牛志巍 NIU Zhi-wei；赵俊杰 ZHAO Jun-jie；李治淼 LI Zhi-miao

（①中海油田服务股份有限公司天津分公司，天津300459；②东北石油大学，大庆163318）

0 引言

随着海上油田不断向着深水和超深水发展，进行深水和超深水海洋钻井采油的关键装备及其相应的海洋石油平台的发展逐渐向着安全、高效的方向迈进。在此期间，海洋平台的发展经历了由简单到复杂的过程，平台的材料从最初的木材到钢材再到现在的钢筋混凝土结构形式；平台的结构形式也从固定发展到移动等多种形式；平台的作业水深也从浅水发展到1000多米的深水。研究其发展则成为目前深水和超深水石油开发首要的课题。

我国海洋油气开发始于1964年1月，故而当时将海洋石油公司命名为“641”公司。从1966年12月底在渤海湾建成第一座固定式导管架平台起，这30多年的时间里中国海洋石油总公司下属的四大公司：渤海公司、南海东部、西部公司和东海公司己建成使用的海洋平台有几十座。主要平台结构型式包括钢质导管架平台、锥体沉箱式和浮式[1]。

海洋平台作为固定井架设备以及安放采油工具的重要设备，一直都是海洋油田开采中的重要保障。当在井口施工时，井口处的盖板需要被吊装起来，方便工作人员进行下一步的作业，但直接起吊的盖板存在坠落的风险，因此，平台上的工作人员希望能设计一种能灵活的将盖板移动到多个位置的吊具。

1 TRIZ理论概述

TRIZ是俄文“Teorijz Rezhenija Izobretatel'skich Zadach”的词头缩写，为发明问题解决理论的意思[2]。该理论的提出者阿奇舒勒以高水平专利为研究基础，在分析了世界各国250万件专利的基础上，找出了发明背后存在的模式，以此形成了TRIZ的原始基础，进一步的提出了一整套具有完整体系的理论和方法。该理论体系经过半个多世纪的发展，目前主要包括9大工具：①技术系统进化法则；②最终理想解；③40个发明原理；④阿奇舒勒冲突矩阵；⑤物理矛盾和分离原理[3]；⑥物质场模型；⑦76个标准解；⑧发明问题解决算法；⑨科学效应知识库。TRIZ方法具有较强的工程实用性，目前已在很多工程领域得到了广泛应用，不仅创造出了成千上万项的重大发明，同时还为企业带来了高额的利润。

2 采油平台井口盖板吊具创新设计

2.1 采油平台井口盖板吊具的进化阶段分析

在TRIZ理论中，通过检索当前系统的专利数量并结合系统进化阶段的S曲线，可以预测产品的技术成熟度，这种方法已经被广泛应用在各个领域技术的趋势预测中[4]。根据系统进化阶段的S曲线，结合现有采油平台井口盖板吊具的专利数量，不难判断出排水采气实验台目前的发展处在婴儿期。Mann D.认为当系统进化到一定阶段时面临的主要问题是解决矛盾，对应的主要工具是矛盾矩阵和发明原理[5]。

图1 系统进化阶段曲线

2.2 采油平台井口盖板吊具的初始形势分析

2.2.1 当前系统的功能及组成

采油平台井口盖板吊具通常是放置在井口盖板上的起支撑作用的可移动机械装置，起到为工人进行井下作业时，抬起井口盖板并将其固定在不影响作业位置的用途。主要由液压绞车、锁具、卸扣等组成。

2.2.2 当前系统的工作原理

采油平台井口盖板拆装过程中，需要液压绞车或游车大钩带锁具用卸扣吊装井口盖板，将卸扣安装在井口盖板的把手处，井口盖板在移运的过程中，把手主要承受盖板重量，存在把手断裂，盖板掉落的风险，同时井口盖板在移运过程中需要人员用牵引绳拉动吊索，改变盖板移运方向。

2.2.3 当前系统存在的主要问题

①井口盖板在移运的过程中，把手主要承受盖板重量，存在把手断裂，盖板掉落的风险；②井口盖板移走后，其原部位为敞开区域，人员在拉动牵引绳时存在跌落的风险；③由于吊运的钢丝绳是从转盘处放下来的，由于限位，也容易磨损钢丝绳，存在吊物坠落风险。

2.2.4 问题解决目标

①不需要卸扣吊装盖板把手，定制专用电动葫芦拉动井口盖板悬吊钢丝绳，将井口盖板移运至旁侧，省去了人工拉牵引绳改变移运方向，保障人员安全；②井口盖板移至旁侧后，将井口盖板移运远离敞开部位，防止井口吊物磕碰、坠落风险。

2.3 采油平台井口盖板吊具的技术矛盾分析

通过对采油平台的井口盖板吊具进行功能分析，不难发现，其在采油平台当中主要起到阻挡井口的作用。但是目前的井口盖板吊具，采用提升机构将盖板吊起后，盖板被吊在井口的正上方，具有坠落伤人的风险。因此我们希望设计一种可以灵活移动盖板位置的吊具。

针对刚刚提出的问题，下面对当前系统进行因果链分析，以便确定当前系统的技术矛盾。根据因果链分析，我们可以得到当前系统的技术矛盾：①吊具既应该方便移运，又应该与井口盖板紧密连接。②吊运吊具的钢丝绳，既应该方便限位，又应该避免磨损钢丝绳，减小吊物坠落风险。

