利用L型水平井开展煤炭资源流态化开采关键技术——典型
力学问题探析
刘升贵;梁天;赵怡阳;刘博瑞
【摘 要】详细阐述了国内外水平井技术在煤层气开采方面的基本设计思想和应用现状,并对两者的发展历程进行了对比分析.简要介绍了煤炭资源流态化开采工程项目的项目目的要求和实施方案,总结了利用L型水平井开展煤炭资源流态化开采的关键技术要点和未来展望方向.对该工程涉及的典型力学问题进行了理论分析,为工程材料选择提供了参考判据. 【期刊名称】《价值工程》 【年(卷),期】2019(038)007 【总页数】4页(P79-82)
【关键词】煤层气;工程项目;L型水平井;力学分析 【作 者】刘升贵;梁天;赵怡阳;刘博瑞
【作者单位】中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京100083;北京市海淀区枫丹实验小学,北京100096 【正文语种】中 文 【中图分类】TD744
0 引言
我国煤层气资源丰富，全国新一轮资源评估结果表明，煤层气埋深2000m以浅的煤层气远景资源量为36.81万亿m3。但我国煤层气勘探开发仍然处于发展初期，煤层气井普遍单井产气量低。煤层气作为一种新开发的能源类型，具有清洁低污染、热值高的优点，而传统煤炭开采方式往往伴随着煤炭瓦斯爆炸事故以及大量甲烷排放的缺点，煤层气开发大规模应用恰恰可以避免这些缺点，对推动经济和社会发展具有重要研究价值。本文以“利用L型水平井开展煤炭资源流态化开采关键技术-典型力学问题探析”为例，对比国内外水平井技术现状，阐述该项目的主要项目目的和项目实施方案，将实际工程项目简化为理论力学模型，通过对工程中可能存在的危险截面进行力学分析，为实际工程项目提供有关材料选择和强度验算的理论参考依据。
1 国内外水平井技术现状对比分析
国外煤层气水平井技术现状：1978年美国内政部资助建造了世界上第一口多分支水平井，工程技术人员首先钻一口直井，接着在距离直井不远的的位置钻水平井，在进入水平段以后再和直井开始连通。由于当时还不具备地质导向技术和矢量磁力导向设备的科研条件，只能应用单点测量方式对所有轨迹开展计算工作，所以不可以与直井直接连通，于是采用了小型压裂的方式与直井间接贯通，自然导致了产能不理想的结果。尽管如此，这种设计思想为以后的cdx公司多分支水平井技术奠定了坚实的基础，并逐步发展成为钻井设计和施工工艺的基本设计思想。国内煤层气水平井技术现状：相对于国外煤层气开采水平井技术，起步晚但起点高是国内水平井技术发展的主要特征。中国在近些年一直在探索煤炭资源流态化开采的关键技术，为此做出了大量的努力并且在资源评价、地质理论和勘探技术等方面取得了重大突破[1]，下面以大宁煤矿为例加以说明。大宁煤矿作为全国第一个地面多分支
水平井DNPO2全面实施并推广了井下长钻孔瓦斯抽放技术，单孔长度最长达1002m。至2008年2月末，钻孔累计进尺超过了7.9×105m。同时，井下瓦斯抽放率也从25%提高到了80%，是瓦斯抽放能力和抽放效果的性见证的里程碑。特别关键的是在实践中得出并检验了项目组关于大宁煤层煤矿可钻性及瓦斯可抽性的判断。很快这种成功的技术经验被推广到中国其他的区块，取得了显著的应用成果，以此为标志，国内利用多分支水平井开发煤层气的新时代就此开始。根据大宁煤矿施工的第一口多分支水平井产气量效果比常规直井好很多，可以发现多分支水平井具有开发低渗透煤层气资源的优势，且多分支水平井钻井技术已经被国内工程人员研究掌握[2]。相比之下，国外由于煤层气水平井技术开展较早，所以在经验积累和设备工具的使用等方面比较成熟，但国内水平井技术加之于国内煤矿安全的现实要求在积极探索和借鉴的情势下正在迅速发展，且未来发展前景较为乐观。 2 煤炭资源流态化开采工程项目实施方案
