直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀應(yīng)用探討

陽(yáng) 勇

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊(duì)，貴州 550005)

直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀應(yīng)用探討

陽(yáng) 勇

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊(duì)，貴州 550005)

本文主要介紹了直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)選擇，并從理論和實(shí)測(cè)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究，從而了解直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀與傳統(tǒng)的測(cè)壓儀不同，即只需鉆機(jī)立軸向下加壓即可，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試成功率高，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠等優(yōu)勢(shì)。為直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀的應(yīng)用提供一定理論和實(shí)踐依據(jù)。

直壓式 瓦斯壓力 參數(shù)選擇

1 引言

煤層瓦斯壓力是標(biāo)志煤層瓦斯流動(dòng)特性和賦存狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，是確定煤層瓦斯含量、瓦斯流動(dòng)動(dòng)力高低以及瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的基本參數(shù)，是評(píng)價(jià)煤礦開(kāi)采條件、確定煤礦安全技術(shù)措施、開(kāi)發(fā)利用煤層氣的一個(gè)重要依據(jù)。同時(shí)也是鑒定煤層突出危險(xiǎn)性的重要參數(shù)之一。掌握準(zhǔn)確可靠的煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)對(duì)研究與評(píng)價(jià)瓦斯抽放以及煤與瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意義。

直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀與傳統(tǒng)測(cè)試不同。傳統(tǒng)測(cè)試儀器卸壓機(jī)構(gòu)主要是在泥漿壓力驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)卸壓機(jī)構(gòu)，解除下部封孔泥漿的承壓狀態(tài)，這樣卸壓時(shí)如果泥漿壓力過(guò)大，會(huì)對(duì)儀器有較大沖擊，導(dǎo)致測(cè)壓不準(zhǔn);而直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀只需通過(guò)鉆機(jī)立軸向下加壓即可完成卸壓動(dòng)作，測(cè)試成功率高、效果好。

本文主要根據(jù)直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)選擇，并從理論和實(shí)測(cè)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析研究，從而了解直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)壓儀與傳統(tǒng)的測(cè)壓儀不同，為直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀的應(yīng)用提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。

2 測(cè)試儀器

2.1 儀器設(shè)計(jì)思路

(1)測(cè)量?jī)x器起下鉆過(guò)程中泥漿應(yīng)該有上返或下泄通道，確保儀器能下到孔底，并避免因起下鉆可能帶來(lái)的孔壁垮塌等事故。如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮到孔底泥漿上返的問(wèn)題，當(dāng)下鉆過(guò)快，鉆具背壓太大，鉆具就容易受沖擊力量作用，使定位銷釘提前剪斷，使測(cè)量?jī)x器下不到孔底，特別是對(duì)于目前中、深孔鉆探中常用的繩索取心鉆進(jìn)，更是如此。同時(shí)，由于沒(méi)有泥漿通道，提鉆時(shí)容易在鉆具下部形成負(fù)壓，使孔壁發(fā)生坍塌，造成孔內(nèi)事故。

(2)采用記錄較為先進(jìn)的存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)。存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，讀數(shù)和保存方便。

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 鉆孔瓦斯壓力測(cè)試封隔器示意圖

(1)封孔機(jī)構(gòu):由2個(gè)封孔膠筒間夾隔板串在芯管上。其作用是在測(cè)壓儀器下至孔底后，通過(guò)鉆具自重或外部設(shè)備加壓，使橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)。

(2)卸壓機(jī)構(gòu):由活塞偶件、卸壓筒偶件等構(gòu)成。該機(jī)構(gòu)在膠筒分隔上下段內(nèi)介質(zhì)后，外部設(shè)備繼續(xù)加壓，推動(dòng)活塞桿，壓斷內(nèi)外連通螺帽，從而達(dá)到卸壓目的，解除下部封孔泥漿的承壓狀態(tài)。

(3)壓力計(jì):存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)安裝在密封短節(jié)、內(nèi)管和密封端蓋組成的空腔內(nèi)。主要由壓力傳感系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)構(gòu)成，其作用是記錄煤層瓦斯壓力隨時(shí)間的變化。

