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　　1ARIZ算法概述

　　ARIZ(AlgorithmforInventive-ProblemSolving，發(fā)明問題解決算法)是TRIZ理論中的一個主要分析問題、解決問題的方法，其目標(biāo)是為了解決問題的物理矛盾。ARIZ算法包括標(biāo)準(zhǔn)解、沖突理論、理想解、物質(zhì)—場模型、9窗口方法、小人法等創(chuàng)新方法，分為9大流程，如圖1所示。在ARIZ實際應(yīng)用中不強調(diào)必須采用所有步驟，可以根據(jù)實際需要跳過一些無關(guān)的步驟來解決問題。如圖1所示，經(jīng)過ARIZ算法的前5個步驟可以將初始問題轉(zhuǎn)化為矛盾描述并解決沖突，如果問題在前5步未得到有效解決，可以在第6個步驟將問題轉(zhuǎn)換重新定義問題并回到第1個步驟;第7個步驟是評價問題解，評估解決方案的質(zhì)量，第8個步驟是將解決方案的利用實現(xiàn)*大化，尋求方案在其他問題的通用，*后一步是由TRIZ專家評估改進(jìn)ARIZ的流程，對修正完畢的系統(tǒng)進(jìn)行分析防止出現(xiàn)新的缺陷。

　　2ARIZ算法在煤層氣開采方法設(shè)計中的應(yīng)用

　　目前我國的煤層氣地面開采鉆井技術(shù)主要采用垂直井和水平井進(jìn)行作業(yè)。垂直井施工比較簡單，成本較低，但主要適應(yīng)于地形平坦和滲透性較好的硬質(zhì)厚煤層，不適合松軟、低滲透性的煤層;水平井技術(shù)與垂直井相比，比較復(fù)雜，但可以有效地增加煤層的裸露面積，提高煤層氣開采量。水平羽狀井由于增加了若干的分支井眼，煤層裸露面積顯著提高，但單井筒水平羽狀井無法解決井內(nèi)積水問題，而雙井筒水平羽狀井增加了專門用于排采煤水氣的直井，可以有效解決井內(nèi)積水問題，但是水平井段位于地下目標(biāo)煤層，為防止煤層坍塌而阻塞井眼，一般要選擇煤質(zhì)較硬的厚煤層施工并且需要下篩管固井。目前，我國擁有相當(dāng)一部分松軟和低滲透性的煤層，常規(guī)鉆井技術(shù)在施工中難以奏效，水平段井眼難以完成，即使完成也易坍塌和阻塞，很難維持穩(wěn)定的卸壓空間。因此需要運用ARIZ算法進(jìn)行分析，設(shè)計合適的解決方案。

　　2.1問題分析與表述

　　此步驟的目的是將*初模糊的問題通過具體信息分析進(jìn)行**描述，并建立起清晰、簡化的問題模型。1)陳述系統(tǒng)主要功能、問題情境涉及的有用功能和有害功能。系統(tǒng)主要功能是在松軟、低滲的煤層條件下利用鉆井技術(shù)開采煤層氣;主要子系統(tǒng)：地面裝置、目標(biāo)煤層、垂直鉆井、水平鉆井;問題涉及的有用功能：運用鉆井技術(shù)在目標(biāo)煤層進(jìn)行鉆進(jìn)，可以有效提高煤層氣開采效率;同時產(chǎn)生的有害功能：水平井段一般要下篩管支撐，而且容易坍塌，對施工技術(shù)要求較高和容易產(chǎn)生積水。2)以縮小問題形式表述原問題。縮小問題：必須對系統(tǒng)進(jìn)行盡可能小的改變，以盡量*小成本解決塌孔問題、技術(shù)問題和積水問題。3)檢索TRIZ發(fā)明實例庫，沒有找到可供參考的類似問題。

