CN101769134B

CN101769134B - 一种井下煤层密闭取心装置及其使用方法

Info

Publication number: CN101769134B
Application number: CN 201010101528
Authority: CN
Inventors: 张丁亮; 黑磊; 张培河; 孙四清
Original assignee: SIAN BRANCH OF CHINA COAL RESEARCH INSTITUTE
Current assignee: Xian Research Institute Co Ltd of CCTEG
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: CN101769134A

Abstract

本发明涉及指一种井下煤层的密闭取心装置及其使用方法。现有煤矿井下煤层气含量测试取样装置在提心过程中煤心暴露，致使气体损失，影响煤层气含量测定精度，而油气田上使用取心装置需配合绳索使用，不适合井下煤层。本发明提供的密闭取心装置及其使用方法，该装置包括依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，外筒内套有内筒，内筒上端连接球座分水接头，下端连接缩径套，在内筒外筒之间设置有液压关闭机构，液压关闭机构与带球座分水接头相连接；在缩径套的下端设置有内筒密闭球阀。本发明取心装置通过与其配套的使用方法，提取过程中，煤心完全处于密闭状态，减少了样品中的气体损失，完全可以满足煤矿井下煤层气含量测试取样要求。

Description

一种井下煤层密闭取心装置及其使用方法

技术领域

本发明属地质勘探领域，涉及一种用于煤矿井下瓦斯参数测定的工具及使用方法，具体是指一种井下煤层的密闭取心装置及该取心装置的使用方法。

背景技术

我国的煤矿瓦斯事故频发，地面和井下煤层气联合抽采是提高瓦斯矿井瓦斯治理的有效途径，而地面煤层气勘探开发需要进行大量的煤层气含量测试，以满足煤层气资源评价和煤层气勘探的需要；同时，井下瓦斯抽采设计也需要大量的煤层气含量数据做指导，以提高瓦斯抽采率；另外，井下瓦斯抽采结束后，还需要进行气含量测试，以检验瓦斯抽采效果是否满足相关规范要求，因此，气含量准确测试具有重要的意义。

目前，现有油气田上使用的密闭取心装置或保压取心装置主要用于油气田及天然气水合物的勘探开发，一般在地面配合绳索取心工具使用，不适合于煤矿井下煤层的密闭取心；现有煤矿井下煤层气含量测试取样装置共有两种：一种是单筒或双筒取心器，该取心器不易取出煤心，并且提心过程中煤心暴露，提心耗时较长，造成煤心中的气体大量损失，致使损失气测算不准，影响煤层气含量测定的精度；另一种是风动潜孔锤，该装置不能提取完整煤心，只能在孔口提取钻头研磨成的煤粉，损失气测算不准，也不利于煤层气含量数据的精确测定、获取。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种井下煤层密闭取心装置及该装置的使用方法，该装置为一个双筒单动式取心器，在取心时，能够保证煤心在提心过程中完全处于密闭状态，有效解决现有取心装置不能提取完整煤心，影响煤层气含量测定精度的问题，进而为井下瓦斯抽放及地面煤层气开发提供有力的数据支持。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种井下煤层密闭取心装置，包括从下至上依次连接的取心钻头、外筒和钻杆接头，外筒内套有内筒，内筒的上端与钻杆接头之间依次连接有内筒悬挂接头和球座分水接头，内筒的下端连接有缩径套，其特征在于：在内筒和外筒之间设置有液压关闭机构，液压关闭机构上端与球座分水接头相连接；在缩径套与取心钻头之间设置有内筒密闭球阀，内筒密闭球阀外部设置有与内筒密闭球阀球体连接的半滑环。