2.3 儀器工作原理

瓦斯壓力測(cè)試儀器與現(xiàn)行煤田地質(zhì)勘探鉆具直接連接，放入井內(nèi)，當(dāng)連接儀器下端的支撐桿抵達(dá)井底后，儀器在鉆具自重壓力或外部設(shè)備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)不再串通，繼續(xù)向下加壓，推動(dòng)伸縮桿、連接桿及活塞桿運(yùn)動(dòng)，壓斷內(nèi)外連通螺帽，達(dá)到卸壓目的，同時(shí)煤層瓦斯氣體通過(guò)卸壓通氣孔進(jìn)入內(nèi)管內(nèi)，作用到存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)，壓力計(jì)將自動(dòng)記錄煤層瓦斯壓力隨時(shí)間的變化，測(cè)試結(jié)束后，提取鉆具，取出壓力計(jì)，與計(jì)算機(jī)連接，讀取數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)得的壓力曲線進(jìn)行分析校正，便可得到所測(cè)煤層瓦斯壓力。

3 測(cè)試施工過(guò)程

(1)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作

壓力計(jì)數(shù)據(jù)采集編程，在通過(guò)檢測(cè)程序后，壓力計(jì)與底座及封隔器正確連接，記錄井深及煤層頂板深度，選擇較為合適的封孔層位，計(jì)算支撐桿長(zhǎng)度及下入管柱的長(zhǎng)度，確認(rèn)坐封深度無(wú)誤。

(2)測(cè)試管柱下井

測(cè)試管柱應(yīng)緩慢下井，防止測(cè)試儀器下端遇阻，儀器受到?jīng)_擊而使銷釘提前剪斷的情況。

(3)封隔器坐封

儀器下端的支撐桿快要抵達(dá)井底時(shí)，緩慢下放儀器，并時(shí)刻注意拉力表拉力變化，當(dāng)儀器下端抵達(dá)井底時(shí)，儀器在鉆具自重壓力或外部設(shè)備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)不再串通，停等2～3秒繼續(xù)向下加壓，推動(dòng)活塞桿壓斷內(nèi)外連通螺帽，打開(kāi)卸壓通道。

(4)壓力測(cè)試

打開(kāi)卸壓通道后，煤層瓦斯氣體將通過(guò)卸壓通道進(jìn)入支撐桿內(nèi)，作用到存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)，壓力計(jì)將自動(dòng)記錄煤層瓦斯壓力隨時(shí)間的變化，并根據(jù)煤層情況，進(jìn)行4～8小時(shí)的測(cè)試。

(5)起出測(cè)試儀器

測(cè)試結(jié)束后，封隔器解封，起出測(cè)試管柱。

(6)數(shù)據(jù)分析

取出壓力計(jì)，與計(jì)算機(jī)連接，讀取數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)得的壓力曲線進(jìn)行分析校正。

4 測(cè)試參數(shù)的選擇

4.1 封孔層位的選擇

鉆孔瓦斯壓力測(cè)試必須做到及時(shí)，即在鉆遇煤層后應(yīng)該及時(shí)確定層位，盡量在最短的時(shí)間內(nèi)對(duì)煤層瓦斯壓力進(jìn)行測(cè)試，減小測(cè)試誤差。測(cè)試前必須先確定所測(cè)鉆孔深度、煤層深度、煤層頂板巖性，封孔位置應(yīng)選擇煤層頂板巖石完整程度較好，孔壁穩(wěn)定性較好的層段。以確保封孔效果良好以及孔內(nèi)安全，儀器下、上的安全。

4.2 膠筒強(qiáng)度的選擇

隨著孔深的增加，鉆具自重不斷增大，為了確保封孔效果和孔內(nèi)安全，封隔器應(yīng)根據(jù)不同的孔深選擇不同強(qiáng)度的膠筒。下面是在貴州地區(qū)的測(cè)試情況的總結(jié):當(dāng)孔較淺時(shí) (300m以內(nèi))，可以選擇強(qiáng)度相對(duì)低一些的膠筒 (材料:丁晴橡膠;硬度:邵氏硬度70度)，其膠筒相對(duì)較軟，在孔內(nèi)安全的前提下，可以起到更好的封隔作用;當(dāng)孔深在300m～600m時(shí)，一般選擇膠筒邵氏硬度73°;當(dāng)孔深大于600m時(shí)，選擇膠筒邵氏硬度78°，如果選擇的強(qiáng)度型號(hào)較低，膠筒在鉆具重力作用下易損壞，達(dá)不到預(yù)期的封孔效果，甚至造成孔內(nèi)事故。

在下放鉆具的過(guò)程中，應(yīng)密切注意拉力表顯示的拉力，防止下鉆遇阻力，使銷釘提前剪斷，封隔器提前坐封，而繼續(xù)下放鉆具損壞膠筒的情況的發(fā)生。

