基于TRIZ 創新方法的礦場動態監測系統設計★

田旭陽，齊 康，路志斌，苗 杰

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

在潛油電泵或地面礦場的工程應用中，由于井下高溫、高壓、振動、腐蝕，工作環境惡劣，部分潛油電泵壽命較短，在潛油電泵出現故障后，往往需要提井后拆檢，才能鎖定故障原因，并提出后續對策。

基于該情況，2005 年，創新性地將電子測壓技術和毛細管測壓技術引入潛油電泵或地面礦場應用中，能夠檢測工作時的環境壓力，從原來潛油電泵工況的“一抹黑”到“睜開眼”監測井下單參數工況。

在2010 年，通過利用光纖傳輸的特點，利用SiO2的耐高溫特性，引入光纖測壓技術，其能夠檢測潛油電泵或地面礦場工作時的環境壓力及外部溫度。

2015 年，對潛油電泵或地面礦場監測技術進行攻關，通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，以及工作筒密封防腐防護技術，設計完成礦場“聽診器”泵工況系統，能夠測量三個參數[1-2]，在三個參數的監控下，及時調整潛油電泵參數和相關對策，使潛油電泵壽命提高280%，壽命由500 d 提升到1400 d。

1 潛油電泵井故障統計

對公司2021—2022 年潛油電泵井故障情況進行統計（見圖1）。

圖1 潛油電泵井故障統計

通過對潛油電泵井進行實時監測，并及時根據井況、機組運行情況提出解決方案，能夠解決53%電泵井的故障因素，對不同的惡劣井況及時提出修正方案，調節地面控制設備參數，并通過井下監測及時發現作業過程中出現的質量問題，在正式投產前及時起井，重新下入潛油電泵。

2 動態監測系統設計

2.1 毛細鋼管測壓系統（井下單參數監測）

通過將毛細鋼管和氮氣組成整體測壓系統，利用高精度壓力變送器和數據采集器，設計完成集群式毛細管測壓系統，能夠通過一臺數據處理工業計算機，同時檢測10 余個礦井的井下壓力數據，應用到的TRIZ 創新原理（見圖2）有：抽取法，從物體中抽取必要的部分或屬性，通過毛細鋼管定向采集井下的壓力數據；組合法，在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合，通過將10 余口礦井的井下壓力數據進行集成，統一在一臺計算機上進行處理；借助中介物法，利用中介物實現所需動作，通過將氮氣作為傳遞壓力變化的中介物，價格低廉，壓力變化響應速度快；氣體或液壓結構法，將物體的固體部分用氣體或流體代替，通過利用氮氣傳導的壓力來代替井下設備實際受到的外部壓力，來監測井下壓力參數。

圖2 集群式毛細管測壓系統結構原理

毛細鋼管測壓系統主要適用于高溫高壓井、熱采井、疑難氣井等，能長期置于井下。毛細管測壓裝置是利用“U”形管原理，通過毛細鋼管內氮氣傳遞壓力以測量井底壓力的一種測試方式。

毛細管測壓系統是一種機械式的測壓系統，整套系統精度高、使用壽命很長，同時井下毛細管系統可重復利用。

毛細管測壓系統由地面和井下兩部分組成。井下系統包括壓力傳壓筒和毛細管，傳壓筒下入測試層，毛細管附著在外壁，連接傳壓筒到地面；地面系統包括壓力傳感器、數據盒、電源盒以及控制柜。井下傳壓筒感應到的壓力數據通過毛細管中的氮氣或氦氣傳到地面，在壓力傳感器處將壓力信號轉換為數值信號，通過數據線傳輸到數據盒，在液晶顯示屏上即時顯示數據。該系統在地面通過計算機程序進行參數的設置和壓力偏差的修正，方便及時。

技術特點如下：變送器和井一一對應，操作方便，不用倒閥門，不產生數據混亂，不會產生兩口井之間的串氣；變送器之間為并聯方式，變送器之間相互獨立，地址唯一，一個變送器出現故障對其他井的測試無影響；數據容量大，數據采集周期為2 s，能同時存儲16 口井的數據達3 年以上，不會產生數據丟失問題；系統集成度高，整套裝置結構緊湊、體積小，相同體積的井口設備箱現可安裝下16 口井的全部測試設備，節約平臺的空間。

應用范圍如下：壓力恢復測試功能，數據采集周期為2 s，在停泵時可自動進入壓力恢復測試，不用專門設置；實時監測功能，能實時監測16 口井的壓力，并能顯示3 年以上任意時段的壓力曲線和數據；數據存儲功能，所測得的壓力數據可分井存放，供用戶隨時查詢和調用，更利于生產管理；數據輸出功能，可利用EXCELL 報表對壓力數據進行回放、轉存、打印、輸出。

