劉升貴 梁天 趙怡陽(yáng) 劉博瑞

摘要：詳細(xì)闡述了國(guó)內(nèi)外水平井技術(shù)在煤層氣開(kāi)采方面的基本設(shè)計(jì)思想和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)兩者的發(fā)展歷程進(jìn)行了對(duì)比分析。簡(jiǎn)要介紹了煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程項(xiàng)目的項(xiàng)目目的要求和實(shí)施方案，總結(jié)了利用L型水平井開(kāi)展煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)和未來(lái)展望方向。對(duì)該工程涉及的典型力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析，為工程材料選擇提供了參考判據(jù)。

Abstract： The basic design ideas and application status of horizontal well technology in coalbed methane mining in China and abroad are elaborated， and the development history of the two is compared. This paper briefly introduces the project objectives and implementation plan of the coal resource fluidized mining project， and summarizes the key technical points and future prospects of using L-type horizontal wells to carry out coal resource fluidized mining. The theoretical analysis of the typical mechanical problems involved in the project is carried out， which provides a reference criterion for the selection of engineering materials.

關(guān)鍵詞：煤層氣;工程項(xiàng)目;L型水平井;力學(xué)分析

Key words： coalbed methane;engineering project;L-type horizontal well;mechanical analysis

中圖分類號(hào)：TD744 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）07-0079-04

0 ?引言

我國(guó)煤層氣資源豐富，全國(guó)新一輪資源評(píng)估結(jié)果表明，煤層氣埋深2000m以淺的煤層氣遠(yuǎn)景資源量為36.81萬(wàn)億m3。但我國(guó)煤層氣勘探開(kāi)發(fā)仍然處于發(fā)展初期，煤層氣井普遍單井產(chǎn)氣量低。煤層氣作為一種新開(kāi)發(fā)的能源類型，具有清潔低污染、熱值高的優(yōu)點(diǎn)，而傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采方式往往伴隨著煤炭瓦斯爆炸事故以及大量甲烷排放的缺點(diǎn)，煤層氣開(kāi)發(fā)大規(guī)模應(yīng)用恰恰可以避免這些缺點(diǎn)，對(duì)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有重要研究?jī)r(jià)值。本文以“利用L型水平井開(kāi)展煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)-典型力學(xué)問(wèn)題探析”為例，對(duì)比國(guó)內(nèi)外水平井技術(shù)現(xiàn)狀，闡述該項(xiàng)目的主要項(xiàng)目目的和項(xiàng)目實(shí)施方案，將實(shí)際工程項(xiàng)目簡(jiǎn)化為理論力學(xué)模型，通過(guò)對(duì)工程中可能存在的危險(xiǎn)截面進(jìn)行力學(xué)分析，為實(shí)際工程項(xiàng)目提供有關(guān)材料選擇和強(qiáng)度驗(yàn)算的理論參考依據(jù)。

