基于TRIZ理论的钻柱振动失效预警装置创新设计

第１１卷第２期２０１１年１月　科学技术与工程　⑥Ｖｏ１．１１　Ｎｏ．２　Ｊａｎ．２０１ｌ　１６７１—１８１５（２０１１）２－０３２８—０４　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎ￣ｎｅｅｆｎｇ　２０１　１　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．　基于ＴＲＩＺ理论的钻柱振动失效　预警装置创新设计　李治淼　崔　春　刘巨保　邢广阔　梅冬琴　（东北石油大学　，大庆１６３３１８；哈尔滨电力局　，哈尔滨１５０３１７）　摘要针对井下钻柱受力和运动实测仪器的机构复杂、价格昂贵等问题，基于ＴＲＩＺ创新理论，对钻柱振动失效预警装置的　结构进行矛盾分析，应用ＴＲＩＺ理论的矛盾矩阵与发明原理，具体对执行机构、阀杆进行了创新设计，该创新方案结构简单可　靠，具有良好的应用价值。　关键词钻柱振动失效预警装置　创造性问题分析法（Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌｖｉｎｇ，ＴＲＩＺ）创新理论　矛盾矩阵　发明原理　中图法分类号ＴＥ２２　文献标志码Ａ　钻柱是地面设备与井下钻头的唯一连接体，它　运动等参数。井下测试仪器的难点在于信号的采　集与传输，信号的传输大多通过有线传输或泥浆微　不仅是传送钻井液的通道，还是钻头破岩所需扭矩　和钻压的载体。在石油钻井过程中，钻柱将受到自　重、钻压、扭矩、钻井液浮力及阻尼、钻柱与井壁的　脉冲发射结合地面设备解码，有线传输的设备价格　昂贵，而无线传输由于干扰信号多、压力信号小而　导致信息失真。因此多年来人们一直希望能够研　制出结构简单操作简便的实时监控钻柱振动状态　的工具。　接触碰撞力及摩擦力等综合作用。钻柱不仅将产　生纵向、横向、扭转振动，还可能产生耦合振动，这　就常常使得钻具内力和钻压产生较大范围波动；不　仅降低了钻井速度，还引起钻具的磨损和疲劳破坏。　２０世纪８０年代以后，井下钻柱受力和运动实　测仪器的研究取得了较大的进展。１９８５年，法国石　油研究院研制并完善了一种称为Ｔｒａｆｏｒ…的专门进　行钻柱动力学实测研究的ＭＷＤ装置，采用专门的　１　ＴＲＩＺ理论概述　ＴＲＩＺ是俄文“发明问题解决理论”的英文音　译，其英文全称是Ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　Ｉｎｖｅｎｔｉｖｅ　Ｐｒｏｂｌｅｍ　Ｓｏｌ—　ｖｉｎｇ。它被认为是目前最全面、系统地论述发明创　有线钻杆进行数据信号的传输；１９９４年，美国Ａｍｏ—　ＣＯ公司和Ｓｐｅｒｒｙ２Ｓｕｎ公司的研究人员联合开发了　简称为ＤＤＳｌ２　的钻柱动态测试接头，通过泥浆传输　测试信号，由井上的压力传感器收集泥浆压力信号　并进行解码；２００２年，管志川等人研制了一种钻柱　井下测量接头　Ｊ，实测、存储钻具在井下的受力与　大庆高新创新基金项目　（ＤＱＧＸ０８ＹＦ０１４）资助　第一作者简介：李治淼（１９７６一），黑龙江省五常市，讲师，硕士／博　士研究生，研究方向：油气田管柱力学与井下工具。　造、实现技术创新的新理论，就新产品的开发设计　而言，ＴＲＩＺ为其指出了发展方向和解决问题的思路　和方法。在产品创新设计中应用ＴＲＩＺ理论可以更　好地解决问题。　在ＴＲＩＺ理论中，以系统的观点为新产品的发　展指出了方向。ＴＲＩＺ理论认为任何一个产品或者　客观事务都可以看作一个系统，而任何一个系统都　是按照一定的客观规律进化的，这并不取决于某一　个人，新产品的产生是一种看似偶然的必然。因　此，这个客观规律就是可以被发现、认知和利用的。　２期　李治淼，等：基于ＴＲＩＺ理论的钻柱振动失效预警装置创新设计　３２９　任何一个产品都可以看作是以履行功能为目　的的系统。系统的主要部分包括执行装置、传动装　置、动力装置和控制装置等子系统，而子系统也应　该是完备的。这是产品系统完备性法则　，如图１　所示，它为新产品的研发提出了明确的设计任务。　而新的产品则是建立在执行功能基础上的一个结　构完整的系统。　图１产品的完备性法则　在ＴＲＩＺ理论中，发现和消除矛盾是产品进化　和发展的主导力量，矛盾分为管理矛盾、技术矛盾　和物理矛盾３个类型，而找到矛盾、准确地定义矛盾　是解决问题的关键。ＴＲＩＺＡｌｔｓｈｕｌｌｅｒ教授通过研究，　总结出３９个系统矛盾对立的技术参数，并且提炼出　了解决矛盾的４Ｏ个标准方法，进而由３９个矛盾对　立的技术参数和４０个标准解组成了矛盾矩阵。利　用ＴＲＩＺ矛盾矩阵表，首先，将特定的问题准确地描　述后，应用３９个技术参数，使其变为一般性质的问　题；继而，从表中的４Ｏ个解中找到解决问题的一般　方法；最后，结合实际工程情况，形成特定的解决　方法　２振动失效预警装置的创新设计　２．１执行机构的矛盾分析与确定　问题描述：测试参数通过泥浆传输的方式有两　种，一种是旋转式，即由井下电机驱动转子旋转，从　而产生泥浆脉冲信号；另一种是往复式，即由电磁　机构驱动阀杆轴向运动，改变泥浆流道的面积来产　生脉冲信号。　第１步：确定技术参数。　现在存在的问题是：为了在工作过程中避免装　置的失效就要给装置提供足够的动力，所以力就是　欲改善的特性。对应到通用技术参数中选择“１０　力”，以此作为被改善的参数。　装置是要改变流道的面积进而改变泥浆压力，　也就是装置的可操作性，在井下实现力的增加的操　作性是很难做到的，所以可操作性就是被恶化的特　性。