基于TRIZ 创新方法的矿场动态监测系统设计★

田旭阳，齐 康，路志斌，苗 杰

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452）

0 引言

在潜油电泵或地面矿场的工程应用中，由于井下高温、高压、振动、腐蚀，工作环境恶劣，部分潜油电泵寿命较短，在潜油电泵出现故障后，往往需要提井后拆检，才能锁定故障原因，并提出后续对策。

基于该情况，2005 年，创新性地将电子测压技术和毛细管测压技术引入潜油电泵或地面矿场应用中，能够检测工作时的环境压力，从原来潜油电泵工况的“一抹黑”到“睁开眼”监测井下单参数工况。

在2010 年，通过利用光纤传输的特点，利用SiO2的耐高温特性，引入光纤测压技术，其能够检测潜油电泵或地面矿场工作时的环境压力及外部温度。

2015 年，对潜油电泵或地面矿场监测技术进行攻关，通过耐高温压力传感器、J 型热电耦、振动芯片，以及工作筒密封防腐防护技术，设计完成矿场“听诊器”泵工况系统，能够测量三个参数[1-2]，在三个参数的监控下，及时调整潜油电泵参数和相关对策，使潜油电泵寿命提高280%，寿命由500 d 提升到1400 d。

1 潜油电泵井故障统计

对公司2021—2022 年潜油电泵井故障情况进行统计（见图1）。

图1 潜油电泵井故障统计

通过对潜油电泵井进行实时监测，并及时根据井况、机组运行情况提出解决方案，能够解决53%电泵井的故障因素，对不同的恶劣井况及时提出修正方案，调节地面控制设备参数，并通过井下监测及时发现作业过程中出现的质量问题，在正式投产前及时起井，重新下入潜油电泵。

2 动态监测系统设计

2.1 毛细钢管测压系统（井下单参数监测）

通过将毛细钢管和氮气组成整体测压系统，利用高精度压力变送器和数据采集器，设计完成集群式毛细管测压系统，能够通过一台数据处理工业计算机，同时检测10 余个矿井的井下压力数据，应用到的TRIZ 创新原理（见图2）有：抽取法，从物体中抽取必要的部分或属性，通过毛细钢管定向采集井下的压力数据；组合法，在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合，通过将10 余口矿井的井下压力数据进行集成，统一在一台计算机上进行处理；借助中介物法，利用中介物实现所需动作，通过将氮气作为传递压力变化的中介物，价格低廉，压力变化响应速度快；气体或液压结构法，将物体的固体部分用气体或流体代替，通过利用氮气传导的压力来代替井下设备实际受到的外部压力，来监测井下压力参数。

图2 集群式毛细管测压系统结构原理

毛细钢管测压系统主要适用于高温高压井、热采井、疑难气井等，能长期置于井下。毛细管测压装置是利用“U”形管原理，通过毛细钢管内氮气传递压力以测量井底压力的一种测试方式。

毛细管测压系统是一种机械式的测压系统，整套系统精度高、使用寿命很长，同时井下毛细管系统可重复利用。

毛细管测压系统由地面和井下两部分组成。井下系统包括压力传压筒和毛细管，传压筒下入测试层，毛细管附着在外壁，连接传压筒到地面；地面系统包括压力传感器、数据盒、电源盒以及控制柜。井下传压筒感应到的压力数据通过毛细管中的氮气或氦气传到地面，在压力传感器处将压力信号转换为数值信号，通过数据线传输到数据盒，在液晶显示屏上即时显示数据。该系统在地面通过计算机程序进行参数的设置和压力偏差的修正，方便及时。

技术特点如下：变送器和井一一对应，操作方便，不用倒阀门，不产生数据混乱，不会产生两口井之间的串气；变送器之间为并联方式，变送器之间相互独立，地址唯一，一个变送器出现故障对其他井的测试无影响；数据容量大，数据采集周期为2 s，能同时存储16 口井的数据达3 年以上，不会产生数据丢失问题；系统集成度高，整套装置结构紧凑、体积小，相同体积的井口设备箱现可安装下16 口井的全部测试设备，节约平台的空间。

应用范围如下：压力恢复测试功能，数据采集周期为2 s，在停泵时可自动进入压力恢复测试，不用专门设置；实时监测功能，能实时监测16 口井的压力，并能显示3 年以上任意时段的压力曲线和数据；数据存储功能，所测得的压力数据可分井存放，供用户随时查询和调用，更利于生产管理；数据输出功能，可利用EXCELL 报表对压力数据进行回放、转存、打印、输出。

