利用L型水平井開展煤炭資源流態(tài)化開采關(guān)鍵技術(shù)

劉升貴 梁天 趙怡陽 劉博瑞

摘要：詳細闡述了國內(nèi)外水平井技術(shù)在煤層氣開采方面的基本設(shè)計思想和應(yīng)用現(xiàn)狀，并對兩者的發(fā)展歷程進行了對比分析。簡要介紹了煤炭資源流態(tài)化開采工程項目的項目目的要求和實施方案，總結(jié)了利用L型水平井開展煤炭資源流態(tài)化開采的關(guān)鍵技術(shù)要點和未來展望方向。對該工程涉及的典型力學(xué)問題進行了理論分析，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：TD744 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）07-0079-04

0 ?引言

我國煤層氣資源豐富，全國新一輪資源評估結(jié)果表明，煤層氣埋深2000m以淺的煤層氣遠景資源量為36.81萬億m3。但我國煤層氣勘探開發(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發(fā)的能源類型，具有清潔低污染、熱值高的優(yōu)點，而傳統(tǒng)煤炭開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，煤層氣開發(fā)大規(guī)模應(yīng)用恰恰可以避免這些缺點，對推動經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重要研究價值。本文以“利用L型水平井開展煤炭資源流態(tài)化開采關(guān)鍵技術(shù)-典型力學(xué)問題探析”為例，對比國內(nèi)外水平井技術(shù)現(xiàn)狀，闡述該項目的主要項目目的和項目實施方案，將實際工程項目簡化為理論力學(xué)模型，通過對工程中可能存在的危險截面進行力學(xué)分析，為實際工程項目提供有關(guān)材料選擇和強度驗算的理論參考依據(jù)。

1 ?國內(nèi)外水平井技術(shù)現(xiàn)狀對比分析

國外煤層氣水平井技術(shù)現(xiàn)狀：1978年美國內(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的的位置鉆水平井，在進入水平段以后再和直井開始連通。由于當(dāng)時還不具備地質(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)用單點測量方式對所有軌跡開展計算工作，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)計思想為以后的cdx公司多分支水平井技術(shù)奠定了堅實的基礎(chǔ)，并逐步發(fā)展成為鉆井設(shè)計和施工工藝的基本設(shè)計思想。國內(nèi)煤層氣水平井技術(shù)現(xiàn)狀：相對于國外煤層氣開采水平井技術(shù)，起步晚但起點高是國內(nèi)水平井技術(shù)發(fā)展的主要特征。中國在近些年一直在探索煤炭資源流態(tài)化開采的關(guān)鍵技術(shù)，為此做出了大量的努力并且在資源評價、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明。大寧煤礦作為全國第一個地面多分支水平井DNPO2全面實施并推廣了井下長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)，單孔長度最長達1002m。至2008年2月末，鉆孔累計進尺超過了7.9×105m。同時，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證的里程碑。特別關(guān)鍵的是在實踐中得出并檢驗了項目組關(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)驗被推廣到中國其他的區(qū)塊，取得了顯著的應(yīng)用成果，以此為標(biāo)志，國內(nèi)利用多分支水平井開發(fā)煤層氣的新時代就此開始。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發(fā)低滲透煤層氣資源的優(yōu)勢，且多分支水平井鉆井技術(shù)已經(jīng)被國內(nèi)工程人員研究掌握[2]。相比之下，國外由于煤層氣水平井技術(shù)開展較早，所以在經(jīng)驗積累和設(shè)備工具的使用等方面比較成熟，但國內(nèi)水平井技術(shù)加之于國內(nèi)煤礦安全的現(xiàn)實要求在積極探索和借鑒的情勢下正在迅速發(fā)展，且未來發(fā)展前景較為樂觀。

2 ?煤炭資源流態(tài)化開采工程項目實施方案

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

3 ?煤炭資源流態(tài)化開采工程特色

無井式氣化技術(shù)。煤炭資源流態(tài)化開采工程借鑒常規(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，免去了巷道式建地下氣化爐的條件限制。無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現(xiàn)兩孔間的貫通。