4.3 銷釘數(shù)量的選擇

銷釘數(shù)量的選擇應(yīng)滿足:①當(dāng)支撐桿到達(dá)井底后，封隔器下部銷釘在鉆具自身重量下被剪斷，封隔器膠筒壓縮，達(dá)到封孔效果;②封隔器上部銷釘在鉆具自身重量下不被剪斷。

銷釘數(shù)量的選擇取決于銷釘材質(zhì)、鉆具重量、鉆具所受浮力的大小。由于不同的銷釘其材質(zhì)不同，剪斷所需要的力也不相同，所以在使用之前應(yīng)先了解其剪切應(yīng)力。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)先確認(rèn)鉆具型號(hào) (單根鉆具長(zhǎng)度、重量)、孔深，以計(jì)算出封隔器上部鉆具重量;了解孔內(nèi)水位、泥漿密度等，以計(jì)算儀器在井內(nèi)所受浮力大小。根據(jù)以上幾個(gè)參數(shù)，即可確認(rèn)銷釘?shù)臄?shù)量。

4.4 卸壓壓力

儀器下端抵達(dá)井底時(shí)，儀器在鉆具自重壓力或外部設(shè)備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，封隔器坐封。此時(shí)，坐封位置以下孔內(nèi)泥漿為承壓狀態(tài)，要解除泥漿的承壓狀態(tài)就需要打開(kāi)卸壓通道 (即壓斷內(nèi)外連通螺帽)，這就需要先剪斷封隔器上部銷釘，繼而推動(dòng)活塞桿壓斷內(nèi)外連通螺帽，其所需的力即為卸壓壓力。

卸壓壓力必須適中。如果太小，壓不斷封隔器上部銷釘，打不開(kāi)卸壓通道，達(dá)不到測(cè)試目的;如果太大，則可能超過(guò)密封膠筒的極限強(qiáng)度，損壞膠筒，影響封隔效果，同時(shí)膠筒壓縮對(duì)孔壁也會(huì)產(chǎn)生壓力，如果太大可能會(huì)對(duì)孔壁造成危害，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成孔內(nèi)事故。所以應(yīng)該用盡可能小的壓力，打開(kāi)卸壓通道，達(dá)到卸壓目的。這就要求在測(cè)試時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算卸壓壓力，鉆具自身重力，鉆具所受浮力，以此計(jì)算出外部設(shè)備應(yīng)加壓力大小，確保最優(yōu)的封孔和卸壓效果。

4.5 測(cè)壓時(shí)間

封孔與卸壓階段完成以后，壓力計(jì)與外部連通，外部煤層瓦斯氣體不停釋放，其產(chǎn)生的壓力作用在壓力計(jì)上，壓力計(jì)開(kāi)始測(cè)壓，直到煤層瓦斯壓力達(dá)到靜態(tài)平衡，所需時(shí)間即為測(cè)壓時(shí)間。

不同煤層瓦斯壓力達(dá)到靜態(tài)平衡所需時(shí)間不同，根據(jù)在貴州省多個(gè)礦區(qū)的測(cè)試情況的總結(jié)，確定測(cè)壓時(shí)間一般在4～8小時(shí)內(nèi)。具體可參考煤層的瓦斯含量來(lái)確定測(cè)試時(shí)間，一般瓦斯含量越大，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)。在確保孔內(nèi)安全時(shí)，也可適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)壓時(shí)間，以確保瓦斯壓力達(dá)到靜態(tài)平衡。

5 測(cè)試結(jié)果分析

5.1 理論結(jié)果分析

封孔機(jī)構(gòu)與卸壓機(jī)構(gòu)的作用主要在于排除孔內(nèi)承壓泥漿水柱壓力及其他非測(cè)量介質(zhì)壓力的影響，為煤層氣壓力測(cè)試工作創(chuàng)造條件。壓力計(jì)是整個(gè)煤層瓦斯壓力測(cè)定儀最重要的組成部分。