2.2 永久式电子压力-温度计/光纤压力-温度计（井下双参数监测）

2.2.1 永久式电子压力-温度计

对毛细管压力测试系统进行升级优化，由单参数监测升级为井下双参数监测，同时监测设备的压力与温度参数，该系统应用到的TRIZ 创新原理有：多用性，使物体具有复合功能以替代其他物体的功能：通过将电子压力计和电气温度计组合，同时下入井口，一个工作筒监测两个参数；永久井下压力监测系统是一种新的“数控可视化”的井下压力监测设备。整套系统采用了先进的压力传感器和电子芯片，其最大的特点是具有长期的工作稳定性。

系统主要由井下和地面两部分组成，井下部分由电子压力计、特殊电缆、电缆保护器组成。井下部分随生产管柱一起下入生产井中，通过压力计中高精度的传感器感应井下的压力和温度，其主要功能是密封穿出井口的电缆。

系统的基本构成有：井下部分为永久压力-温度计、托筒（或悬挂器）；电缆部分为电缆头、专用电缆、电缆保护器、电缆支撑架；井口部分为电缆穿透密封装置；地面部分为地面接口箱、计算机采集系统。

2.2.2 光纤压力-温度计

在永久式电子压力-温度计监测系统的基础上，根据光纤通信SiO2耐高温、高压的特性，检测光纤在不同温度、压强下的微小形变，设计完成了光纤压力-温度计，能够实时、高精度和长期稳定地监测井底压力和温度，是新一代测井传感器。光纤压力-温度计系统能够对每米光纤的压力、温度进行测量，支持同时监测同一口井的多个层位，在地面采用光纤解调仪对信号进行解析。

该系统应用到的TRIZ 创新原理有：借助中介物，使用中介物实现所需动作，借助光纤在压力、温度下的微小形变，监测井下的压力、温度参数；复合材料，用复合材料代替匀质材料，采用光纤来代替原毛细钢管测压系统中的毛细钢管+氮气，从而扩大监测的温度范围和压力范围。

2.3 电泵工况监测仪（井下三参数监测）

2.3.1 概述

对潜油电泵监测技术进行攻关，通过耐高温压力传感器、J 型热电耦、振动芯片，以及高温（150 ℃）高压（70 MPa）强烈振动（加速度20g）下工作筒密封防腐防护技术，设计完成井下“听诊器”泵工况系统，能够测量三个参数，在三个参数的监控下，及时调整潜油电泵参数和相关对策，潜油电泵寿命提高280%，寿命由500 d 提升到1400 d。

2.3.2 创新原理

1）组合：在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合，耐高温压力传感器测量井下压力、J 型热电耦测量井下温升、振动芯片测量井下三轴振动情况。

2）多用性：使物体具有复合功能以替代其他物体的功能，井下“听诊器”泵工况系统在原来单参数、双参数功能的基础上，能够同时测量振动、温度和压力三参数。

3）反馈：引入反馈，提高性能，通过将井下“听诊器”泵工况系统的监测数据反馈到地面，根据监测数据调整施工作业方案，提高潜油电泵寿命。

4）同时针对特殊机组开发专用泵工况产品，采用TRIZ 创新原理中的嵌套原理，让某物体穿过另一物体的空腔，泵工况安装在电机与湿接头之间，泵工况中间留有环形通道，动力电缆从环形通道内将电力输送至电机内。

3 应用效果

项目组进一步开发压力测试和故障诊断功能，提高数据传输稳定性，对重要部件选用同等性能的国产化器件替代，对原材料规格标准化，对外形外观标准化；模块化泵工况地面数采设备，与地面变频器控制系统集成。

1）压恢测试功能：开发压力参数传输速率高于4～5 s/组的高速传输功能，并开发相应的压恢测试操作界面。

2）低绝缘监测功能：保证在对地绝缘100 kΩ 以上情况下，稳定传输信号。

3）泵工况系统能够通过液压管线和压力传感器，测量井下电泵或井下工作筒多个点位的压力，同时监测设备振动、温度等重要参数，振动参数监测精度可达0.05g，温度参数监测精度可达0.1 ℃，目前该系统已经在BZ3-2、SZ6-2 等油田下井超20 套，运行良好。

4 结语

本文阐述TRIZ 创新原理的动态监测系统设计，对潜油电泵监测技术进行攻关，通过对潜油电泵或地面矿场进行实时监测，并及时根据井况、机组运行情况提出解决方案，能够解决53%电泵井的故障因素，对不同的恶劣井况及时提出修正方案，调节地面控制设备参数。通过耐高温压力传感器、J 型热电耦、振动芯片，设计开发泵工况系统的研发技术路线与设计思路，对相似井下工作筒的设计和产品开发具有借鉴意义。