煤礦井下煤層密閉取心技術范文

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《陜西煤炭雜志》2014年第二期

1密閉取心裝置設計及工作原理

1．1密閉取心裝置設計為滿足煤礦井下煤層氣含量準確測定的技術要求，達到快速、準確測定煤層氣含量的目的，設計完成的密閉取心裝置如圖1所示，主要由取心內筒、液壓驅動筒、外筒、割心球閥、解吸球閥、角接觸軸承組懸掛總成、液壓推動機構、取心鉆頭等組成。。該裝置采用模塊化設計、雙筒單動結構，解體性好、便于拆卸和維護，與各種鉆機、鉆具、泥漿泵、瓦斯解吸儀等設備的配套和銜接十分方便，取心過程操作簡單，能夠準確、完整、快速地提取高質量煤心樣品。通過角接觸軸承組構成的懸掛總成實現了取心過程中的雙筒單動的目標，即取心內筒和液壓推動筒不旋轉，外筒帶動鉆頭旋轉，這樣避免了取心內筒旋轉而導致的煤心破壞，保持了樣品的完整性。角接觸軸承組既保證了徑向的滾動摩擦運動，同時還能提供軸向力，這一軸向力既要承受取心內筒和液壓推動總成的重力，又要承受割斷煤心時產生的軸向力。另外通過取心內筒上側的關閉閥與下側割心球閥的聯動來保證取心后取心筒的及時完全密封，并且采用硬密封的形式來達到長時間高壓密封的目的。取心外筒:前端與取心鉆頭連接，末端通過轉接頭與鉆桿連接，取心外筒一方面保護內置的取心內筒、液壓推動筒及液壓推動機構，另一方面連接鉆桿并傳遞扭矩，帶動鉆頭取心鉆進。取心內筒:主要由取心筒管、割心密閉球閥、球閥轉接頭、解吸球閥及安全定位銅套等組成。在取心過程中，取心內筒主要作用是收集煤心，取心鉆進結束后，將煤心密閉在其筒內。取心內筒末端安裝有解吸閥門，因此可兼作瓦斯解吸罐，煤樣無需裝罐即可連接氣含量測試設備進行現場解吸和脫氣。這樣在很大程度上降低了氣含量的損失。底部的割心密閉球閥采用硬密封技術，具有剪切煤心、密閉取心內筒的作用。其密封壓力可達4MPa以上，并且持續密封保壓時間大于24h。液壓推動筒、推動機構、投球裝置及懸掛機構:①液壓推動筒位于取心內筒和取心外筒之間，由液壓筒和相關軸承、銷釘組成;②液壓推動機構末端由銷釘固定在投球裝置的管路卡槽中，前端與推桿相連，在泥漿泵傳遞的壓力作用下，液壓推動機構剪斷銷釘推動推桿將割心球閥關閉，在此過程中割斷煤心并將煤心密閉在取心內筒內。與此同時聯動機構保證了密閉剪切球閥與解吸球閥起關閉及鉆井液的排出。可以根據煤的硬度確定需要安裝的剪切銷釘和密封圈的數量，以控制液壓筒關閉密閉剪切球閥所需的壓力;③投球裝置位于液壓推動筒上部，由球座、投球管路和投球組成，取心鉆進過程中不隨外筒一起轉動，主要作用是在取心鉆進結束后，通過鉆桿投球和泥漿泵增壓，為液壓推動機構推動推桿關閉割心球閥提供動力。

1．2密閉取心裝置工作原理工作原理:①取心過程中，取心外筒帶動取心鉆頭鉆取煤樣，取心內筒收集煤樣，達到取心長度要求后停鉆;②在孔外鉆桿處投入橡膠球，泥漿泵加壓將橡膠球送至投球裝置的球座中，球座底部的導水孔被堵塞;③在泥漿泵的持續供壓下，泥漿液的壓力逐步升高，當由液體壓力產生的力足夠大并將液壓推動筒的頂部的銷釘剪斷后，液壓推動筒獲得足夠的動量向前運動，帶動推動桿將球閥關閉，割斷煤心，完成整個密閉取心過程。