分析晋城无烟煤的气化活性，开展无烟煤分段气化实验研究，开发注气、控温、点火系统。通过煤炭地下气化模型试验可以发现，从点火到正式试验，最后产出空气煤气和水煤气，整个过程的决定性因素是气化炉的温度。通过气化炉温度分布，可及时了解炉内火焰工作面的移动速度，判断确定气化过程中的氧化带、还原带及干馏燥带的长度和煤层气化范围等[3]。自动点火安全联锁单元是热煤气燃烧器在进行点火和熄火操作时的关键保护装置，可以用来防止用户终端爆燃（或爆炸）[4]。 图1 工程现场图
3 煤炭资源流态化开采工程特色
无井式气化技术。煤炭资源流态化开采工程借鉴常规的油气钻井技术钻孔，充分发挥石油企业的钻井技术优势，免去了巷道式建地下气化炉的条件。无井式煤炭地下气化法从地面向煤层打直径150-400mm、间距10-40m的一系列钻孔，两钻孔之间贯通形成气化通道，点火气化。双孔式气化技术中常常应用低压火力渗透
贯通法、电力贯通法、水力压裂贯通法、高压火力渗透贯通法以及定向钻孔贯通法等方法实现两孔间的贯通。
尽管地下煤气化相对于地面煤气化具有基本建设投资省、建站周期短、工艺简单、生产效率高、煤的回收率高、生产成本低、没有三废外排问题等很多优点，但技术上仍存在多种局限，距离广泛工业化推广任重道远。工程人员尤其要注意到适合地下煤气化的煤层地质条件比较苛刻，因为一些煤层的地质和水文特征会大大增加环境及工程风险[5]。
4 煤炭资源流态化开采工程的力学模型 图2 简化模型图
将煤炭资源流态化开采工程的整体复杂结构略去次要的部分，抽出主干模型，有利于培养力学方面的抽象建模能力。从木结构示意模型图可以看出，简化后的工程模型主要由煤层气（油）源头罐，卷筒输入管道，转动轮盘，输出管道，点火装置等部分组成。作为力学专业的学生，首先要运用专业知识分析找出整体结构中关键的受力位置，然后对最大部位进行力学参量推导，最后根据所选材料属性与力学计算结果对比，保证其整体和部分都要满足强度、刚度、稳定性的基本力学要求。 对于本文所研究的煤炭资源流态化开采工程结构模型，其关键的受力部位主要有三个。第一个关键位置是卷筒管道层层盘卷在转动轮盘的部位，这个部位的结构设计思路类似于机械设计中的传送带装置，其截面上的应力有：拉力Ft产生的拉应力；离心力Fc产生的离心应力σc；卷筒与卷轮接触部分由于弯曲变形而产生的弯曲应力σb。由此可以确定其危险截面是卷筒管道刚刚与转动轮盘脱离接触的截面，因为该截面上同时包含了以上所述三种应力，需要应用叠加原理确定材料强度受力判据。第二个关键位置是管道在高空中由近垂直绕过铁架呈近60度转角的部分，原因是该部位管道角度改变较大，需要着重注意其传动时受到铁架顶端的阻力。第三个关键位置是卷筒管道下伸到地面以下的位置，因为管道运动时要着重分析管道与
侧壁的摩擦阻力，需要对侧壁的摩擦因子进行实际研究。 图3 管道实物图
5 煤炭资源流态化开采工程涉及的典型力学问题
煤炭资源流态化开采工程涉及的典型力学问题可以分成静力学和材料力学两类问题，本文将静力学中物体受力的分析方法，力系的简化方法与材料力学中关于构件强度、刚度、稳定性的知识联系起来，对于简化后的结构在荷载作用时是否会发生丧失原有平衡形态的问题进行理论推导，以总结工程中可能发生的变形和实用的计算方法。 5.1 确定最大弯曲正应力问题
弯曲是杆件的基本变形之一。如果杆件上作用有垂直于轴线的外力，或在轴线平面内有力偶矩，将产生变形使原为直线的轴线变为曲线。在实际工程中杆件在外载荷作用下发生弯曲变形的是很多的，绝大多数受弯构件的横截面都有一对对称轴，整个杆件具有一个包含轴线的纵向对称面。
本文将煤炭资源流态化开采工程里的输气管道截面简化为圆环截面，假设其内径为R1，外径为R2，简化模型中有三个需要着重计算的应力位置，分别是管道与转盘盘旋接触的部分，管道从倾斜到下垂的转折点以及管道接口位置。
首先求解管道在圆形转盘上的弯曲内力。由于管道在转盘上形状已经固定，故可以将其简化为平面曲梁模型。应用材料力学截面法建立研究对象如图4所示。 图4 平面曲梁模型图 建立内力方程[6]
根据内力方程的推导结果，可近似取管道在某段内各横截面上剪力为0，弯矩为常量，即简化为纯弯曲模型。 图5 纯弯曲模型图
根据几何关系可得图5中纵向线应变[7]
根据胡克定律可得物理关系
根据静力学关系建立平衡方程