　　2.2系統(tǒng)分析及矛盾表述

　　此步驟通過分析問題所在技術(shù)系統(tǒng)的各要素，構(gòu)建技術(shù)矛盾，并嘗試采用發(fā)明原理與標(biāo)準(zhǔn)解法解決問題。1)系統(tǒng)能量輸入：動力帶動鉆頭運動;工具要素：所需鉆頭;輸出產(chǎn)品要素：煤和氣。2)構(gòu)建技術(shù)矛盾。TC1：如果水平井段施工簡單，增加煤層氣開采效率，但是水平井段塌孔問題無法解決;TC2：如果解決塌孔問題，但是對技術(shù)和煤層要求較高。技術(shù)矛盾TC1的示意模型如圖2(a)，技術(shù)矛盾TC2的示意模型如圖2(b)所示。由于TC1可以更好地表述問題，所以選擇TC1作為待解決的技術(shù)矛盾。3)應(yīng)用沖突矩陣和發(fā)明原理沒有找到可用解。4)強化矛盾。假設(shè)有很強的沖擊力很快就在目標(biāo)煤層完成作業(yè)，形成卸壓空間。5)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解解決問題。現(xiàn)在問題的物—場模型如圖3所示，鉆頭S1對目標(biāo)煤層S2的作用力不易控制，水平段容易坍塌，即可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)中的第二級中的第二類標(biāo)準(zhǔn)解“增強物質(zhì)—場模型”。由標(biāo)準(zhǔn)解法16“向具有可控場的物質(zhì)—場躍遷”，現(xiàn)有系統(tǒng)的有用作用力F1不易控制，可以找出一種更加容易控制的作用力F2來代替F1的作用，得到概念方案1：采用流體動力在目標(biāo)煤層鉆進(jìn)，并能夠?qū)⒎e水和流體混合，形成新的混合流體，重新利用，水平段也不易坍塌。由標(biāo)準(zhǔn)解法17“向帶有工具分散物質(zhì)的物質(zhì)—場躍遷”，提高完成工具功能的物質(zhì)分散度，得到概念方案2：多個鉆頭多方位鉆進(jìn)。由標(biāo)準(zhǔn)解法18“向具有毛細(xì)管多孔物質(zhì)的物質(zhì)—場躍遷”，將物質(zhì)中增加空穴或者毛細(xì)結(jié)構(gòu)，得到概念方案3：在水平井附近多開鉆孔，使得積水排出水平井，形成卸壓空間。由于標(biāo)準(zhǔn)解法得到的方案有3個，需要進(jìn)一步選擇*優(yōu)的方案實施。

　　2.3陳述理想解和物理矛盾

　　這一部分列出系統(tǒng)內(nèi)部資源、環(huán)境和超系統(tǒng)的資源，并且描述出理想解和妨礙達(dá)到理想解的物理矛盾。1)操作區(qū)域。鉆頭和目標(biāo)煤層接觸處，如圖4所示。2)操作時間。矛盾發(fā)生前的時間t1：物料準(zhǔn)備和鉆頭的加速時間;矛盾發(fā)生時間t2：鉆頭與目標(biāo)煤層碰撞的瞬間。3)對煤層氣開采系統(tǒng)的物質(zhì)—場資源分析如表1所示。4)陳述IFR(系統(tǒng)改進(jìn)后的理想狀態(tài))：在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性的條件下，必須引進(jìn)一個X元素，并把它轉(zhuǎn)化為技術(shù)系統(tǒng)，即可以解決水平段塌孔問題，又能滿足施工的技術(shù)要求和煤層的特點，使得系統(tǒng)在松軟煤層實現(xiàn)采煤采氣的同時解決井內(nèi)積水問題[11]。5)從微觀級表述物理矛盾：為了實現(xiàn)煤層氣的開采，既要解決水平段塌孔問題，又要適應(yīng)部分地區(qū)煤層的松軟、低滲的特點。

　　2.4應(yīng)用物—場資源

　　通過拓展可用資源的種類和形式，運用具體的小人模型或者派生資源等方法尋找*佳的解決方案。采用智能體模擬問題情境，假設(shè)智能體可以提供解決問題所需的功能，即定義可以解決問題的X元素應(yīng)具有的屬性，引導(dǎo)產(chǎn)生原理解：1)應(yīng)該有某種作用力，能適應(yīng)比較松軟的目標(biāo)煤層，不受水平井段坍塌影響;2)這種作用力在作用區(qū)域內(nèi)(目標(biāo)煤層)，在作用時間內(nèi)鉆進(jìn)，同時不產(chǎn)生積水，形成卸壓空間。由以上分析，利用小人模型解決問題。圖5(a)為當(dāng)前系統(tǒng)的小人模型，由于鉆頭在目標(biāo)煤層的鉆進(jìn)過程中容易坍塌，而且可能產(chǎn)生積水，影響工程效率且易發(fā)生安全事故;圖5(b)為利用智能體模擬問題并且引進(jìn)X元素改進(jìn)的系統(tǒng)小人模型，X元素如果與積水具有相同的屬性，這樣能夠防止煤層坍塌，并且在目標(biāo)煤層能夠產(chǎn)生作用力，如此就可以解決矛盾沖突，得到新的解決方案。根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外資源分析，結(jié)合經(jīng)過改進(jìn)后的小人模型，與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解法16-18得到的概念方案1-3對應(yīng)分析，可以得出問題的**解決方案——采用水平羽狀井水力沖刷鉆進(jìn)卸壓技術(shù)進(jìn)行煤層氣開采。