1 ?國(guó)內(nèi)外水平井技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)比分析

國(guó)外煤層氣水平井技術(shù)現(xiàn)狀：1978年美國(guó)內(nèi)政部資助建造了世界上第一口多分支水平井，工程技術(shù)人員首先鉆一口直井，接著在距離直井不遠(yuǎn)的的位置鉆水平井，在進(jìn)入水平段以后再和直井開(kāi)始連通。由于當(dāng)時(shí)還不具備地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)和矢量磁力導(dǎo)向設(shè)備的科研條件，只能應(yīng)用單點(diǎn)測(cè)量方式對(duì)所有軌跡開(kāi)展計(jì)算工作，所以不可以與直井直接連通，于是采用了小型壓裂的方式與直井間接貫通，自然導(dǎo)致了產(chǎn)能不理想的結(jié)果。盡管如此，這種設(shè)計(jì)思想為以后的cdx公司多分支水平井技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并逐步發(fā)展成為鉆井設(shè)計(jì)和施工工藝的基本設(shè)計(jì)思想。國(guó)內(nèi)煤層氣水平井技術(shù)現(xiàn)狀：相對(duì)于國(guó)外煤層氣開(kāi)采水平井技術(shù)，起步晚但起點(diǎn)高是國(guó)內(nèi)水平井技術(shù)發(fā)展的主要特征。中國(guó)在近些年一直在探索煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，為此做出了大量的努力并且在資源評(píng)價(jià)、地質(zhì)理論和勘探技術(shù)等方面取得了重大突破[1]，下面以大寧煤礦為例加以說(shuō)明。大寧煤礦作為全國(guó)第一個(gè)地面多分支水平井DNPO2全面實(shí)施并推廣了井下長(zhǎng)鉆孔瓦斯抽放技術(shù)，單孔長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)1002m。至2008年2月末，鉆孔累計(jì)進(jìn)尺超過(guò)了7.9×105m。同時(shí)，井下瓦斯抽放率也從25%提高到了80%，是瓦斯抽放能力和抽放效果的革命性見(jiàn)證的里程碑。特別關(guān)鍵的是在實(shí)踐中得出并檢驗(yàn)了項(xiàng)目組關(guān)于大寧煤層煤礦可鉆性及瓦斯可抽性的判斷。很快這種成功的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)被推廣到中國(guó)其他的區(qū)塊，取得了顯著的應(yīng)用成果，以此為標(biāo)志，國(guó)內(nèi)利用多分支水平井開(kāi)發(fā)煤層氣的新時(shí)代就此開(kāi)始。根據(jù)大寧煤礦施工的第一口多分支水平井產(chǎn)氣量效果比常規(guī)直井好很多，可以發(fā)現(xiàn)多分支水平井具有開(kāi)發(fā)低滲透煤層氣資源的優(yōu)勢(shì)，且多分支水平井鉆井技術(shù)已經(jīng)被國(guó)內(nèi)工程人員研究掌握[2]。相比之下，國(guó)外由于煤層氣水平井技術(shù)開(kāi)展較早，所以在經(jīng)驗(yàn)積累和設(shè)備工具的使用等方面比較成熟，但國(guó)內(nèi)水平井技術(shù)加之于國(guó)內(nèi)煤礦安全的現(xiàn)實(shí)要求在積極探索和借鑒的情勢(shì)下正在迅速發(fā)展，且未來(lái)發(fā)展前景較為樂(lè)觀。

2 ?煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程項(xiàng)目實(shí)施方案

分析晉城無(wú)煙煤的氣化活性，開(kāi)展無(wú)煙煤分段氣化實(shí)驗(yàn)研究，開(kāi)發(fā)注氣、控溫、點(diǎn)火系統(tǒng)。通過(guò)煤炭地下氣化模型試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，從點(diǎn)火到正式試驗(yàn)，最后產(chǎn)出空氣煤氣和水煤氣，整個(gè)過(guò)程的決定性因素是氣化爐的溫度。通過(guò)氣化爐溫度分布，可及時(shí)了解爐內(nèi)火焰工作面的移動(dòng)速度，判斷確定氣化過(guò)程中的氧化帶、還原帶及干餾燥帶的長(zhǎng)度和煤層氣化范圍等[3]。自動(dòng)點(diǎn)火安全聯(lián)鎖單元是熱煤氣燃燒器在進(jìn)行點(diǎn)火和熄火操作時(shí)的關(guān)鍵保護(hù)裝置，可以用來(lái)防止用戶終端爆燃（或爆炸）[4]。

3 ?煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程特色

無(wú)井式氣化技術(shù)。煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程借鑒常規(guī)的油氣鉆井技術(shù)鉆孔，充分發(fā)揮石油企業(yè)的鉆井技術(shù)優(yōu)勢(shì)，免去了巷道式建地下氣化爐的條件限制。無(wú)井式煤炭地下氣化法從地面向煤層打直徑150-400mm、間距10-40m的一系列鉆孔，兩鉆孔之間貫通形成氣化通道，點(diǎn)火氣化。雙孔式氣化技術(shù)中常常應(yīng)用低壓火力滲透貫通法、電力貫通法、水力壓裂貫通法、高壓火力滲透貫通法以及定向鉆孔貫通法等方法實(shí)現(xiàn)兩孔間的貫通。

