偏心堵塞器投送可靠性研究及其应用

刘立，刘康，刘兴雷，梁庆华，宁爽，刘晓旭

中国石油大庆油田有限责任公司 测试技术服务分公司（黑龙江 大庆163414）

油田注入井分层测试调配是了解分层注入井各层段注入能力的一项测试工作。注入井分层测试调配工作需要在注入井偏心配水器偏孔内投送、打捞堵塞器，而偏心投捞器主要是配合打捞头和压送头使用，对偏心配水器中堵塞器和堵塞式压力计进行投送、打捞作业的一种重要专用工具。中国石油大庆油田某三大区块油田年注入井分层测试调配4 100余井次，12 300余层次，目前广泛使用的机械式偏心投捞器，每年注入井的偏心堵塞器投送或打捞施工数万次。根据2015—2018年的统计结果，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仅为78.5%，经济损失达1 000多万元，增大了施工劳动强度，而相应的堵塞器一次打捞成功率平均为91.5%。因此，针对偏心堵塞器投送成功率较低、施工成本高、劳动强度大的问题，开展偏心堵塞器投送可靠性研究及创新实践，对于偏心堵塞器投送提质增效尤为重要。

1 偏心堵塞器投送现状统计分析

为全面分析偏心堵塞器投送故障规律，对2015—2018年大庆油田三个区块油田注入井投送偏心堵塞器故障进行统计，各类故障问题共471个。

1.1 偏心堵塞器投送故障统计

将偏心堵塞器投送系统或工具按照不同结构总成（组件）分别进行统计，结果见表1。从表1可以看出，偏心堵塞器投送故障主要发生在压送头，由压送头与堵塞器连接不可靠造成的故障数占总故障数的63.06%，较其他组件发生故障次数明显居多。

表1 偏心堵塞器投送系统故障统计

1.2 压送头故障统计

压送头是投捞器与偏心堵塞器连接的重要组件，主要由收缩套、压紧套、夹紧套或夹片组成。对表1中由压送头发生的297次故障，按压送头中夹紧套或夹片、收缩套和压紧套3类机件发生的故障数进行细化统计，其中夹紧套或夹片发生的故障率45.12%，远高于收缩套故障率（20.87%）、压紧套故障率（34.01%）。

1.3 井下遇阻统计

偏心投捞器投送堵塞器过程中，经常发生井下遇阻。通过分析不同井别、遇阻层段以及井下工具遇阻深度，对表1中114次井下遇阻现象进行统计，其中由井下油阻、垢阻而发生的故障率分别是34.12%、53.51%，远高于井下工具发生的故障率（12.28%）。

2 偏心堵塞器投送系统分析

基于偏心堵塞器投送系统存在故障的主要原因，开展偏心堵塞器投送系统分析，以期找到有效的解决方案。

2.1 偏心堵塞器投送可靠性模型的建立

由测试技术、采油工程可靠性专家、TRIZ创新小组组成专家团队，针对偏心堵塞器投送可靠性问题，构建了偏心堵塞器投送系统可靠性模型（图1）。

图1 偏心堵塞器投送系统或工具串可靠性模型框图

偏心堵塞器投送可靠性是指注入井分层测试调配作业施工过程中投捞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统发生故障，都会导致整体投送系统发生故障，投送工具串投送功能就要在偏心配水器（偏孔）处中断。因此，整个投送系统为一个串联型可靠性模型。

2.2 偏心堵塞器投送系统可靠性分析

聘请有经验的专家，以评分分配法[1]对串联型偏心堵塞器投送系统进行可靠度分析，评分值在1～10选取。设定偏心堵塞器投送系统MTBF为100 h，月工作时间为50 h，其可靠度分配情况见表2。

由表2可见：偏心堵塞器投送系统压送头的可靠度为0.776，在整个投送系统可靠度最低；投捞组件系统可靠度为0.903，其可靠度相对较低。这两个重要组件在整个系统中是薄弱环节，需要进一步改进可靠性设计[2]。