　　2.5原理解評價

　　在上述分析得到解決方案的基礎(chǔ)上，對問題的解進(jìn)行評價，檢驗解決方案的質(zhì)量。檢查解決方案：新方案重新引入新的場——水力場替換了原來的機械場，使得原來的技術(shù)沖突不復(fù)存在，解決了原來的塌孔問題和積水問題，降低了原料成本，重視了環(huán)境保護。初步評估解決方案：新方案實現(xiàn)了理想解，達(dá)到了預(yù)訂的系統(tǒng)功能;用標(biāo)準(zhǔn)解和小人模型解決了一個物理沖突和技術(shù)矛盾;降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了工藝的適應(yīng)性，易于實現(xiàn)。

　　3煤層氣開采方案創(chuàng)新設(shè)計

　　將初步得到的解決方案經(jīng)過進(jìn)一步的完善后，可以得到一套完整的用于煤層氣開采的裝置設(shè)計，如圖6所示。圖中標(biāo)記為：1：地面;2：目標(biāo)煤層;3：排采直井;4：口袋;5：洞穴;6：提升設(shè)備;7：氣、煤、水分離設(shè)備;8：水平羽狀井;9：直井段;10：造斜段;11：高壓水泵;12：噴水軟管;13：軟管支撐裝置;14：水平段主井眼;15：煤層氣抽采設(shè)備;16：水平段分支井眼。圖中實線箭頭為水流方向;虛線箭頭為氣流方向。首先，完成排采直井、水平羽狀井的直井段和造斜段的鉆進(jìn)工作并下套管固井，然后在目標(biāo)煤層和排采直井交界處掏穴，穿過煤層后形成口袋。將與高壓水泵相連的管路導(dǎo)入水平羽狀井，然后經(jīng)過洞穴，噴出高壓水射流沖刷目標(biāo)煤層，在水平方向形成水平段主井眼。此過程中的煤水混合物返流到口袋，經(jīng)過提升裝置排出，分離裝置將氣、煤、水分離，收集儲存煤和氣，水經(jīng)過循環(huán)再次用于井下射流、沖刷[12]。這樣即解決了目標(biāo)煤層容易坍塌的隱患，而且根除了積水的問題，也提高了環(huán)保效應(yīng)，降低了原料成本。*后改變高壓水射流的方向，在水平段主井眼四周噴射出多個分支井眼，產(chǎn)生的煤水同樣返流至口袋，進(jìn)行分離和回收利用，如此以極小的成本提高煤層氣的開采效率。同時水流作用于松軟、低滲煤層，能夠克服常規(guī)技術(shù)在松軟煤層難以實施，水平井段難以獲得和維持的問題，從而極大地增大了煤層氣的卸壓空間。該方法的工藝較簡單，成本較低，為松軟和低滲透性煤層采氣提供了新的解決方案。

　　4結(jié)論

　　ARIZ算法集成了TRIZ的大多數(shù)工具，是TRIZ中用于解決復(fù)雜困難問題的高級工具，針對發(fā)明問題，以一套連續(xù)過程的程序，采取步步為營的方法，將一個復(fù)雜的系統(tǒng)問題轉(zhuǎn)換為簡單的問題模型，*終獲得理想解。本文根據(jù)煤層氣開采技術(shù)原理,結(jié)合我國部分地區(qū)煤層的特殊特點，基于ARIZ算法模型，創(chuàng)新了雙井筒水平羽狀井開采煤層氣的方法——采用水力沖刷鉆進(jìn)，解決了水平段容易坍塌、難以維持的問題，并給出具體的裝置設(shè)計方案，為松軟、低滲透性煤層采氣提供了新的理論依據(jù)。此外，該方法采用水力沖刷鉆進(jìn)技術(shù)，有利于提高煤層氣的開采率，減少大氣中溫室氣體的排放量，且工藝簡單，成本較低，為特殊條件下的煤層氣開采提供了一種新思路。

　　作者：王金鳳 潘云波 馮立杰 單位：鄭州大學(xué)管理工程研究所 河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司

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