2.2 永久式電子壓力-溫度計/光纖壓力-溫度計（井下雙參數監測）

2.2.1 永久式電子壓力-溫度計

對毛細管壓力測試系統進行升級優化，由單參數監測升級為井下雙參數監測，同時監測設備的壓力與溫度參數，該系統應用到的TRIZ 創新原理有：多用性，使物體具有復合功能以替代其他物體的功能：通過將電子壓力計和電氣溫度計組合，同時下入井口，一個工作筒監測兩個參數；永久井下壓力監測系統是一種新的“數控可視化”的井下壓力監測設備。整套系統采用了先進的壓力傳感器和電子芯片，其最大的特點是具有長期的工作穩定性。

系統主要由井下和地面兩部分組成，井下部分由電子壓力計、特殊電纜、電纜保護器組成。井下部分隨生產管柱一起下入生產井中，通過壓力計中高精度的傳感器感應井下的壓力和溫度，其主要功能是密封穿出井口的電纜。

系統的基本構成有：井下部分為永久壓力-溫度計、托筒（或懸掛器）；電纜部分為電纜頭、專用電纜、電纜保護器、電纜支撐架；井口部分為電纜穿透密封裝置；地面部分為地面接口箱、計算機采集系統。

2.2.2 光纖壓力-溫度計

在永久式電子壓力-溫度計監測系統的基礎上，根據光纖通信SiO2耐高溫、高壓的特性，檢測光纖在不同溫度、壓強下的微小形變，設計完成了光纖壓力-溫度計，能夠實時、高精度和長期穩定地監測井底壓力和溫度，是新一代測井傳感器。光纖壓力-溫度計系統能夠對每米光纖的壓力、溫度進行測量，支持同時監測同一口井的多個層位，在地面采用光纖解調儀對信號進行解析。

該系統應用到的TRIZ 創新原理有：借助中介物，使用中介物實現所需動作，借助光纖在壓力、溫度下的微小形變，監測井下的壓力、溫度參數；復合材料，用復合材料代替勻質材料，采用光纖來代替原毛細鋼管測壓系統中的毛細鋼管+氮氣，從而擴大監測的溫度范圍和壓力范圍。

2.3 電泵工況監測儀（井下三參數監測）

2.3.1 概述

對潛油電泵監測技術進行攻關，通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，以及高溫（150 ℃）高壓（70 MPa）強烈振動（加速度20g）下工作筒密封防腐防護技術，設計完成井下“聽診器”泵工況系統，能夠測量三個參數，在三個參數的監控下，及時調整潛油電泵參數和相關對策，潛油電泵壽命提高280%，壽命由500 d 提升到1400 d。

2.3.2 創新原理

1）組合：在空間上將相同或相近的物體或操作加以組合，耐高溫壓力傳感器測量井下壓力、J 型熱電耦測量井下溫升、振動芯片測量井下三軸振動情況。

2）多用性：使物體具有復合功能以替代其他物體的功能，井下“聽診器”泵工況系統在原來單參數、雙參數功能的基礎上，能夠同時測量振動、溫度和壓力三參數。

3）反饋：引入反饋，提高性能，通過將井下“聽診器”泵工況系統的監測數據反饋到地面，根據監測數據調整施工作業方案，提高潛油電泵壽命。

4）同時針對特殊機組開發專用泵工況產品，采用TRIZ 創新原理中的嵌套原理，讓某物體穿過另一物體的空腔，泵工況安裝在電機與濕接頭之間，泵工況中間留有環形通道，動力電纜從環形通道內將電力輸送至電機內。

3 應用效果

項目組進一步開發壓力測試和故障診斷功能，提高數據傳輸穩定性，對重要部件選用同等性能的國產化器件替代，對原材料規格標準化，對外形外觀標準化；模塊化泵工況地面數采設備，與地面變頻器控制系統集成。

1）壓恢測試功能：開發壓力參數傳輸速率高于4～5 s/組的高速傳輸功能，并開發相應的壓恢測試操作界面。

2）低絕緣監測功能：保證在對地絕緣100 kΩ 以上情況下，穩定傳輸信號。

3）泵工況系統能夠通過液壓管線和壓力傳感器，測量井下電泵或井下工作筒多個點位的壓力，同時監測設備振動、溫度等重要參數，振動參數監測精度可達0.05g，溫度參數監測精度可達0.1 ℃，目前該系統已經在BZ3-2、SZ6-2 等油田下井超20 套，運行良好。

4 結語

本文闡述TRIZ 創新原理的動態監測系統設計，對潛油電泵監測技術進行攻關，通過對潛油電泵或地面礦場進行實時監測，并及時根據井況、機組運行情況提出解決方案，能夠解決53%電泵井的故障因素，對不同的惡劣井況及時提出修正方案，調節地面控制設備參數。通過耐高溫壓力傳感器、J 型熱電耦、振動芯片，設計開發泵工況系統的研發技術路線與設計思路，對相似井下工作筒的設計和產品開發具有借鑒意義。