圖2 瓦斯壓力測(cè)試?yán)碚撉€

鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)試儀器中的壓力計(jì)是一種存儲(chǔ)式的壓力計(jì)，可以直接讀取所測(cè)壓力所成曲線(如圖2瓦斯壓力測(cè)試?yán)碚撉€)，從現(xiàn)場(chǎng)工作時(shí)間可知:AB段為裝機(jī)完成至封孔、卸壓完成階段，此階段壓力計(jì)與外部隔絕，壓力計(jì)不受外部壓力作用，因此AB段為一條直線;B點(diǎn)開(kāi)始測(cè)壓，此時(shí)壓力計(jì)與外部連通，由于外部煤層氣壓力不停釋放，外部壓力作用與壓力計(jì)上，壓力計(jì)開(kāi)始測(cè)壓，一直到C點(diǎn)，壓力趨于平衡。為保證所測(cè)壓力值為煤層瓦斯壓力，儀器一直停放至D點(diǎn)開(kāi)始提升，可見(jiàn)C點(diǎn)壓力已經(jīng)達(dá)到平衡，CD段為煤層瓦斯壓力靜態(tài)平衡階段。只要儀器提升，封孔解除，鉆孔泥漿壓力立即作用于壓力計(jì)，記錄曲線馬上上升至E點(diǎn)，隨著儀器的提升，壓力計(jì)接觸的泥漿柱壓力逐漸減小，記錄曲線線性下降，到達(dá)F點(diǎn)表明儀器已經(jīng)提升至井口。顯然折線BCD反映了被測(cè)層壓力的恢復(fù)過(guò)程。通過(guò)CD段即可得出鉆孔煤層的瓦斯壓力。

5.2 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

本儀器目前已在貴州多個(gè)礦區(qū)的多個(gè)煤層進(jìn)行了使用，測(cè)量數(shù)據(jù)滿足了生產(chǎn)需要。以水域黔源煤礦測(cè)試為例。

圖3 瓦斯壓力測(cè)試溫度、壓力曲線

水城黔源煤礦202孔煤層瓦斯壓力測(cè)試，孔深595.42m，煤 層 埋 深 587.74 ～ 589.79m，煤 厚2.05m，粉煤，頂板粉砂質(zhì)泥巖，測(cè)試所得溫度、壓力曲線如圖3。圖中AB段 (壓力在98KPa的一直線)為支撐桿內(nèi)部大氣壓力，說(shuō)明儀器連接至下至孔底，封隔器坐封，卸壓階段取得成功;BC段為開(kāi)始測(cè)壓至瓦斯壓力達(dá)到靜態(tài)平衡階段;CD段壓力不變，壓力為735KPa，說(shuō)明瓦斯壓力達(dá)到靜態(tài)平衡;D點(diǎn)開(kāi)始上提測(cè)試儀器，封隔器解封，壓力計(jì)測(cè)得的為孔內(nèi)泥漿壓力，壓力升至E點(diǎn);EF階段為儀器提升階段，隨著儀器的提升，壓力計(jì)所受泥漿柱壓力逐漸減小，直至F點(diǎn)，儀器提至孔內(nèi)水位以上。整個(gè)測(cè)試曲線與理論曲線基本相符，各個(gè)測(cè)試階段反應(yīng)明顯，測(cè)試成功。

6 結(jié)論

本儀器目前已在貴州省多個(gè)礦區(qū)的進(jìn)行了使用，從測(cè)試情況來(lái)看，儀器設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、測(cè)試方法均比較合理，測(cè)試成功率高。目前在勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)試中，缺少相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)范，且受地質(zhì)條件、鉆孔條件、測(cè)試人員自身因素等因素限制，施工過(guò)程中隨意性大，使得測(cè)試結(jié)果存在一定人為因素的誤差。這就要求測(cè)試人員必須準(zhǔn)確掌握正確的測(cè)試方法，了解、選擇并改變測(cè)試條件，確定合理測(cè)壓參數(shù)。從某種意義上講，測(cè)試方法是內(nèi)因，測(cè)試條件是外因，只有兩者互相密切配合，才能提高測(cè)試準(zhǔn)確性。

［1］王書華，陳兆海.勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)試方法探討 ［J］.中州煤炭，2011.

Application Study of Coalbed Gas Pressure Measuring Instrument for Direct-pressure Boreholes

Yang Yong
(No.3 Team of Guizhou Provincial Coal＆ Geological Bureau，Guizhou 550005)

The paper introduces the design approaches，structure，working principle and parameter selection of the coalbed gas pressure measuring instrument for direct-pressure boreholes，and the result is analyzed and studied from theoritical and practice aspects.It figures out the difference between this gas pressure measuring instrument and traditional pressure measuring instruments，which refers to the vertical shaft of the drilling rig only need to pressure downward.It is featured with the advantages of simple operation，high success rate of measurement，reliable and accurate data acquisition，etc.The paper provides theoretical and practice basis for the application of the coalbed gas pressure measuring instrument for direct-pressure boreholes，

Direct-pressure;gas pressure;parameter selection

陽(yáng)勇，男，主要從事煤層氣資源調(diào)查與勘探。

(責(zé)任編輯 桑逢云)