对应到通用技术参数，选择“３３可操作性”，以　此作为被恶化的参数。　第２步：查找ＴＲ１Ｚ矛盾矩阵。　欲改善的参数：１０力。　被恶化的参数：３３可操作性。　查找ＴＲＩＺ矛盾矩阵，从矩阵表查找１Ｏ和３３对　应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共４个，　分别是：１，３，２５，２８。与前面发明原理序号对应，得　到这４条发明原理依次是：１一分割原理；３一局部质　量原理；２５一自服务原理；２８一代替机械原理。　第３步：发明原理的分析。　ｌ一分割原理。此原理体现在３个方面：ａ．将物　体分成独立的部分。ｂ．使物体成为可拆卸的。Ｃ．增　加物体的分割程度。　３一局部质量原理。此原理体现在３个方面：　ａ．从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡　到不一致结构。ｂ．物体的不同部分应当具有不同　的功能Ｃ．物体的每一部分均应具备最适于它工作　的条件。　２５一自服务原理。此原理体现在２个方面：ａ．　物体应当为自我服务，完成辅助和修理工作。ｂ．利　用废料（能的和物质的）。　２８一代替力学原理原则。此原理体现在４个方　面：ａ．用光学，声学，“味学”等设计原理代替力学设　计原理。ｂ．用电场。磁场和电磁场同物体相互作　用。ｃ．由恒定场转向不定场，由时间固定的场转向　时间变化的场，由无结构的场转向有一定结构的　场。ｄ．利用铁磁颗粒组成的场。　第４步：发明原理应用。　３３０　科学技术与工程　１１卷　综合以上４条发明原理的分析，自服务原理是　最具有价值的发明原理。　解决方案：可通过改变流道面积来改变流体压　力（自身特性），进而改变了泵压，所以选取往复式　进行设计。　２．２阀杆的矛盾分析与确定　问题描述：在进行伺服阀设计时，最初设计时　阀杆与电磁铁铁芯设计成一体，通过计算发现装置　要在特定的水深范围内才能工作。　第１步：确定技术参数。　现在存在的问题是：为了满足伺服阀改变流　道，就要改变伺服阀头的形状来增加外流道向内流　道的泥浆，所以形状就是欲改善的特性。对应到通　用技术参数中选择“１２形状”，以此作为改善的　参数。　由于改变内流道的大小直接会增加伺服阀头　的重量，将会给装置带来增加的负担，所以要降低　这个重量，这是欲恶化的特性。对应到通用技术参　数，选择“１运动物体的重量”，以此作为恶化的　参数。　第２步：查找ＴＲ１Ｚ矛盾矩阵。　欲改善的参数：１２形状。　被恶化的参数：１运动物体的重量。　查找ＴＲＩＺ矛盾矩阵，从矩阵表查找１２和１对　应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共４个，　分别是：８，１０，２９，４０。与前面发明原理序号对应，得　到这４条发明原理依次是：８一重量补偿原则；ｌ０一　预先作用原则；２９一利用气动和液压结构的原则；　４０一利用混合材料原则。　第３步：发明原理的分析。　８一重量补偿原则。此原理体现在２方面：ａ．将　物体与具有上升力的另一物体结合以抵消其重量。　ｂ．将物体与介质（最好是气动力和液动力）相互作　用以抵消其重量。　１０一预先作用原则。此原理体现在２方面：ａ．　预先完成要求的作用（整个的或部分的）。ｂ．预先　将物体安放妥当，使它们能在现场和最方便地点立　即完成所需要的作用。　２９一利用气动和液压结构的原则。用气体结构　和液体结构代替物体的固体的部分，如充气和充液　的结构，气枕，静液的和液体反冲的结构。　４０一利用混合材料原则。由同种材料转为混合　材料。　第４步：发明原理应用。　综合以上４条发明原理的分析，对于本问题来　说，重量补偿原则是最具有价值的发明原理。　解决方案：把阀杆和铁芯的连接改成柔性杆连　接，阀杆的上下压力可以抵消，这样装置工作就不　受水深范围限制。　图２装置下井状态　１一上接头，２一扶正筒，３一电子单元接头，　４一电池组，５一电磁机构，６一柔性杆，　７一滤网，８一密封圈，９一辅助阀，　１０一弹簧，１１一主阀阀杆，１２一主阀阀头，　１３一限流环，１４一循环套，１５一下接头，　１６一套筒　２期　李治淼，等：基于ＴＲＩＺ理论的钻柱振动失效预警装置创新设计　３３１　２．３振动失效预警装置的设计方案　钻柱振动失效控制装置如图２所示，主要包括　３结论　运用ＴＲＩＺ理论，指出设计井下振动失效预警　装置中的技术冲突，并应用ＴＲＩＺ工具——矛盾矩　测试单元、控制单元、执行单元，具有振动测试、智　能识判、报警控制三大功能。当泥浆开始循环，处　在环空流道的泥浆就会托起主阀阀头１２，主阀阀头　１２和主阀阀杆１１就会向上运动，此时弹簧ｌ０被压　阵表列出推荐的创新原理，运用这些创新原理，本　文给出了一种井下振动失效预警装置的创新方案。　该方案设计出的井下振动失效预警装置，能够实时　监测钻柱的加速度，通过改变泥浆压力使司钻的泵　缩；当测试单元检测到失效危险振动信号时，控制　单元就会发出信号，电磁铁会被触发，辅助阀９通过　柔性杆６被提起，一部分泥浆通过滤网７进入内流　道，泥浆就会从主阀阀杆１１内部的小空隙流出，此　时主阀阀杆１１和主阀阀头ｌ２在压缩弹簧１０的反　压表变化示警，无需地面设备来解码，结构简单可　靠，易于加工制造，可创造良好的经济效益和社会　效益，具有广泛的应用前景。　