創(chuàng)新方法讓科研少走彎路

文/本刊記者 馬思遙

河北賽區(qū)

中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司

2022年11月6日至18日，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十七次締約方大會（COP27）在埃及舉辦，中國生態(tài)環(huán)境部相關負責人在中國角“減污降碳協(xié)同增效：實現(xiàn)環(huán)境、氣候、經(jīng)濟效益多贏”主題邊會表示，中國式現(xiàn)代化的一個重要特征就是人與自然的和諧共生，中國政府將會統(tǒng)籌產業(yè)結構調整、污染治理、生態(tài)保護、應對氣候變化，協(xié)同推進降碳、減污、擴綠、增長，以減污降碳協(xié)同增效促進經(jīng)濟社會綠色低碳高質量發(fā)展。

中國氣候變化談判代表團團長、生態(tài)環(huán)境部副部長趙英民在出席邊會時表示，“為落實‘雙碳’目標，中國全面加速落實行動”。他介紹，中國已制定出臺了包括能源、工業(yè)、交通運輸?shù)戎攸c領域，煤炭、石油天然氣、鋼鐵等重點行業(yè)碳達峰實施方案，以及科技、財政、綠色金融、減污降碳、人才培養(yǎng)等方面的支撐保障方案。

近年來，放眼世界，人類文明的發(fā)展史和能源的利用息息相關。能源企業(yè)過去一直都是“產污排碳”的大戶，以化石能源為主的傳統(tǒng)供應結構與“雙碳”目標、低碳高質量發(fā)展的要求逐漸偏離，為此，以中國石油天然氣股份有限公司為代表的我國能源企業(yè)積極探索、勇于開拓，加快實施綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略，持續(xù)提升能源利用率，爭當清潔能源低碳轉型的推動者，最大限度內減少污染物和溫室氣體的排放，為全社會提供清潔優(yōu)質的能源，展現(xiàn)出非凡的企業(yè)擔當和社會責任。

中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司（以下簡稱“華北油田分公司”）將創(chuàng)新方法引入公司研發(fā)中，讓減污降碳擁抱創(chuàng)新方法，形成了諸多行之有效成績非凡的成果，其中由華北油田分公司青年科技創(chuàng)新團隊研發(fā)的“解決油井井下作業(yè)綠色環(huán)保問題關鍵技術研究與應用”科研成果榮獲2022年中國創(chuàng)新方法大賽總決賽一等獎。

馬偉娜是華北油田分公司青年科技創(chuàng)新團隊的團隊骨干，她介紹說：“其實從我們團隊的名字中就可以看出來，我們是一支朝氣蓬勃的年輕團隊，平均年齡只有37歲。團隊成員竇勤光、張峰具備較高材料組織能力，創(chuàng)新思路開闊、創(chuàng)新理念超前，團隊成員在參賽期間各取所長、通力合作，再加上創(chuàng)新方法的學習和運用，取得了‘2+1’遠大于‘3’的效果?！?/p>

目前，我國油井生產的主要手段為泵排采油，其中管式泵占比約95%。當油井井筒出現(xiàn)故障時，則需要進行井下作業(yè)。油井井下作業(yè)，是油田勘探開發(fā)過程中保證油井正常生產的技術手段。主要有油井維修、油井大修、油層改造和試油。在進行油井維修、大修作業(yè)時需要將管柱起出地面，同時管桿會將油污攜帶外泄，存在極大的環(huán)保隱患。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，各大油田每年井下作業(yè)平均達到2000多次，但是解決油井井下作業(yè)環(huán)保問題的措施卻十分有限，目前僅有作業(yè)前反洗井和利用憋壓式泄油器泄油后再進行洗井。油井井下作業(yè)環(huán)保問題導致井場地面滲漏、桿管蒸汽清洗、污染處理費用很高、安全隱患增加、油井減產等問題，嚴重制約石油工業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展，同時對環(huán)境造成破壞。在此背景下，馬偉娜團隊將創(chuàng)新方法引入到了研發(fā)工作中，開始了“如何實現(xiàn)油井井下綠色環(huán)保作業(yè)”的課題研究。

馬偉娜團隊應用TRIZ理論，建立了系統(tǒng)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——加入清蠟劑、降粘劑，并找到了產生問題的三個關鍵點。之后又使用資源分析法得到了三個可行方案。