2密閉取心工藝流程

2．1非取心鉆進及密閉取心鉆進非取心鉆進:架設鉆機并安裝破碎鉆頭對巖層進行非取心鉆進，當達到設計孔深后停鉆并快速退出鉆具，必要時進行擴孔鉆進。密閉取心鉆進:換裝密閉取心裝置并快速送至孔底待取心部位，進行取心鉆進，這時主要是外筒帶動底噴式PDC取心鉆頭進行破碎煤層，煤心順著球閥內徑口進入取心內筒，當達到取心長度后停止鉆進，獲得設計長度的煤心。

2．2取心筒密閉及內筒密閉效果檢驗取心筒密閉:在鉆桿接口處投入封堵球，封堵球沿著管路到達球座，開動泥漿泵，并加壓至足夠壓強(4～6MPa左右)，這時在泥漿泵加壓的作用下推動液壓推動筒剪斷銷釘，并獲得足夠的動量迅速向前推動，通過推動桿關閉球閥，割斷煤心，并密閉取心內筒。取心內筒密閉效果檢測:提鉆至孔口，取出取心內筒，檢查球閥的關閉情況，若關閉良好，無漏氣泄壓，則試驗成功，可進行解吸。

3密閉取心裝置井下應用

為了檢驗密閉取心裝置及技術與傳統取心方法在煤礦井下煤層氣(瓦斯)含量測試中的優勢，在晉煤集團寺河煤礦進行了密閉取心裝置的井下試驗，為進行對比同時進行了傳統的普通取心試驗。表1為煤礦井下傳統取心方法與密閉取心方法的對比結果，由表1可以看出采用本文研制的密閉取心裝置進行取心具有明顯的優勢:煤樣暴露時間只有傳統取心暴露時間的26%左右，減小了傳統取心損失氣計算誤差，另外煤樣的采取率也大于傳統的取心方法。表2為密閉取心方法獲得的煤樣的氣含量值與傳統普通取心方法的對比結果。寺河煤礦煤層密閉取心測試獲得的氣含量為7．61cm3/g，普通取心方法獲得的三個樣品氣含量最大為7．05cm3/g，最小為3．84cm3/g，平均5．97cm3/g，前者比后者平均值高出27．5%左右。表明密閉取心方法的煤層氣含量的損失量遠小于傳統的取心方法。為了進一步驗證密閉取心方法煤層氣(瓦斯)含量測試的準確性，分別在陜西彬長胡家河煤礦、晉煤寺河煤礦等試驗點開展了井下煤層密閉取心和傳統取心瓦斯含量測試試驗，并將測試結果進行了對比，如表3所示。由表3可以看出，密閉取心方法測得的瓦斯含量大于傳統普通取心方法，測試結果提高了20%～27%，表明井下試驗的密閉取心測試法能大幅度減少取心過程中的煤層瓦斯的損失，更加準確的獲取煤礦瓦斯含量數據。

4結語

本文研制的密閉取心裝置采用模塊化設計、鍵槽插接，解體性好、操作簡單，密封壓力可達4MPa以上，保壓密封時間大于24h，取心率大于80%。能夠快速、準確的測定煤層氣的含量，最大限度的縮短煤樣的暴露時間、降低損失氣的逸散。與傳統取心方法相比，瓦斯含量測試結果提高了20%～30%，提高了煤礦瓦斯含量測試精度，為煤礦瓦斯治理提供了扎實的基礎參數，對煤礦井下瓦斯抽采設計及治理方案、工程實施等具有重要支撐作用。雖然該密閉取心裝置能夠較為準確的測得煤層氣含量相關數據，但是裝置的輕型化、密閉方式仍然是一個可以進一步改進的方向。另外，密閉取心技術已經較為成熟地應用于井下取心，而地面直接取心技術仍然是一個研究難點問題。

作者：黑磊單位：中煤科工集團西安研究院