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四相分离装置是一种油气钻井特别是特殊工艺油气钻井的重要装备。它可以在密闭条件下将井内返出钻井液中的气、油和岩屑进行分离，分离产物进行妥善处理，在整个作业过程中，不会对外界环境造成任何污染。但该装备结构复杂，其关键技术只有国外几个石油公司掌握，因此国内研制该装备，需要对一些关键技术进行一些创新性突破。
TRIZ（发明问题解决方法理论）是以阿奇舒勒（ALTSHULLER）为首的苏联科研人员提出的一种有效的创新方法，它是目前最全面、系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论，该理论提供了系统化解决产品矛盾的方法和算法。它被美国及欧洲等国称为“超发明术”，其系统构架如如图1所示。本文应用TRIZ的物质-场分析和矛盾解决原理对四相分离装置设计中的一些瓶颈问题进行了分析，并得出了相应的解决方案。
一、基于物质-场分析方法的岩屑分离结构设计
物质-场分析方法是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论和方法学，是TRIZ的一个重要的发明创造问题的分析工具。物质-场分析的技术系统是由物质S1、物质S2和场F三种要素构成。要素之间的内部矛盾，是依靠TRIZ提供的不同工程领域通用的76个标准解法，得出较为具体的方案模型而解决。
四相分离装置需要同时分离岩屑、气、原油和钻井液。分离岩屑最常用最可靠的办法是依靠重力沉降作用将密度较大的岩屑沉降在分离器的底部，但是由于井内返出钻井液的流量很大，进入分离器钻井液的流速也非常大，如果钻井液在分离装置停留期间内，要使岩屑完全沉降在分离装置底部，分离装置需要具有很大的容积，但是过大容积，会给运输安装带来很大的不便，有些面积较小的井场甚至无法摆放面积过大的分离装置。因此不能通过增大分离装置容积的方式来提高岩屑分离效率。下面应用物质-场分析方法解决这个问题。
1.物质-场模型
岩屑在四相分离装置内的分离原理：悬浮在钻井液中的密度较大的岩屑颗粒在地球重力场的作用下而发生沉降分离。在相对应的物质-场模型中，物质S1为岩屑，物质S2为地球，施加的场F1为重力场。因此物质-场模型可描述为：岩屑S1的沉降分离，是由于地球重力场的作用下引发的。地球重力场F1对于岩屑S1沉降分离是有用的，但是也是不足的，因此该物质-场模型的种类属于有用但不充分的相互作用。建立起来的物质-场模型如图2所示。
2.标准解法
阿奇舒勒研究发现：如果所需解决问题的物质-场模型相同，那么最终解决方案物质-场模型也相同。而解法规则是所需解决问题的物质-场模型到解决方案物质-场模型的桥梁工具，这些解法规则共有76个，且这些规则对于不同工程领域的问题是通用的，因此成为标准解法。
根据图2问题的物质-场模型，确定应用第二级标准解法系统的第一条——向具有可控场的物质—场要跃迁——来解决该问题。其解法内容：用更容易控制的场，来代替原来不容易控制的场，或者叠加到不容易控制的场上。可按以下路线进行取代一个场：重力场、机械场、电场、磁场和辐射场。
3.解决方案
按照标准解法提供的用机械场代替重力场的思路，确定应用可更容易控制的旋流器产生的机械场F2代替无法控制的重力场F1分离岩屑，用旋流器S2`代替地球S2。其解决方案模型如图3和图4所示。
选用旋流器分离岩屑颗粒的方案，如果旋流器尺寸设计合理，即可在有限的空间内高效率地分离出岩屑颗粒，从而有效地解决了这个工程难题。
二、基于技术矛盾解决原理的减振结构设计
阿奇舒勒认为，发明问题的核心是解决矛盾。TRIZ的技术矛盾和物理矛盾是解决技术系统问题的主要工具。技术矛盾是在提高技术系统的某一个参数时，导致另一个参数的恶化而产生的矛盾。解决技术矛盾过程是：先将一个用通俗语言描述的待解决的具体问题，转化为利用39个通用工程参数（TRIZ术语）描述的技术矛盾，即标准的“问题模型”，然后利用TRIZ的解题工具——矛盾矩阵，在40个创新原理里面找到解决方案模型。模式如图5所示。
应用旋流器可以有效解决岩屑颗粒的分离器问题，同时，也会引起流体在旋流装置内偏心旋转而引起四相分离装置产生振动，长时间的振动会对装备产生较大的损害，是我们不希望看到的。下面应用技术矛盾原理来解决该问题。
1.问题的技术矛盾
