煤矿井下煤层密闭取心技术范文

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《陕西煤炭杂志》2014年第二期

1密闭取心装置设计及工作原理

1．1密闭取心装置设计为满足煤矿井下煤层气含量准确测定的技术要求，达到快速、准确测定煤层气含量的目的，设计完成的密闭取心装置如图1所示，主要由取心内筒、液压驱动筒、外筒、割心球阀、解吸球阀、角接触轴承组悬挂总成、液压推动机构、取心钻头等组成。。该装置采用模块化设计、双筒单动结构，解体性好、便于拆卸和维护，与各种钻机、钻具、泥浆泵、瓦斯解吸仪等设备的配套和衔接十分方便，取心过程操作简单，能够准确、完整、快速地提取高质量煤心样品。通过角接触轴承组构成的悬挂总成实现了取心过程中的双筒单动的目标，即取心内筒和液压推动筒不旋转，外筒带动钻头旋转，这样避免了取心内筒旋转而导致的煤心破坏，保持了样品的完整性。角接触轴承组既保证了径向的滚动摩擦运动，同时还能提供轴向力，这一轴向力既要承受取心内筒和液压推动总成的重力，又要承受割断煤心时产生的轴向力。另外通过取心内筒上侧的关闭阀与下侧割心球阀的联动来保证取心后取心筒的及时完全密封，并且采用硬密封的形式来达到长时间高压密封的目的。取心外筒:前端与取心钻头连接，末端通过转接头与钻杆连接，取心外筒一方面保护内置的取心内筒、液压推动筒及液压推动机构，另一方面连接钻杆并传递扭矩，带动钻头取心钻进。取心内筒:主要由取心筒管、割心密闭球阀、球阀转接头、解吸球阀及安全定位铜套等组成。在取心过程中，取心内筒主要作用是收集煤心，取心钻进结束后，将煤心密闭在其筒内。取心内筒末端安装有解吸阀门，因此可兼作瓦斯解吸罐，煤样无需装罐即可连接气含量测试设备进行现场解吸和脱气。这样在很大程度上降低了气含量的损失。底部的割心密闭球阀采用硬密封技术，具有剪切煤心、密闭取心内筒的作用。其密封压力可达4MPa以上，并且持续密封保压时间大于24h。液压推动筒、推动机构、投球装置及悬挂机构:①液压推动筒位于取心内筒和取心外筒之间，由液压筒和相关轴承、销钉组成;②液压推动机构末端由销钉固定在投球装置的管路卡槽中，前端与推杆相连，在泥浆泵传递的压力作用下，液压推动机构剪断销钉推动推杆将割心球阀关闭，在此过程中割断煤心并将煤心密闭在取心内筒内。与此同时联动机构保证了密闭剪切球阀与解吸球阀起关闭及钻井液的排出。可以根据煤的硬度确定需要安装的剪切销钉和密封圈的数量，以控制液压筒关闭密闭剪切球阀所需的压力;③投球装置位于液压推动筒上部，由球座、投球管路和投球组成，取心钻进过程中不随外筒一起转动，主要作用是在取心钻进结束后，通过钻杆投球和泥浆泵增压，为液压推动机构推动推杆关闭割心球阀提供动力。

1．2密闭取心装置工作原理工作原理:①取心过程中，取心外筒带动取心钻头钻取煤样，取心内筒收集煤样，达到取心长度要求后停钻;②在孔外钻杆处投入橡胶球，泥浆泵加压将橡胶球送至投球装置的球座中，球座底部的导水孔被堵塞;③在泥浆泵的持续供压下，泥浆液的压力逐步升高，当由液体压力产生的力足够大并将液压推动筒的顶部的销钉剪断后，液压推动筒获得足够的动量向前运动，带动推动杆将球阀关闭，割断煤心，完成整个密闭取心过程。

2密闭取心工艺流程

2．1非取心钻进及密闭取心钻进非取心钻进:架设钻机并安装破碎钻头对岩层进行非取心钻进，当达到设计孔深后停钻并快速退出钻具，必要时进行扩孔钻进。密闭取心钻进:换装密闭取心装置并快速送至孔底待取心部位，进行取心钻进，这时主要是外筒带动底喷式PDC取心钻头进行破碎煤层，煤心顺着球阀内径口进入取心内筒，当达到取心长度后停止钻进，获得设计长度的煤心。

2．2取心筒密闭及内筒密闭效果检验取心筒密闭:在钻杆接口处投入封堵球，封堵球沿着管路到达球座，开动泥浆泵，并加压至足够压强(4～6MPa左右)，这时在泥浆泵加压的作用下推动液压推动筒剪断销钉，并获得足够的动量迅速向前推动，通过推动杆关闭球阀，割断煤心，并密闭取心内筒。取心内筒密闭效果检测:提钻至孔口，取出取心内筒，检查球阀的关闭情况，若关闭良好，无漏气泄压，则试验成功，可进行解吸。

3密闭取心装置井下应用

为了检验密闭取心装置及技术与传统取心方法在煤矿井下煤层气(瓦斯)含量测试中的优势，在晋煤集团寺河煤矿进行了密闭取心装置的井下试验，为进行对比同时进行了传统的普通取心试验。表1为煤矿井下传统取心方法与密闭取心方法的对比结果，由表1可以看出采用本文研制的密闭取心装置进行取心具有明显的优势:煤样暴露时间只有传统取心暴露时间的26%左右，减小了传统取心损失气计算误差，另外煤样的采取率也大于传统的取心方法。表2为密闭取心方法获得的煤样的气含量值与传统普通取心方法的对比结果。寺河煤矿煤层密闭取心测试获得的气含量为7．61cm3/g，普通取心方法获得的三个样品气含量最大为7．05cm3/g，最小为3．84cm3/g，平均5．97cm3/g，前者比后者平均值高出27．5%左右。表明密闭取心方法的煤层气含量的损失量远小于传统的取心方法。为了进一步验证密闭取心方法煤层气(瓦斯)含量测试的准确性，分别在陕西彬长胡家河煤矿、晋煤寺河煤矿等试验点开展了井下煤层密闭取心和传统取心瓦斯含量测试试验，并将测试结果进行了对比，如表3所示。由表3可以看出，密闭取心方法测得的瓦斯含量大于传统普通取心方法，测试结果提高了20%～27%，表明井下试验的密闭取心测试法能大幅度减少取心过程中的煤层瓦斯的损失，更加准确的获取煤矿瓦斯含量数据。

4结语

本文研制的密闭取心装置采用模块化设计、键槽插接，解体性好、操作简单，密封压力可达4MPa以上，保压密封时间大于24h，取心率大于80%。能够快速、准确的测定煤层气的含量，最大限度的缩短煤样的暴露时间、降低损失气的逸散。与传统取心方法相比，瓦斯含量测试结果提高了20%～30%，提高了煤矿瓦斯含量测试精度，为煤矿瓦斯治理提供了扎实的基础参数，对煤矿井下瓦斯抽采设计及治理方案、工程实施等具有重要支撑作用。虽然该密闭取心装置能够较为准确的测得煤层气含量相关数据，但是装置的轻型化、密闭方式仍然是一个可以进一步改进的方向。另外，密闭取心技术已经较为成熟地应用于井下取心，而地面直接取心技术仍然是一个研究难点问题。

作者：黑磊单位：中煤科工集团西安研究院