比如為了解決抽油桿偏磨問題，馬偉娜團隊使用了技術沖突、物理沖突、物質-場、小人法四套工具，得出“加入扶正器以減緩抽油桿磨損速度”的結論。然而這樣新的問題又出現(xiàn)了，該方法會導致油流通道變小。馬偉娜團隊再次利用TRIZ工具，找到了利用柔性殼體或薄膜原理等方式，提高金屬表面的耐磨性來解決新的問題。

馬偉娜（左二）和同事利用創(chuàng)新方法探索解決方式

油井施工現(xiàn)場

隨著研究的進行，新的創(chuàng)新方法不斷涌現(xiàn)，然而各種新的問題也接踵而來，馬偉娜團隊雖然選用了成本低、易操作、施工周期短的抽油桿旋轉保護器改變抽油桿的單一上下運動延緩桿管磨損速度，但是在實際應用中二者仍然是傳統(tǒng)的剛性接觸，偏磨現(xiàn)象依舊會出現(xiàn)。

為了抵消偏磨，馬偉娜團隊再次利用物質-場進行分析，得出“使用超高分子包覆內襯油管，使油管內部抽油桿變?yōu)槿嵝越佑|，抵消偏磨”的方案。該方案能夠實現(xiàn)小角度定向井的內襯管偏磨抵消，但是對于大斜度井，偏磨問題依然存在。為此，馬偉娜團隊再次用TRIZ工具，使用物質-場進一步完善方案，突破性地以柔性接觸代替了剛性接觸，提出了點面磨損轉換的新思路。最后再使用小人法分析桿柱受力情況，得出方案“在桿柱不受力時，實施桿柱加重，解決桿柱失穩(wěn)造成的偏磨問題”。

“通過使用TRIZ理論，我們突破常規(guī)轉變思路，以治理抽油桿偏磨腐蝕結垢為切入點，從根源上創(chuàng)造井筒內泄油通道；首創(chuàng)管式泵泄油器組合工藝，實現(xiàn)井筒泄油‘雙保險’。通過舉一反三對解決螺桿泵井下作業(yè)問題也有了突破，首創(chuàng)螺桿泵抽油管柱提開式泄油工藝，開創(chuàng)螺桿泵井井下作業(yè)源頭控污的先河，達到國內先進水平。”馬偉娜進一步介紹。

雖然TRIZ工具和理論提供了諸多行之有效的方法，但是研發(fā)的過程絕不是一帆風順的，在整個課題的研發(fā)期間，馬偉娜團隊經(jīng)常遇到各種各樣的挫折和意想之外的困難。

“我覺得在成果開發(fā)和研究過程中，最大的困難就是拘泥于有限的知識領域，習慣于用領域內的經(jīng)驗，不能跳出領域知識之外進行思考，不善于也無法使用其他行業(yè)的知識和方法來解決自己行業(yè)的問題，缺乏跨行業(yè)、跨領域知識之間的相互借鑒。”馬偉娜說，“通過創(chuàng)新方法的學習和應用，不僅開拓了我們的思維，而且讓我們找到了克服慣性思維的方法、將本領域與跨領域連接的橋梁，更使我們的知識多元化。讓我們從多維度、多角度考慮問題，這樣才能找到更新穎的創(chuàng)意?！?/p>

雖然困難重重，但是強大的TRIZ理論有一套自己獨有的解題框架，馬偉娜團隊應用相關工具，首先將特定問題轉換成TRIZ的一般問題；其次通過發(fā)明原理、分離原理、76個標準解等多種解題工具對TRIZ的一般問題進行求解；然后以學識和經(jīng)驗建立可行的構想，得到需要的特定解；最后通過評價確定最終的解決方案。雖然研發(fā)中困難和阻礙一直存在，但是根據(jù)這個清晰的解題框架，他們少走了很多彎路。

目前，馬偉娜團隊研發(fā)的新技術在華北油田7個采油單位應用，近二年共計發(fā)生油井井下作業(yè)4924井次；避免了油井井下作業(yè)造成的大面積地面環(huán)境污染；有效縮短井下作業(yè)占井周期，實現(xiàn)了規(guī)?；脑驮霎a。

該項目從源頭上解決了油井井下作業(yè)造成的地面環(huán)境污染，推進綠色礦山建設，對加快生態(tài)文明建設提供有力的技術支撐；同時，創(chuàng)新使用新工藝，全面提高工作效率、生產運行安全性，降低職工勞動強度。