盡管地下煤氣化相對(duì)于地面煤氣化具有基本建設(shè)投資省、建站周期短、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、煤的回收率高、生產(chǎn)成本低、沒(méi)有三廢外排問(wèn)題等很多優(yōu)點(diǎn)，但技術(shù)上仍存在多種局限，距離廣泛工業(yè)化推廣任重道遠(yuǎn)。工程人員尤其要注意到適合地下煤氣化的煤層地質(zhì)條件比較苛刻，因?yàn)橐恍┟簩拥牡刭|(zhì)和水文特征會(huì)大大增加環(huán)境及工程風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4 ?煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程的力學(xué)模型

將煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程的整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)略去次要的部分，抽出主干模型，有利于培養(yǎng)力學(xué)方面的抽象建模能力。從木結(jié)構(gòu)示意模型圖可以看出，簡(jiǎn)化后的工程模型主要由煤層氣（油）源頭罐，卷筒輸入管道，轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤，輸出管道，點(diǎn)火裝置等部分組成。作為力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，首先要運(yùn)用專業(yè)知識(shí)分析找出整體結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的受力位置，然后對(duì)最大部位進(jìn)行力學(xué)參量推導(dǎo)，最后根據(jù)所選材料屬性與力學(xué)計(jì)算結(jié)果對(duì)比，保證其整體和部分都要滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的基本力學(xué)要求。

對(duì)于本文所研究的煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程結(jié)構(gòu)模型，其關(guān)鍵的受力部位主要有三個(gè)。第一個(gè)關(guān)鍵位置是卷筒管道層層盤卷在轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤的部位，這個(gè)部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路類似于機(jī)械設(shè)計(jì)中的傳送帶裝置，其截面上的應(yīng)力有：拉力Ft產(chǎn)生的拉應(yīng)力;離心力Fc產(chǎn)生的離心應(yīng)力σc;卷筒與卷輪接觸部分由于彎曲變形而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σb。由此可以確定其危險(xiǎn)截面是卷筒管道剛剛與轉(zhuǎn)動(dòng)輪盤脫離接觸的截面，因?yàn)樵摻孛嫔贤瑫r(shí)包含了以上所述三種應(yīng)力，需要應(yīng)用疊加原理確定材料強(qiáng)度受力判據(jù)。第二個(gè)關(guān)鍵位置是管道在高空中由近垂直繞過(guò)鐵架呈近60度轉(zhuǎn)角的部分，原因是該部位管道角度改變較大，需要著重注意其傳動(dòng)時(shí)受到鐵架頂端的阻力。第三個(gè)關(guān)鍵位置是卷筒管道下伸到地面以下的位置，因?yàn)楣艿肋\(yùn)動(dòng)時(shí)要著重分析管道與側(cè)壁的摩擦阻力，需要對(duì)側(cè)壁的摩擦因子進(jìn)行實(shí)際研究。

5 ?煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程涉及的典型力學(xué)問(wèn)題

煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程涉及的典型力學(xué)問(wèn)題可以分成靜力學(xué)和材料力學(xué)兩類問(wèn)題，本文將靜力學(xué)中物體受力的分析方法，力系的簡(jiǎn)化方法與材料力學(xué)中關(guān)于構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，對(duì)于簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)在荷載作用時(shí)是否會(huì)發(fā)生喪失原有平衡形態(tài)的問(wèn)題進(jìn)行理論推導(dǎo)，以總結(jié)工程中可能發(fā)生的變形和實(shí)用的計(jì)算方法。

5.1 確定最大彎曲正應(yīng)力問(wèn)題

彎曲是桿件的基本變形之一。如果桿件上作用有垂直于軸線的外力，或在軸線平面內(nèi)有力偶矩，將產(chǎn)生變形使原為直線的軸線變?yōu)榍€。在實(shí)際工程中桿件在外載荷作用下發(fā)生彎曲變形的是很多的，絕大多數(shù)受彎構(gòu)件的橫截面都有一對(duì)對(duì)稱軸，整個(gè)桿件具有一個(gè)包含軸線的縱向?qū)ΨQ面。