参考文献　作用力下就会向下运动，主阀阀头１２与限流环１３　之间的空隙就会减小，泥浆流通面积减小，此时泥　浆压力增大，在井口的工作人员就会通过地面司钻　控制室的泵压表指针的反馈来做出相应的操作。　ｌ　Ｐａｖｏｎｅ　Ｄ　Ｒ．Ｄｅｓｐｌａｎｓ　Ｊ　Ｐ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｉｇｈ　ｒａｔｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｉｃｋ—ｓｌｉｐ　ｉｎ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ．ＳＰＥ　２８３２４，１９９４　２　Ｄｙｋｓｔｒｉｉ　Ｍ　Ｗ，Ｃｈｅｎ　Ｄ　Ｃ—Ｋ，Ｗａｍｍ　Ｔ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｅｖａｌｕａ—　ｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｂｉｔ　ａｎｄ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｉｒｎｇ　ｄｙｎａｍｉｃｓ．ＳＰＥ　２８３２３，１９９４　３管志川，韩志勇，王以法，等．井下钻柱受力实测接头研究．石油　大学学报，２００２；２６（４）：２９—３２　４张简一，郭艳玲，杨树财，等．基于ＴＲＩＺ理论的产品仓０新设计．机　械设计，２００９；２６（２）：３５—３８　Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ｔｈｅ　Ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　Ｆａｉｌｕｒｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　Ｄｒｉｌｌ　Ｓｔｒｉｎｇ　ｏｎ　ＴＲＩＺ　ＬＩ　Ｚｈｉ—ｍｉａｏ　，ＣＵＩ　Ｃｈｕｎ　，ＬＩＵ　Ｊｕ—ｂａｏ　，ＸＩＮＧ　Ｇｕａｎｇ—ｋｕｏ　，ＭＥＩ　Ｄｏｎｇ．ｑｉｎ　（Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　，Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；　Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｂｕｒｅａｕ　，Ｈａｒｂｉｎ　１５０３１７，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｄｉｒｅｃｔｅｄ　ａｇａｉｎｓｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｖｅｒｙ　ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ　ｅｔｃ　ｅｘｉｓｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｒｉｎｇ　ａｔ　ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ａ　ｃｏｎｆｌｉｃｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｉｎｇ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ＴＲＩＺ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｒｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅｌｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｎｇ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ａｎｄ　ｖａｌｖｅ　ｐｏｌｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｆｌｉｃｔ　ｍａｔｒｉｘ　ａｎｄ　ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ＴＲＩＺ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｃｔｒｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｉｒｎｇ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ａｎｄ　ｉｔ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｔｈｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｆ　ｄｒｉｌｌ　ｓｔｉｒｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｉｎｖｅｎｔｉｏｎ　ＴＲＩＺ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｃｏｎｌｆｉｃｔ　ｍａｔｉｒｘ