TRIZ理论在旋转防喷器冷却结构设计中的应用

赵航博，叶文勇，章东哲

(1.中国石油集团 川庆钻探工程有限公司，成都 610051；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018)



TRIZ理论在旋转防喷器冷却结构设计中的应用

赵航博1，2，叶文勇1，2，章东哲1，2

(1.中国石油集团 川庆钻探工程有限公司，成都 610051；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018)

摘要：将TRIZ理论应用在旋转防喷器冷却结构设计中，利用物-场分析法和阿奇舒勒矛盾矩阵法，参考TRIZ理论的76种物场分析的一般解法和40条发明原理，经历二次优化设计，提出了2种旋转防喷器冷却结构。通过综合评价，优化筛选出最适合XK28-35-7/14型旋转防喷器的冷却结构。

关键词：旋转防喷器；冷却结构；TRIZ理论

TRIZ理论(发明问题解决理论)是由前苏联发明家根里奇.阿奇舒勒(G.S.Altshuller)在1946年创立的。阿奇舒勒和他的团队研究了世界各地250万份高水平专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，并综合多学科领域解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则而建立起来的一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系[1-2]，TRIZ理论涉及的技术领域比较广泛，适合在机械设计中参考[3]。

旋转防喷器在钻井过程中安装在井口防喷器组最上端，其作用是随钻具一起旋转的同时对井口实现动态密封，是欠平衡钻井、控压钻井等新钻井工艺不可缺少的重要设备。旋转防喷器在使用过程中，实现旋转和动态密封井口2个功能，其内部结构包含轴承组件和动密封组件。旋转防喷器在运转过程中发热是不可避免的，包括动密封处发热和轴承发热，温度过高会影响动密封的可靠性和轴承使用寿命，甚至导致整机性能下降[4-7]，所以一套结构合理、冷却效果良好的冷却系统是旋转防喷器不可缺少的一部分。

1存在问题

本文以XK28-35-7/14型旋转防喷器(如图1)为例，其技术参数如表1。该型号的冷却结构分布在轴承座内部，入口处连接一根铜管，改变了循环液进入冷却腔的位置，从而两侧流体并联绕轴180°自下而上，然后经出口流出，保证了冷却液循环路径尽量覆盖所有的待冷却区域，如图2所示。

图1　XK28-35-7/14型旋转防喷器

图2　XK28-35-7/14型旋转防喷器冷却结构

主通径/mm(英寸)280(11)底部法兰/(mm/MPa)280/35中心最大通径/mm195工作压力/MPa最大动压7.0最大静压14.0密封钻具规格/mm(英寸)108.0(4)、133.4(5)六方钻杆;101.6(4)、127(5)钻杆工作介质空气、泡沫、各种钻井液动密封工作温度/℃≤100

该型号旋转防喷器存在冷却效果较差，导致工作动压低，最高只能达到3.5MPa，而其设计工作动压是7MPa，未能达到设计要求，如表2。冷却区域温度不均匀，其周向温度存在较大的差异，图2中 A、C区域的温度比B、D区域的温度高出15～20 ℃。如果再将工作动压提高，轴头温度会急剧上升，使得动密封组件密封失效，甚至动密封被高温烧变形。

表2　室内试验冷却效果性能参数

2方案提出

利用TRIZ所提供的物-场分析法进行优化设计。根据以上所述，可将问题总结为冷却效果是可以的，但是未能达到预期设计的效果。故确定该模型为“效应不足的完整模型”，效应不足的完整模型是指构成物-场模型的元素是完整的，但有用的场F效应不足，比如太弱、太慢等[1]。如图3所示。

F1—原外围冷却场；S1—轴头温度；S2—冷却结构。

解决效应不足的完整模型，有3个一般解法，即一般解法4、5、6，如表3。在此选用一般解法6，即插进一个元素S3，并引进一个场F2来提高有用效应。根据旋转防喷器旋转总成的结构特点，在轴的内部设置一定数量的轴向液体流道，作为新增的冷却结构元素S3；同时S3和S2建立联系，并新增了一个旋转总成内侧冷却F2场，可以大幅度地增强冷却效果，建立新的物-场分析图，如图4所示。

表3　效应不足完整模型的一般解法

S3—轴内部液体流道；F2—新增内侧冷却。

具体实施方案1如图5所示。保留原轴承座内部的冷却结构S2，旋转轴内部均布若干个轴向深孔S3，并利用上、下压套的径向孔连接了S2和S3，使其构成一个完整的循环通道。由于轴上新增的流体通道是均匀分布在轴的周向，这样就可以解决冷却不均匀的问题。轴属于旋转部件，那么S3也随之旋转，构成一个内侧动态冷却，新增的F2和原有的F1从内外两侧同时冷却，共同作用会增强冷却效果。

1—轴；2—动密封组件；3—上压套；4—O型密封圈；5—轴承座；6—O型密封圈；7—外壳；8—轴承；9—下压套；10—O型密封圈。

但是由于新增的S3需要旋转，就需要在上下两端分别增加1组动密封组件来实现对其的动态密封。然而动密封工作时具有液体外渗的特点，也就是说油腔的油会向冷却腔渗漏，会造成冷却液黏度增大影响冷却效果，冷却液也会进入油腔影响轴承润滑。这样就需要对控制系统油箱和冷却液箱体内的液体进行定期的更换，增加了现场工作量。故方案1的运行可靠性不高，同时也增加了加工成本和使用成本。