综合以上几何、物理和静力学关系可以得到管道在纯弯曲时横截面上某点处正应力为
式中，M为横截面上的弯矩；Iz为横截面对中性轴z的惯性矩；y为所求应力点的纵坐标。
5.2 确定最大弯曲切应力问题
在橫力弯曲的情况下，管道的横截面上有剪力，相应地将有切应力。取管道截面为环壁厚度为δ，环的平均半径为r0的薄壁环形截面。由于δ与r0相比很小，故可假设：①横截面上切应力的大小沿壁厚无变化；②切应力的方向与圆周相切。 图6 剪切截面图
对于圆环形截面，其τmax仍发生在中性轴上。而在求中性轴上的切应力时，以半圆环截面为研究对象，可得
式中，A=2πr0δ代表环形截面的面积。 5.3 最大受力位置材料选择问题
卷筒管道工作时，其危险截面上的应力有：拉力Ft产生的拉应力；离心力Fc产生的离心应力σc；卷筒与卷轮接触部分由于弯曲变形而产生的弯曲应力σb。根据工程实际情况可知，卷筒是在变应力作用下工作，即其任一截面上的应力是随其位置的不同而变化的。由于卷筒是在变应力作用下工作的，因此其耐久性取决于最大应
力的大小和应力循环的总次数。当传递的功率一定时，应力循环次数达到一定值后，将使卷筒疲劳损坏，即卷筒将分层脱开或断裂。σmax愈大，则允许的应力循环总次数就愈少。为保证卷筒管道有足够的寿命，必须使，其中[σ]为卷筒管道在一定寿命
下的许用应力，MPa。一般情况下，弯曲应力所占的比例较大，它对卷筒的寿命有明显的影响[8]。 6 认识小结
目前我国煤炭资源传统的开采方式和技术很难满足克服瓦斯、顶板、水害、火灾、放炮、机电、运输等事故及矽肺等职业病的现实要求，若不能从开采原理上变革，将难以从根本上杜绝该类事故的发生[9]。而煤炭资源流态化开采恰恰为解决这个难题提供了新的思路和方法，即通过煤炭地下气化的方式同时达到避免灾害事故和大量开采资源的目的。
煤炭流态化开采在现阶段虽然属于科学构想，但从目前现有技术的发展趋势推演，在20-30a内完全有望达到流态化开采的目标要求，支撑流态开采成为未来深地资源开采的主导技术[10]。
实际工程与力学原理联系紧密，在我国的工程技术研究中，将基础理论性研究和工程建设技术紧密联系起来是解决工程问题的必要途径，而力学知识特别是工程力学基础知识的应用作为工程建设技术研究最为基础与核心的技术理论，在我国的工程技术发展中具有举足轻重的作用[11]。所以，在项目研究过程中，必须对工程结构的合理性进行力学分析，工程实际材料的选择需要在强度、刚度、稳定性都满足的可控范围内。 参考文献：
【相关文献】
[1]白培中.西山煤田煤层气成藏条件及多煤层段压裂技术实验研究[D].中国矿业大学（北京），2009.
[2]袁文峰.沁水盆地南部煤层气排采预警参数研究[D].中国矿业大学（北京），2014. [3]王家濂.煤炭气化试验的自动化测温系统[J].实验室研究与探索，1994（03）：95-96.
[4]王乃计，纪任山，徐振刚.炉前煤炭气化及热煤气燃烧系统[J].中国煤炭，2003（01）：42-44. [5]陈石义，李乐忠，崔景云，等.煤炭地下气化（UCG)技术现状及产业发展分析[J].资源与产业，2014，16（05）：129-135.
[6]田玉梅，贾杰.材料力学.北京：清华大学出版社，2013：105.
[7]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学.北京：高等教育出版社，2009：120-123，134-135. [8]陈云飞，卢玉明.机械设计基础.北京：高等教育出版社，2008：115-116.
[9]毛飞.煤炭地下气化是我国化石原料供给侧创新方向[J].天然气工业，2016，36（04）：103-111.
[10]谢和平，高峰，鞠杨，等.深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想[J].煤炭学报，2017，42（03）：547-556.
[11]李磊.力学知识在实际工程建设中的应用探析[J].山东工业技术，2017（09）：103.