图2 采油平台井口盖板吊具因果链分析图

对技术矛盾进行表述，确定39个工程参数：确定要解决的技术矛盾为TC-1，它发生在（吊具方便调整位置）与（井口盖板紧密连接）之间，发生在（需要移运井口盖板）的时候（图3）。确定要解决的技术矛盾为TC-3，它发生在（吊具采用钢丝绳限制位置）与（减小吊物坠落风险）之间，发生在（需要移运井口盖板）的时候（图4）。技术矛盾1：改善的参数：可靠性（27）恶化的参数：系统的复杂性（36）技术矛盾2：改善的参数：可靠性（27）恶化的参数：可操作性（33）

图3 技术矛盾1表述图

图4 技术矛盾2表述图

查看下面的阿奇舒勒矛盾矩阵表[3]（表1），可以确定用于解决当前技术问题的发明原理。通过对采油平台井口盖板吊具的设计需求进行分析，确定出39个工程参数。再结合从矛盾矩阵表中查到的发明原理，从中找到两个较为适合的发明原理，分别为第13条、第1条和第17条发明原理，如表2所示。其中，将反向作用原理应用到吊具的设计当中：在吊具上设计有伸展机构，方便对盖板的位置进行调整；将分割原理应用到吊具的设计中：将原本为一个整体的吊具结构设计成可以实现相对移动的结构，将一维变多维原理应用到吊具的设计当中：在吊具上设计有导向机构，方便对盖板的位置进行水平方向的调整。

表1 技术矛盾矩阵表

表2 发明原理及解释说明

2.4 采油平台井口盖板吊具的物理矛盾分析

技术矛盾用于解决相互关联的参数，但要是考虑系统中的同一个参数对系统的影响，则需要用到物理矛盾解决，下面确定当前系统的物理矛盾。

物理矛盾：

（井口盖板吊具）应该（方便调整位置），以满足（避免盖板坠落伤人）要求；（井口盖板吊具）应该（不方便调整位置），以满足（缩短作业时间）要求。

采用分离原理，提出技术方案：方案1：将井口盖板吊具设计成组合式的结构，当需要调整位置的时候，通过吊具的伸展结构对盖板位置进行调整。（系统分离）方案2：当需要调整位置时，井口盖板吊具具有磁性，当不需要调整位置时，井口盖板吊具不具有磁性。（时间分离）方案3：井口盖板吊具设计成一节一节的波纹结构，整体来看，井口盖板吊具具有一定的刚度，但从局部看，一个个微小的波纹结构，又能使井口盖板吊具在工作时具有一定的柔性，不至于在长时间的磨损后发生破坏。（系统分离）方案4：将井口盖板吊具设计成填充流体的液压结构，当需要使用井口盖板吊具时，充入流体，将井口盖板举升，当不需要使用井口盖板吊具时，放出流体，便于携带。（条件分离）

2.5 采油平台井口盖板吊具的物场模型分析

通过前文对采油平台井口盖板吊具系统中存在的技术矛盾、物理矛盾进行了分析，接下来需要对系统的技术问题进行物-场模型分析，首先确定待解决的技术问题为设计一种采油平台井口盖板吊具。可以得到当前系统的物场模型如图5：作用对象S1为采油平台井口盖板，工具S2为井口盖板吊具，二者之间作用场为机械场，属于有效作用不足模型。采用一般解法5：效应不足完整模型解法（图6）。提出技术方案：方案5：将采油平台井口盖板系统中原本的吊具改为强磁吊具，引入可靠性高的磁场，再结合有导轨组成的换向结构，便可轻易的改变采油平台井口盖板吊具的固定位置。

图5 物场模型

图6 一般解法模型

3 采油平台井口盖板吊具的设计预案

通过对采油平台井口盖板吊具进行分析，得到了诸多的设计方案，结合提出的方案，最终采油平台井口盖板吊具的工作状态图和放置位置示意图分别如图7、图8所示，其中工作状态图展示了井口盖板吊具的待机状态与工作状态。首先将上滑轨与下滑轨连接起来，用桁架结构将四个永磁磁力吊通过吊索具连接到桁架上，确保四个磁力吊受力均匀，直接用四联锁具将四个磁力吊连接，形成强大磁力，吊运井口盖板。当需要移运盖板时，可以通过左右移动滑轨，带动盖板一起运动，避免了直接将盖板吊起，带来的盖板坠落的风险。

图7 井口盖板吊具机械式工具工作状态图

图8 井口盖板吊具工具放置位置示意图

4 结论

本文根据采油平台井口盖板吊具的设计需求，通过对其存在的技术矛盾与物理矛盾[6-8]进行了分析，再基于TRIZ理论中的发明原理，对采油平台井口盖板吊具进行了创新设计，新结构采用磁力吸合井口盖板，不需要卸扣吊装盖板把手，同时采用组合式结构对盖板进行吊放，省去了人工拉牵引绳改变移运方向，避免了将盖板吊起之后盖板坠落的问题，保障人员安全。证实了TRIZ理论确实可以在机械工程领域进行创新设计，进一步可为相关的产品创新提供理论依据。