表2 偏心堵塞器投送系统可靠度分配表

2.3 偏心堵塞器投送故障树分析

专家团队运用故障树法对偏心堵塞器投送故障进行系统分析，如图2所示。

由图2可知，由偏心堵塞器投送故障的顶层事件开始，推导出投捞总成故障、压送头故障、堵塞器故障、导向总成故障以及井下遇阻5个中间事件，并继续细化推导出引起偏心堵塞器投送故障的24个基本事件。对24个基本事件进行大数据统计分析与计算，获取偏心堵塞器投送故障发生概率及失效时间等，为偏心堵塞器投送可靠性预判提供参考依据，找出规避故障或事故原因的基本线索，挖掘系统资源[2-5]，开展有针对性的TRIZ创新，为提高偏心堵塞器投送可靠性提供有效解决方案。

图2 偏心堵塞器投送系统故障树

2.4 偏心堵塞器投送功能分析

根据偏心堵塞器投送系统组件功能汇总表（表3），功能“1”属于受井况影响的有害问题项，注入介质水垢、油污或杂质附着偏心配水器，对堵塞器投送成功率影响大，可以通过热洗、酸洗、注入介质过滤或使用通井器进行解决；功能“3”属于投送工具与井下工具存在相互关系的作用影响，堵塞器坐入配水器偏孔内因阻力而产生不良问题项，不易彻底解决，只能部分解决[6]，可以通过热洗、酸洗或使用刮通器进行解决；功能“7”是重点的不良问题项，属于压送头和堵塞器组件对作用影响的问题，不能完全坐入配水器偏孔内，是导致堵塞器掉卡的主要原因。完善这些重点问题功能的实现是后续改进设计的出发点[6]。

通过表3中功能作用分析，建立基于组件及相关作用的功能作用（表4），可以明确偏心堵塞器投送系统故障问题发生部位[7]。

通过表3、表4建立偏心堵塞器投送系统功能作用对模型，根据问题功能项，逐步建立功能裁剪模型（图3），以消除不足、有害等局部问题功能，达到优化系统功能的目的。

图3 偏心堵塞器投送系统功能与裁剪模型

表3 偏心堵塞器投送系统组件功能汇总表

表4 偏心堵塞器投送系统功能模型作用分析

由图3可知，注入井分层流量调配过程中，投捞器使压送头投送堵塞器工作量较大，由于压送头存在不足的问题功能，投送效率低；同时由于注入井油阻、垢阻及井下工具遇阻的有害问题功能，造成施工前清垢及测试作业时效长，针对这两个问题功能，需要进行功能裁剪，以提高堵塞器投送效率。

3 偏心堵塞器投送可靠性研究

通过上述有关偏心堵塞器投送可靠性分析及TRIZ系统分析，明确了偏心堵塞器投送的问题功能及关注要点，有效开展偏心堵塞器投送系统可靠性研究，运用TRIZ方法提供解决问题思路。

3.1 偏心堵塞器投送技术物理矛盾分析

偏心堵塞器投送技术矛盾主要体现在堵塞器投送可靠性和释放堵塞器可易性。根据表5，确定要解决的技术矛盾为“TC-1”，它发生在投送过程稳定性提高与不容易释放堵塞器之间，发生在压送头与堵塞器锁紧的条件下。

表5 偏心堵塞器投送系统技术矛盾分析

偏心堵塞器投送物理矛盾主要体现在压送头与堵塞器摩擦力以及上下弹簧的弹力所体现的物理场。在堵塞器投送过程中，压送头与堵塞器滑动摩擦力应该足够大，以满足投送可靠性要求，与此同时压送头与堵塞器摩擦力也应该适宜小，以满足投送堵塞器要求。投捞器上下弹簧压缩力应该足够有效，以满足投送可靠性要求，但同时投捞器上下弹簧应能在发生弹性形变后恢复原状，以满足容易投送堵塞器要求。

偏心堵塞器投送过程所表现的两个相对立的物理矛盾，可以通过TRIZ的分割原理获得解决方案。通过分析偏心堵塞器投送系统的技术物理矛盾工程参数，确定需要改善的工程参数为“力”，即压送头与堵塞器滑动摩擦力；恶化的工程参数为“可靠性”，即压送头投送堵塞器的可靠程度。同时通过查找阿奇舒勒矛盾矩阵表[5]获得的解决方案有4种：“3局部质量原理”“13反向作用原理”“21较少有害作用的时间原理”“35物理或化学参数改变原理”。