上述液压关闭机构为环筒式，环筒内部为空腔，空腔下部设置有与半滑环相对的液压活塞，空腔中部设置有泄压阀。

上述液压关闭机构与球座分水接头嵌套连接，液压关闭机构与球座分水接头嵌套设置有密封垫和压圈。

上述井下煤层密闭取心装置的使用方法，包括如下步骤：

1)确定孔位、目标孔深，并对密闭取心装置进行试压，确定是否合格；

2)安装钻头钻进直至达到取心目标孔深，钻进过程中，回转速度为80～120r/min，钻进速度为1～1.5m/min；

3)提钻，更换试压合格的密闭取心装置及取心钻头；

4)下钻至取心目标孔深，开动泥浆泵，进行取心钻进，直至达到目标取心长度，取心钻进过程中，回转速度为60～100r/min，钻进速度为0.5～1m/min；

5)停止泥浆泵，提钻杆，锁紧并拉断煤心；

6)提钻30cm，使断在内筒密闭球阀内的煤心移出；

7)开动泥浆泵，驱动液压关闭机构关闭内筒密闭球阀；

8)停泵提钻至孔口，取出密闭取心内筒，检验密闭效果，密闭合格，进行下一步，不合格，返回第3)步；

9)拆除机具，进行煤层气含量解吸测试。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和效果：

1、通过在内筒和外筒之间的环形空间设置可以容纳的环筒式液压关闭机构，并且同时通过在内装有卡箍式岩心爪的缩径套的下端设置内筒密闭球阀，再与带测试阀门的取心内筒连接形成一个可以关闭的密闭取心内筒，液压关闭机构在取心钻进结束后，通过投入橡胶球封堵球座改变水路后开始工作，泥浆泵液压驱动活塞将轴向力传递至内筒密闭球阀的半滑环，关闭内筒密闭球阀，保证在提心过程中煤心处于密闭状态，减少了样品中的气体损失，完全可以满足煤矿井下煤层气含量测试取样要求，对提高煤矿井下煤层气含量测试精度的作用明显。

2、液压关闭机构可同时提供取心钻进过程中循环介质的通道，正常取心钻进过程中，循环介质的通道是液压关闭机构和内筒间的环形空间，循环介质通过球座到达该环形空间并流向钻头端；处理卡埋钻等事故时，可加大泥浆泵泵压，液压关闭机构中部安装的泄压阀打开，循环介质同时也可通过泄压阀进入该环形空间并流向钻头端，可在处理卡、埋钻等孔内事故时提供循环介质支持。

附图说明：

图1是本发明结构示意图。

图2与图3是本发明缩径套与卡箍式岩心爪配合状态示意图，其中，图3是图2的左视图。

图4、图5、图6、图7是本发明的圆筒式液压关闭机构结构示意图；其中图5、图6、图7依次是图4的A-A剖视图、B-B剖视图、C-C剖视图。

图8是密闭取心内筒结构示意图。

图9和图10是本发明的内筒密闭球阀结构示意图；其中图10是图9的左视图。

附图中，1-取心钻头，2-内筒，3-外筒，4-内筒密闭球阀，5-缩径套，6-卡箍式岩心爪，7-液压关闭机构，8-内筒悬挂接头，9-橡胶球，10-带球座分水接头，11-钻杆接头，12-密封垫，13-压圈，14-泄压阀，15-测试阀门，16-半滑环，17-液压活塞，18-圆筒腔体，19-球体。

具体实施方式：

参见图1，一种井下煤层密闭取心装置，包括从下至上依次连接的底喷式PDC取心钻头1、外筒3和钻杆接头11，取心钻头1通过丝扣与外筒3连接形成整体，外筒3内套有内筒2，内筒2带有测试阀门15，内筒2的上端与钻杆接头11之间依次连接有内筒悬挂接头8和球座分水接头10，取心内筒2的下端连接有缩径套5和卡箍式岩心爪6，参加图2、图3，缩径套5与卡箍式岩心爪6具有相同锥度，两者共同构成一个在轴向拉力作用下可以卡住煤心的锁紧机构，取心内筒2通过内筒悬挂接头8、带球座分水接头10、钻杆接头11与外筒3连接形成一个双筒单动式取心器，同时内筒和外筒之间的环形空间设置有液压关闭机构7，参见图4、图5、图6和图7，液压关闭机构7与球座分水接头10嵌套连接，液压关闭机构7与球座分水接头10挂套连接处设置有密封垫12和压圈13，密封垫12设置在压圈13的上方，两者共同形成密封，液压关闭机构7为环筒式，环筒内部为空腔结构，空腔下部设置有液压活塞16，空腔同时可提供取心钻进过程中循环介质的通道，液压活塞16上部的空腔上安装有泄压阀14，在加大泥浆泵泵压的情况下，泄压阀14打开，循环介质通过泄压阀14流向钻头端，可以在处理卡、埋钻等孔内事故时提供循环介质支持；在缩径套5的下端与取心钻头1之间连接有内筒密闭球阀4，参见图8、图9、图10，内筒密闭球阀4由圆筒腔体18、球体19组成，球体19设置圆筒腔体18内部，在圆筒腔体18外部设置有球体19连接的半滑环16，半滑环16上下动作实现球体19旋转进而控制圆筒腔体18的通断，实现关闭内筒密闭球阀4。内筒密闭球阀4、缩径套5、卡箍式岩心爪6与内筒2通过丝扣连接形成一个可以关闭的密闭取心内筒，并在提出孔外后可以拆卸下来供解吸测试使用；该密闭取心内筒通过内筒悬挂接头8、带球座分水接头10与圆筒式液压关闭机构7连接；取心钻进完成后，通过钻杆投入橡胶球9，封堵球座分水接头10中的球座，利用外接泥浆泵泵水加压，迫使水流通过球座分水接头10上的水眼进入圆筒式液压关闭机构7，驱动圆筒式液压关闭机构7的液压活塞17前移到达内筒密闭球阀4上的半滑环16位置，继续加压，通过圆筒式液压关闭机构7的液压活塞17前端(如图7所示)推动半滑环16关闭内筒密闭球阀4，达到内筒密闭的效果。