四相分离装置中应用旋流器分离岩屑，优点是提高了岩屑颗粒的分离效率，缺点是引起了四相分离装置的振动。存在矛盾为：虽然改善了岩屑颗粒的分离效率，结果却导致装备发生振动破坏。应用39个通用工程参数中的两个来描述。
（1）需要改善的特性：39#生产率。
（2）系统恶化的特性：30#作用于物体的有害作用。
2.矛盾矩阵对应的创新原理
该问题的技术矛盾在矛盾矩阵表中对应的是第39行第30列22#、35#、13 #、24#创新原理。
（1）22#为变害为利原理，其具体描述：①利用有害的因素（特别是环境中的有害效应），得出有益的结构；②将两个有害的因素相结合，进而消除他们。
（2）35#为物理或化学参数改变原理，其具体描述：①改变聚集态；②改变浓度或密度；③改变柔度；④改变温度。
（3）13#为反向作用原理，其具体描述：①用相反的动作，代替问题定义中所规定的动作；②把物体上下或内外颠倒过来；③让物体或环境，可动部分不动，不动部分可动。
（4）24#为借助中介物原理，其具体描述：①使用中介物实现所需动作；②把一物体与另一容易去除的物体暂时结合。
3.解决方案
经过对上述4个原理的分析，确定用13#反向作用原理和22#变害为利原理，将两个有害的因素相结合，进而消除它们。由此岩屑分离采用两个旋流结构，其旋流方向相反，这样振动也是相反的，将这两个振动结合起来可以相互抵消，进而大幅度地降低了振动（图6）。
三、基于物理矛盾解决原理的原油分离结构设计
物理矛盾是技术系统中一种常见的、更难解决的矛盾，它是对技术系统中的同一参数，提出相互排斥需求的物理状态。这种矛盾通常应用空间分离、时间分离、条件分离和整体与局部分离的原理进行解决。
四相分离装置的岩屑需要应用旋流器进行高效分离，旋流出钻井液会使在整个分离器内的钻井液发生紊流；同时原油从钻井液中的分离需要平稳分层，进而要求分离器内的钻井液处于层流状态。因此这样问题的物理矛盾是：既要使钻井液处于紊流状态又要使它处于层流状态。经分析采用空间分离原理解决这个物理矛盾。
所谓空间分离原理，是指将矛盾双方在不同的空间上分离。具体到该问题，即在旋流器后面添加一个带孔的隔板，这样带孔隔板前处于紊流状态，隔板后的钻井液紊流程度就会大大减小，从而不影响原油的分离（图7）。
四、结论
（1）TRIZ是可有效解决装备结构设计难题的一种创新工具。
（2）应用物质-场分析方法设计出了旋流式岩屑高效分离结构。
（3）应用技术矛盾解决原理设计了反向双旋流结构，有效地避免了装备振动。
（4）应用物理矛盾解决原理解决了钻井液不同流态要求的难题。
TRIZ（发明问题解决方法理论）是以阿奇舒勒（ALTSHULLER）为首的苏联科研人员提出的一种有效的创新方法，它是目前最全面、系统地论述发明创造、实现技术创新的新理论，该理论提供了系统化解决产品矛盾的方法和算法。它被美国及欧洲等国称为“超发明术”，其系统构架如如图1所示。本文应用TRIZ的物质-场分析和矛盾解决原理对四相分离装置设计中的一些瓶颈问题进行了分析，并得出了相应的解决方案。
一、基于物质-场分析方法的岩屑分离结构设计
物质-场分析方法是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论和方法学，是TRIZ的一个重要的发明创造问题的分析工具。物质-场分析的技术系统是由物质S1、物质S2和场F三种要素构成。要素之间的内部矛盾，是依靠TRIZ提供的不同工程领域通用的76个标准解法，得出较为具体的方案模型而解决。
四相分离装置需要同时分离岩屑、气、原油和钻井液。分离岩屑最常用最可靠的办法是依靠重力沉降作用将密度较大的岩屑沉降在分离器的底部，但是由于井内返出钻井液的流量很大，进入分离器钻井液的流速也非常大，如果钻井液在分离装置停留期间内，要使岩屑完全沉降在分离装置底部，分离装置需要具有很大的容积，但是过大容积，会给运输安装带来很大的不便，有些面积较小的井场甚至无法摆放面积过大的分离装置。因此不能通过增大分离装置容积的方式来提高岩屑分离效率。下面应用物质-场分析方法解决这个问题。
1.物质-场模型
岩屑在四相分离装置内的分离原理：悬浮在钻井液中的密度较大的岩屑颗粒在地球重力场的作用下而发生沉降分离。在相对应的物质-场模型中，物质S1为岩屑，物质S2为地球，施加的场F1为重力场。因此物质-场模型可描述为：岩屑S1的沉降分离，是由于地球重力场的作用下引发的。地球重力场F1对于岩屑S1沉降分离是有用的，但是也是不足的，因此该物质-场模型的种类属于有用但不充分的相互作用。建立起来的物质-场模型如图2所示。
