭，為較好改善當前“F1”機械場的不足，提供可行、實用的技術方案。

圖4 “壓送頭-堵塞器”物場模型分析

在偏心堵塞器投送系統中存在另一個“堵塞器-配水器”物場模型（圖5），其中“F2”為具有阻力的機械場。由于偏心配水器偏孔內油阻、垢阻的阻力作用，使堵塞器坐入配水器偏孔內的作用不足，通過增加“F3”熱場或化學場，運用“S5”熱洗或酸化清油組、垢阻，同時運用“S6”通井工具，空心通井器、沖擊鉆式通井器、斜井滾輪式通井器、偏心孔刮通器等系列通井工具[7-8]進行清垢，可以改善當前“F2”機械場的不足，提高投送效率。

圖5 “堵塞器-配水器”物場模型分析

4 偏心堵塞器投送可靠性應用

2015—2018年針對偏心堵塞器投送系統存在的問題，持續開展可靠性及TRIZ系統分析與研究實踐。

4.1 偏心堵塞器投送TRIZ創新成果應用

針對偏心堵塞器投送問題綜合運用8項可靠性技術及TRIZ方法，提出33條技術路線，共確認14條可行性方案（表6）。經專家團隊及TRIZ創新小組研究，提出6項專利方案、3項發明專利預案，TRIZ創新小組在2015—2018年期間相繼取得了3項發明專利，即卡塊滑道式[9]、鋼珠卡扣式[10]、投撈器及堵塞器組合式打撈工具（可伸縮堵塞器投送裝置、截面圓柱形投撈器、收縮槽式鎖輪）[11]。

表6 偏心堵塞器投送系統創新技術路線匯總

2019—2020年大慶油田某三大區塊為了提高偏心堵塞器投送效率，全面推廣應用偏心堵塞器投送系統專利項目。據統計，兩年來偏心堵塞器一次投送成功率平均為84.6%，較之前提高了6.1%；降低經濟損失400多萬元。兩年來共統計偏心堵塞器投送各類故障問題203個，壓送頭故障率占32.05%，相較于之前壓送頭故障占比下降了31.01%，井下遇阻故障率占35.40%，相較于之前中井下遇阻故障占比提高了11.2%，主要受注入井油井轉注等井況影響。可見，針對壓送頭主要故障問題項開展可靠性研究與TRIZ創新效果顯著，極大提高了堵塞器投送成功率，減少了施工勞動強度，經濟效益明顯提升。

4.2 偏心堵塞器投送可靠性實踐效果

2020年12月，聘請可靠性專家對偏心堵塞器投送系統應用的可靠性效果進行再評價，設定系統MTBF為150 h，月工作時間為50 h，結果見表7。

由表7可知，壓送頭應用可靠度為0.853，較創新前（表2）提高了0.077；投撈組件的應用可靠度為0.924，較設計可靠度（表1）提高了0.021。通過壓送頭及投撈組件這兩個重要因子的創新實踐，有效提高了偏心堵塞器投送可靠性。

表7 偏心堵塞器投送系統應用可靠度分配表

5 結語

1）串聯型可靠性模型的偏心堵塞器投送系統，任何一個單元組件（投撈器、壓送頭、堵塞器）出現故障都會導致整個系統失效。

2）基于故障（失效）樹分析的偏心堵塞器投送系統大數據統計分析，為投送系統故障預判提供參考依據。

3）基于TRIZ理論方法的功能分析技術物理矛盾分析、物場分析，為確定系統TRIZ解決技術路線提供實踐依據。

4）可靠性技術與TRIZ創新工具的綜合運用，為解決技術物理方案提供可行性的思路、方法及工具。