利用阿奇舒勒矛盾矩阵法，解决方案1所存在可靠性较低的问题，部分阿奇舒勒矛盾矩阵如表4。TRIZ理论总结出39个通用工程参数，并归纳出40条发明原理(如表5)。将该39个通用工程参数横向、纵向顺序排列，构成阿奇舒勒矛盾矩阵，横向代表防恶化参数，纵向代表欲改善的参数，在工程参数纵横交叉的方格内的数字代表建议使用的40个发明原理序号[2]。首先根据TRIZ的要求，在使用矛盾矩阵前应确定出“防止恶化的参数”和“欲改善的参数”。希望再次通过改变旋转防喷器冷却系统的结构以寻求最佳理想的解，那么需要改善其“形状”来提高设备运行的可靠性。

在此“27可靠性”作为防恶化参数，“12形状”作为欲改善的参数，根据表4，TRIZ提示使用表5中的发明原理10、16或者40，进行该技术问题的解决。依据上述3种发明原理，通过大量的方案构思和筛选，最终选用第16条发明原理，即部分超越法。

表4　部分阿奇舒勒矛盾矩阵

表5　部分TRIZ的40条发明原理

现对F1和F2的优点进行提取，然后使其局部化，使得部分实现“超越”。F1的优点在于不参与旋转，不需要动密封，也就能避免液体互相扩散的问题，F2具有圆周均布的液体流道，可避免冷却不均匀、冷却效果差的问题。根据TRIZ的提示，可以在原冷却结构的基础上设置一定数量的圆周均布的液体流道，将F1和F2的优点集聚在轴承座内部实现部分超越，如图6所示。具体实施方法为将轴承座设计成分体式，由内座和外筒组成，其中内座圆周均布若干个轴向槽子，槽子在上下两端交替连通，并保留一个不连通，作为冷却液的入口槽和出口槽。然后内座、外圆花键槽和外筒的内径配合出一个上下反复循环的液体通道，从而使得冷却液顺着该通道强行循环一周，保证冷却无死角。但是该冷却结构只是对发热区域的外侧进行冷却，冷却效果不及方案1，但可靠性较高。

1—外筒；2—内座；3—上部连通槽；4—冷却液入口；5—冷却液出口；6—上下均不开连通槽的外圆；7—内座花键槽；8—外圆花键槽；9—下部连通槽。

3方案优选

分别从加工难易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷却效果5个方面对2种方案进行对比，综合评价，如表6。2种方案的加工难度都相当大，方案1多出2组动密封组件，加工配套成本较高，并需要定期更换油箱以及冷却液箱内的液体介质，使用成本高，且可靠性较差；但方案1的冷却效果却是最好的，适应于更高压力等级的旋转防喷器冷却结构。XK28-35-7/14型旋转防喷器属于低压旋转防喷器，选用方案2不但能提高设备运行的可靠性，还可以节约成本。因此选用方案2作为该型旋转防喷器的冷却结构。

表6　2种方案对比

4结论

利用TRIZ理论的物-场分析法和阿奇舒勒矛盾矩阵法，对旋转防喷器冷却结构进行优化设计，提出了2种旋转防喷器冷却结构。从加工难易程度、加工成本、使用成本、工作可靠性以及冷却效果5个方面综合评价，最终优选出最适合XK28-35-7/14型旋转防喷器的冷却结构，并达到了预期的设计要求。

参考文献：

[1]刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2]赵敏，史晓凌，段海波.TRIZ入门及实践[M].北京：科学出版社，2009.

[3]牛占文，徐燕申，林岳，等.发明创造的科学方法论—TRIZ[J].中国机械工程，1999(1)：84-89.

[4]魏晓东，王国荣，王斌，等.煤层气欠平衡钻井专用旋转控制头方案设计[J].石油矿场机械，2010，39(9)：29-33.

[5]邓猛，魏晓东，王国荣，等.旋转控制头台架试验研究[J].石油矿场机械，2011，40(5)：29-32.

[6]陈家庆，王颖君，赵增元.Williams高压旋转防喷器国产化要点浅析[J].石油矿场机械，2002，31(3)：1-5.

[7]张慧，刘春全，艾志久.浅谈我国旋转防喷器技术的现状与发展[J].石油矿场机械，2007，36(1)：28-32.

[8]GB/T25430―2010，钻通设备 旋转防喷器规范[S].

TRIZTheoryinRotatingBOPCoolingStructureDesign

ZHAOHangbo1，2，YEWenyong1，2，ZHANGDongzhe1，2

(1.Chuanqing Drilling Engineering Company Limited，CNPC，Chengdu 610051，China；2.State Engineering Laboratory of Low Permeability Oil and Gas Field Exploration and Development，Xi’an 710018，China)

Abstract：TRIZ theory is applied in rotary BOP cooling structure design，namely the use of the substance - field analysis and contradictions altshuller matrix method，respectively with reference to the 76 kinds of general solution of the object field analysis of TRIZ and 40 invention principle，through the second optimization design two kinds of rotary blowout preventer cooling structure are proposed，through comprehensive evaluation，and optimization the most suitable XK28-35-7/14 rotating BOP cooling structure is selected.

Keywords：rotary blowout preventer；structure；cooling；TRIZ theory

文章编号：1001-3482(2016)06-0047-04

收稿日期：2015-12-04

作者简介：赵航博(1986-)，男，陕西礼泉人，工程师，主要从事井下工具及钻井辅助设备的研发工作，E-mail：zhaohb_gcy@cnpc.com.cn。

中图分类号：TE931.1

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.010