3.2 偏心堵塞器投送物场模型分析

针对偏心堵塞器投送系统存在的主要问题，可以利用物场模型分析。

如图4所示，在偏心堵塞器投送系统中存在一个“压送头-堵塞器”物场模型，其中：“F1”为具有滑动摩擦力的机械场；“S2”为创新前的压送头，如销钉式、夹片式、拧式等（表4）。“S2”相对于“S1”堵塞器的作用是不足的，运用TRIZ方法，增加TRIZ创新成果“S3”，即创新后的压送头，为较好改善当前“F1”机械场的不足，提供可行、实用的技术方案。

图4 “压送头-堵塞器”物场模型分析

在偏心堵塞器投送系统中存在另一个“堵塞器-配水器”物场模型（图5），其中“F2”为具有阻力的机械场。由于偏心配水器偏孔内油阻、垢阻的阻力作用，使堵塞器坐入配水器偏孔内的作用不足，通过增加“F3”热场或化学场，运用“S5”热洗或酸化清油组、垢阻，同时运用“S6”通井工具，空心通井器、冲击钻式通井器、斜井滚轮式通井器、偏心孔刮通器等系列通井工具[7-8]进行清垢，可以改善当前“F2”机械场的不足，提高投送效率。

图5 “堵塞器-配水器”物场模型分析

4 偏心堵塞器投送可靠性应用

2015—2018年针对偏心堵塞器投送系统存在的问题，持续开展可靠性及TRIZ系统分析与研究实践。

4.1 偏心堵塞器投送TRIZ创新成果应用

针对偏心堵塞器投送问题综合运用8项可靠性技术及TRIZ方法，提出33条技术路线，共确认14条可行性方案（表6）。经专家团队及TRIZ创新小组研究，提出6项专利方案、3项发明专利预案，TRIZ创新小组在2015—2018年期间相继取得了3项发明专利，即卡块滑道式[9]、钢珠卡扣式[10]、投捞器及堵塞器组合式打捞工具（可伸缩堵塞器投送装置、截面圆柱形投捞器、收缩槽式锁轮）[11]。

表6 偏心堵塞器投送系统创新技术路线汇总

2019—2020年大庆油田某三大区块为了提高偏心堵塞器投送效率，全面推广应用偏心堵塞器投送系统专利项目。据统计，两年来偏心堵塞器一次投送成功率平均为84.6%，较之前提高了6.1%；降低经济损失400多万元。两年来共统计偏心堵塞器投送各类故障问题203个，压送头故障率占32.05%，相较于之前压送头故障占比下降了31.01%，井下遇阻故障率占35.40%，相较于之前中井下遇阻故障占比提高了11.2%，主要受注入井油井转注等井况影响。可见，针对压送头主要故障问题项开展可靠性研究与TRIZ创新效果显著，极大提高了堵塞器投送成功率，减少了施工劳动强度，经济效益明显提升。

4.2 偏心堵塞器投送可靠性实践效果

2020年12月，聘请可靠性专家对偏心堵塞器投送系统应用的可靠性效果进行再评价，设定系统MTBF为150 h，月工作时间为50 h，结果见表7。

由表7可知，压送头应用可靠度为0.853，较创新前（表2）提高了0.077；投捞组件的应用可靠度为0.924，较设计可靠度（表1）提高了0.021。通过压送头及投捞组件这两个重要因子的创新实践，有效提高了偏心堵塞器投送可靠性。

表7 偏心堵塞器投送系统应用可靠度分配表

5 结语

1）串联型可靠性模型的偏心堵塞器投送系统，任何一个单元组件（投捞器、压送头、堵塞器）出现故障都会导致整个系统失效。

2）基于故障（失效）树分析的偏心堵塞器投送系统大数据统计分析，为投送系统故障预判提供参考依据。

3）基于TRIZ理论方法的功能分析技术物理矛盾分析、物场分析，为确定系统TRIZ解决技术路线提供实践依据。

4）可靠性技术与TRIZ创新工具的综合运用，为解决技术物理方案提供可行性的思路、方法及工具。