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1ARIZ算法概述
ARIZ(AlgorithmforInventive-ProblemSolving，發明問題解決算法)是TRIZ理論中的一個主要分析問題、解決問題的方法，其目標是為了解決問題的物理矛盾。ARIZ算法包括標準解、沖突理論、理想解、物質—場模型、9窗口方法、小人法等創新方法，分為9大流程，如圖1所示。在ARIZ實際應用中不強調必須采用所有步驟，可以根據實際需要跳過一些無關的步驟來解決問題。如圖1所示，經過ARIZ算法的前5個步驟可以將初始問題轉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，評估解決方案的質量，第8個步驟是將解決方案的利用實現*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ARIZ的流程，對修正完畢的系統進行分析防止出現新的缺陷。
2ARIZ算法在煤層氣開采方法設計中的應用
目前我國的煤層氣地面開采鉆井技術主要采用垂直井和水平井進行作業。垂直井施工比較簡單，成本較低，但主要適應于地形平坦和滲透性較好的硬質厚煤層，不適合松軟、低滲透性的煤層;水平井技術與垂直井相比，比較復雜，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，可以有效解決井內積水問題，但是水平井段位于地下目標煤層，為防止煤層坍塌而阻塞井眼，一般要選擇煤質較硬的厚煤層施工并且需要下篩管固井。目前，我國擁有相當一部分松軟和低滲透性的煤層，常規鉆井技術在施工中難以奏效，水平段井眼難以完成，即使完成也易坍塌和阻塞，很難維持穩定的卸壓空間。因此需要運用ARIZ算法進行分析，設計合適的解決方案。
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行**描述，并建立起清晰、簡化的問題模型。1)陳述系統主要功能、問題情境涉及的有用功能和有害功能。系統主要功能是在松軟、低滲的煤層條件下利用鉆井技術開采煤層氣;主要子系統：地面裝置、目標煤層、垂直鉆井、水平鉆井;問題涉及的有用功能：運用鉆井技術在目標煤層進行鉆進，可以有效提高煤層氣開采效率;同時產生的有害功能：水平井段一般要下篩管支撐，而且容易坍塌，對施工技術要求較高和容易產生積水。2)以縮小問題形式表述原問題。縮小問題：必須對系統進行盡可能小的改變，以盡量*小成本解決塌孔問題、技術問題和積水問題。3)檢索TRIZ發明實例庫，沒有找到可供參考的類似問題。
2.2系統分析及矛盾表述
此步驟通過分析問題所在技術系統的各要素，構建技術矛盾，并嘗試采用發明原理與標準解法解決問題。1)系統能量輸入：動力帶動鉆頭運動;工具要素：所需鉆頭;輸出產品要素：煤和氣。2)構建技術矛盾。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，但是對技術和煤層要求較高。技術矛盾TC1的示意模型如圖2(a)，技術矛盾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作為待解決的技術矛盾。3)應用沖突矩陣和發明原理沒有找到可用解。4)強化矛盾。假設有很強的沖擊力很快就在目標煤層完成作業，形成卸壓空間。5)應用標準解解決問題。現在問題的物—場模型如圖3所示，鉆頭S1對目標煤層S2的作用力不易控制，水平段容易坍塌，即可應用標準解系統中的第二級中的第二類標準解“增強物質—場模型”。由標準解法16“向具有可控場的物質—場躍遷”，現有系統的有用作用力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煤層鉆進，并能夠將積水和流體混合，形成新的混合流體，重新利用，水平段也不易坍塌。由標準解法17“向帶有工具分散物質的物質—場躍遷”，提高完成工具功能的物質分散度，得到概念方案2：多個鉆頭多方位鉆進。由標準解法18“向具有毛細管多孔物質的物質—場躍遷”，將物質中增加空穴或者毛細結構，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。由于標準解法得到的方案有3個，需要進一步選擇*優的方案實施。
2.3陳述理想解和物理矛盾
這一部分列出系統內部資源、環境和超系統的資源，并且描述出理想解和妨礙達到理想解的物理矛盾。1)操作區域。鉆頭和目標煤層接觸處，如圖4所示。2)操作時間。矛盾發生前的時間t1：物料準備和鉆頭的加速時間;矛盾發生時間t2：鉆頭與目標煤層碰撞的瞬間。3)對煤層氣開采系統的物質—場資源分析如表1所示。4)陳述IFR(系統改進后的理想狀態)：在不增加系統復雜性的條件下，必須引進一個X元素，并把它轉化為技術系統，即可以解決水平段塌孔問題，又能滿足施工的技術要求和煤層的特點，使得系統在松軟煤層實現采煤采氣的同時解決井內積水問題[11]。5)從微觀級表述物理矛盾：為了實現煤層氣的開采，既要解決水平段塌孔問題，又要適應部分地區煤層的松軟、低滲的特點。
2.4應用物—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元素應具有的屬性，引導產生原理解：1)應該有某種作用力，能適應比較松軟的目標煤層，不受水平井段坍塌影響;2)這種作用力在作用區域內(目標煤層)，在作用時間內鉆進，同時不產生積水，形成卸壓空間。由以上分析，利用小人模型解決問題。圖5(a)為當前系統的小人模型，由于鉆頭在目標煤層的鉆進過程中容易坍塌，而且可能產生積水，影響工程效率且易發生安全事故;圖5(b)為利用智能體模擬問題并且引進X元素改進的系統小人模型，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，并且在目標煤層能夠產生作用力，如此就可以解決矛盾沖突，得到新的解決方案。根據系統內外資源分析，結合經過改進后的小人模型，與應用標準解法16-18得到的概念方案1-3對應分析，可以得出問題的**解決方案——采用水平羽狀井水力沖刷鉆進卸壓技術進行煤層氣開采。
2.5原理解評價
在上述分析得到解決方案的基礎上，對問題的解進行評價，檢驗解決方案的質量。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，使得原來的技術沖突不復存在，解決了原來的塌孔問題和積水問題，降低了原料成本，重視了環境保護。初步評估解決方案：新方案實現了理想解，達到了預訂的系統功能;用標準解和小人模型解決了一個物理沖突和技術矛盾;降低了系統的復雜性，提高了工藝的適應性，易于實現。
3煤層氣開采方案創新設計
將初步得到的解決方案經過進一步的完善后，可以得到一套完整的用于煤層氣開采的裝置設計，如圖6所示。圖中標記為：1：地面;2：目標煤層;3：排采直井;4：口袋;5：洞穴;6：提升設備;7：氣、煤、水分離設備;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工作并下套管固井，然后在目標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入水平羽狀井，然后經過洞穴，噴出高壓水射流沖刷目標煤層，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，水經過循環再次用于井下射流、沖刷[12]。這樣即解決了目標煤層容易坍塌的隱患，而且根除了積水的問題，也提高了環保效應，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，產生的煤水同樣返流至口袋，進行分離和回收利用，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，能夠克服常規技術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結論
ARIZ算法集成了TRIZ的大多數工具，是TRIZ中用于解決復雜困難問題的高級工具，針對發明問題，以一套連續過程的程序，采取步步為營的方法，將一個復雜的系統問題轉換為簡單的問題模型，*終獲得理想解。本文根據煤層氣開采技術原理,結合我國部分地區煤層的特殊特點，基于ARIZ算法模型，創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，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計方案，為松軟、低滲透性煤層采氣提供了新的理論依據。此外，該方法采用水力沖刷鉆進技術，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：鄭州大學管理工程研究所 河南省煤層氣開發利用有限公司
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