盡管地下煤氣化相對于地面煤氣化具有基本建設(shè)投資省、建站周期短、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、煤的回收率高、生產(chǎn)成本低、沒有三廢外排問題等很多優(yōu)點，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。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，因為一些煤層的地質(zhì)和水文特征會大大增加環(huán)境及工程風(fēng)險[5]。

4 ?煤炭資源流態(tài)化開采工程的力學(xué)模型

將煤炭資源流態(tài)化開采工程的整體復(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)動輪盤，輸出管道，點火裝置等部分組成。作為力學(xué)專業(yè)的學(xué)生，首先要運用專業(yè)知識分析找出整體結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的受力位置，然后對最大部位進行力學(xué)參量推導(dǎo)，最后根據(jù)所選材料屬性與力學(xué)計算結(jié)果對比，保證其整體和部分都要滿足強度、剛度、穩(wěn)定性的基本力學(xué)要求。

對于本文所研究的煤炭資源流態(tài)化開采工程結(jié)構(gòu)模型，其關(guān)鍵的受力部位主要有三個。第一個關(guān)鍵位置是卷筒管道層層盤卷在轉(zhuǎn)動輪盤的部位，這個部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路類似于機械設(shè)計中的傳送帶裝置，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截面是卷筒管道剛剛與轉(zhuǎn)動輪盤脫離接觸的截面，因為該截面上同時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度受力判據(jù)。第二個關(guān)鍵位置是管道在高空中由近垂直繞過鐵架呈近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時受到鐵架頂端的阻力。第三個關(guān)鍵位置是卷筒管道下伸到地面以下的位置，因為管道運動時要著重分析管道與側(cè)壁的摩擦阻力，需要對側(cè)壁的摩擦因子進行實際研究。

5 ?煤炭資源流態(tài)化開采工程涉及的典型力學(xué)問題

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

5.1 確定最大彎曲正應(yīng)力問題

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對稱軸，整個桿件具有一個包含軸線的縱向?qū)ΨQ面。

本文將煤炭資源流態(tài)化開采工程里的輸氣管道截面簡化為圓環(huán)截面，假設(shè)其內(nèi)徑為R1，外徑為R2，簡化模型中有三個需要著重計算的應(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，故可以將其簡化為平面曲梁模型。應(yīng)用材料力學(xué)截面法建立研究對象如圖4所示。

5.2 確定最大彎曲切應(yīng)力問題

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題

卷筒管道工作時，其危險截面上的應(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，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到一定值后，將使卷筒疲勞損壞，即卷筒將分層脫開或斷裂。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，它對卷筒的壽命有明顯的影響[8]。

6 ?認識小結(jié)

目前我國煤炭資源傳統(tǒng)的開采方式和技術(shù)很難滿足克服瓦斯、頂板、水害、火災(zāi)、放炮、機電、運輸?shù)仁鹿始拔蔚嚷殬I(yè)病的現(xiàn)實要求，若不能從開采原理上變革，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)化開采恰恰為解決這個難題提供了新的思路和方法，即通過煤炭地下氣化的方式同時達到避免災(zāi)害事故和大量開采資源的目的。

煤炭流態(tài)化開采在現(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)展趨勢推演，在20-30a內(nèi)完全有望達到流態(tài)化開采的目標(biāo)要求，支撐流態(tài)開采成為未來深地資源開采的主導(dǎo)技術(shù)[10]。

實際工程與力學(xué)原理聯(lián)系緊密，在我國的工程技術(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)系起來是解決工程問題的必要途徑，而力學(xué)知識特別是工程力學(xué)基礎(chǔ)知識的應(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，在我國的工程技術(shù)發(fā)展中具有舉足輕重的作用[11]。所以，在項目研究過程中，必須對工程結(jié)構(gòu)的合理性進行力學(xué)分析，工程實際材料的選擇需要在強度、剛度、穩(wěn)定性都滿足的可控范圍內(nèi)。

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