2.标准解法
阿奇舒勒研究发现：如果所需解决问题的物质-场模型相同，那么最终解决方案物质-场模型也相同。而解法规则是所需解决问题的物质-场模型到解决方案物质-场模型的桥梁工具，这些解法规则共有76个，且这些规则对于不同工程领域的问题是通用的，因此成为标准解法。
根据图2问题的物质-场模型，确定应用第二级标准解法系统的第一条——向具有可控场的物质—场要跃迁——来解决该问题。其解法内容：用更容易控制的场，来代替原来不容易控制的场，或者叠加到不容易控制的场上。可按以下路线进行取代一个场：重力场、机械场、电场、磁场和辐射场。
3.解决方案
按照标准解法提供的用机械场代替重力场的思路，确定应用可更容易控制的旋流器产生的机械场F2代替无法控制的重力场F1分离岩屑，用旋流器S2`代替地球S2。其解决方案模型如图3和图4所示。
选用旋流器分离岩屑颗粒的方案，如果旋流器尺寸设计合理，即可在有限的空间内高效率地分离出岩屑颗粒，从而有效地解决了这个工程难题。
二、基于技术矛盾解决原理的减振结构设计
阿奇舒勒认为，发明问题的核心是解决矛盾。TRIZ的技术矛盾和物理矛盾是解决技术系统问题的主要工具。技术矛盾是在提高技术系统的某一个参数时，导致另一个参数的恶化而产生的矛盾。解决技术矛盾过程是：先将一个用通俗语言描述的待解决的具体问题，转化为利用39个通用工程参数（TRIZ术语）描述的技术矛盾，即标准的“问题模型”，然后利用TRIZ的解题工具——矛盾矩阵，在40个创新原理里面找到解决方案模型。模式如图5所示。
应用旋流器可以有效解决岩屑颗粒的分离器问题，同时，也会引起流体在旋流装置内偏心旋转而引起四相分离装置产生振动，长时间的振动会对装备产生较大的损害，是我们不希望看到的。下面应用技术矛盾原理来解决该问题。
1.问题的技术矛盾
四相分离装置中应用旋流器分离岩屑，优点是提高了岩屑颗粒的分离效率，缺点是引起了四相分离装置的振动。存在矛盾为：虽然改善了岩屑颗粒的分离效率，结果却导致装备发生振动破坏。应用39个通用工程参数中的两个来描述。
（1）需要改善的特性：39#生产率。
（2）系统恶化的特性：30#作用于物体的有害作用。
2.矛盾矩阵对应的创新原理
该问题的技术矛盾在矛盾矩阵表中对应的是第39行第30列22#、35#、13 #、24#创新原理。
（1）22#为变害为利原理，其具体描述：①利用有害的因素（特别是环境中的有害效应），得出有益的结构；②将两个有害的因素相结合，进而消除他们。
（2）35#为物理或化学参数改变原理，其具体描述：①改变聚集态；②改变浓度或密度；③改变柔度；④改变温度。
（3）13#为反向作用原理，其具体描述：①用相反的动作，代替问题定义中所规定的动作；②把物体上下或内外颠倒过来；③让物体或环境，可动部分不动，不动部分可动。
（4）24#为借助中介物原理，其具体描述：①使用中介物实现所需动作；②把一物体与另一容易去除的物体暂时结合。
3.解决方案
经过对上述4个原理的分析，确定用13#反向作用原理和22#变害为利原理，将两个有害的因素相结合，进而消除它们。由此岩屑分离采用两个旋流结构，其旋流方向相反，这样振动也是相反的，将这两个振动结合起来可以相互抵消，进而大幅度地降低了振动（图6）。
三、基于物理矛盾解决原理的原油分离结构设计
物理矛盾是技术系统中一种常见的、更难解决的矛盾，它是对技术系统中的同一参数，提出相互排斥需求的物理状态。这种矛盾通常应用空间分离、时间分离、条件分离和整体与局部分离的原理进行解决。
四相分离装置的岩屑需要应用旋流器进行高效分离，旋流出钻井液会使在整个分离器内的钻井液发生紊流；同时原油从钻井液中的分离需要平稳分层，进而要求分离器内的钻井液处于层流状态。因此这样问题的物理矛盾是：既要使钻井液处于紊流状态又要使它处于层流状态。经分析采用空间分离原理解决这个物理矛盾。
所谓空间分离原理，是指将矛盾双方在不同的空间上分离。具体到该问题，即在旋流器后面添加一个带孔的隔板，这样带孔隔板前处于紊流状态，隔板后的钻井液紊流程度就会大大减小，从而不影响原油的分离（图7）。
四、结论
（1）TRIZ是可有效解决装备结构设计难题的一种创新工具。
（2）应用物质-场分析方法设计出了旋流式岩屑高效分离结构。
（3）应用技术矛盾解决原理设计了反向双旋流结构，有效地避免了装备振动。
（4）应用物理矛盾解决原理解决了钻井液不同流态要求的难题。