本文將煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采工程里的輸氣管道截面簡(jiǎn)化為圓環(huán)截面，假設(shè)其內(nèi)徑為R1，外徑為R2，簡(jiǎn)化模型中有三個(gè)需要著重計(jì)算的應(yīng)力位置，分別是管道與轉(zhuǎn)盤盤旋接觸的部分，管道從傾斜到下垂的轉(zhuǎn)折點(diǎn)以及管道接口位置。

首先求解管道在圓形轉(zhuǎn)盤上的彎曲內(nèi)力。由于管道在轉(zhuǎn)盤上形狀已經(jīng)固定，故可以將其簡(jiǎn)化為平面曲梁模型。應(yīng)用材料力學(xué)截面法建立研究對(duì)象如圖4所示。

5.2 確定最大彎曲切應(yīng)力問(wèn)題

在橫力彎曲的情況下，管道的橫截面上有剪力，相應(yīng)地將有切應(yīng)力。取管道截面為環(huán)壁厚度為δ，環(huán)的平均半徑為r0的薄壁環(huán)形截面。由于δ與r0相比很小，故可假設(shè)：①橫截面上切應(yīng)力的大小沿壁厚無(wú)變化;②切應(yīng)力的方向與圓周相切。

5.3 最大受力位置材料選擇問(wèn)題

卷筒管道工作時(shí)，其危險(xiǎn)截面上的應(yīng)力有：拉力Ft產(chǎn)生的拉應(yīng)力;離心力Fc產(chǎn)生的離心應(yīng)力σc;卷筒與卷輪接觸部分由于彎曲變形而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σb。根據(jù)工程實(shí)際情況可知，卷筒是在變應(yīng)力作用下工作，即其任一截面上的應(yīng)力是隨其位置的不同而變化的。由于卷筒是在變應(yīng)力作用下工作的，因此其耐久性取決于最大應(yīng)力的大小和應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù)。當(dāng)傳遞的功率一定時(shí)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定值后，將使卷筒疲勞損壞，即卷筒將分層脫開(kāi)或斷裂。σmax愈大，則允許的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)就愈少。為保證卷筒管道有足夠的壽命，必須使■，其中[σ]為卷筒管道在一定壽命下的許用應(yīng)力，MPa。一般情況下，彎曲應(yīng)力所占的比例較大，它對(duì)卷筒的壽命有明顯的影響[8]。

6 ?認(rèn)識(shí)小結(jié)

目前我國(guó)煤炭資源傳統(tǒng)的開(kāi)采方式和技術(shù)很難滿足克服瓦斯、頂板、水害、火災(zāi)、放炮、機(jī)電、運(yùn)輸?shù)仁鹿始拔蔚嚷殬I(yè)病的現(xiàn)實(shí)要求，若不能從開(kāi)采原理上變革，將難以從根本上杜絕該類事故的發(fā)生[9]。而煤炭資源流態(tài)化開(kāi)采恰恰為解決這個(gè)難題提供了新的思路和方法，即通過(guò)煤炭地下氣化的方式同時(shí)達(dá)到避免災(zāi)害事故和大量開(kāi)采資源的目的。

煤炭流態(tài)化開(kāi)采在現(xiàn)階段雖然屬于科學(xué)構(gòu)想，但從目前現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)推演，在20-30a內(nèi)完全有望達(dá)到流態(tài)化開(kāi)采的目標(biāo)要求，支撐流態(tài)開(kāi)采成為未來(lái)深地資源開(kāi)采的主導(dǎo)技術(shù)[10]。

實(shí)際工程與力學(xué)原理聯(lián)系緊密，在我國(guó)的工程技術(shù)研究中，將基礎(chǔ)理論性研究和工程建設(shè)技術(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)是解決工程問(wèn)題的必要途徑，而力學(xué)知識(shí)特別是工程力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用作為工程建設(shè)技術(shù)研究最為基礎(chǔ)與核心的技術(shù)理論，在我國(guó)的工程技術(shù)發(fā)展中具有舉足輕重的作用[11]。所以，在項(xiàng)目研究過(guò)程中，必須對(duì)工程結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行力學(xué)分析，工程實(shí)際材料的選擇需要在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性都滿足的可控范圍內(nèi)。

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