本发明在使用操作时，按如下步骤进行：

(1)确定孔位，固定钻机、泥浆泵，修建循环介质储存池；准备循环介质、钻杆、钻具、取心装置，并对密闭取心装置进行试压，检验试压是否合格；连接电源及管线；

(2)接通电源，开动钻机及泥浆泵，安装全面钻头正常钻进，直至达到取心目标孔深，钻进过程中，回转速度为80～120r/min，钻进速度为1～1.5m/min；

(3)提钻，更换组装好并试压合格的密闭取心装置及取心钻头1；

(4)下钻至取心目标孔深，开动泥浆泵，开始取心钻进，直至达到目标取心长度，取心钻进过程中，回转速度为60～100r/min，钻进速度为0.5～1m/min，；

(5)停止泥浆泵，提钻杆，产生轴向拉力，使卡箍式岩心爪6在缩径套5内产生相对位移，锁紧并拉断煤心；

(6)提钻30cm，使断在内筒密闭球阀4内的煤心移出；

(7)卸开水龙头，从钻杆内投入橡胶球9后接上水龙头，开动泥浆泵，将橡胶球9冲入带球座分水接头10内的球座，增大泵压，驱动液压关闭机构7关闭内筒密闭球阀4；

(8)停泵提钻至孔口，拆卸密闭取心装置，取出已关闭的密闭取心内筒，放入水中检验密闭效果，密闭合格，进行下一步，不合格，返回第(3)步；

(9)拆除机具，取心工作完毕，随后连接解吸仪和取心内筒，进行现场煤层气含量解吸测试。

Claims

1.一种井下煤层密闭取心装置，包括从下至上依次连接的取心钻头（1）、外筒（3）和钻杆接头（11），外筒（3）内套有内筒（2），内筒（2）的上端与钻杆接头（11）之间依次连接有内筒悬挂接头（8）和球座分水接头（10），内筒（2）的下端连接有缩径套（5），其特征在于：在内筒（2）和外筒（3）之间设置有液压关闭机构（7），液压关闭机构（7）上端与球座分水接头（10）相连接；在缩径套（5）与取心钻头（1）之间设置有内筒密闭球阀（4），内筒密闭球阀（4）外部设置有与内筒密闭球阀的球体（19）连接的半滑环（16）；所述液压关闭机构（7）为环筒式，环筒内部为空腔，空腔下部设置有与半滑环（16）相对的液压活塞（17），空腔中部安装有泄压阀（14）。

2.根据权利要求1所述的一种井下煤层密闭取心装置，其特征在于：液压关闭机构（7）与球座分水接头（10）嵌套连接，嵌套连接处设置有密封垫（12）和压圈（13）。

3.如权利要求1所述的一种井下煤层密闭取心装置的使用方法，包括如下步骤：

1）确定孔位、目标孔深，并对密闭取心装置进行试压，确定是否合格；

2）安装钻头钻进直至达到取心目标孔深，钻进过程中，回转速度为80～120r/min，钻进速度为1～1.5m/min；

3）提钻，更换试压合格的密闭取心装置及取心钻头（1）；

4）下钻至取心目标孔深，开动泥浆泵，进行取心钻进，直至达到目标取心长度，取心钻进过程中，回转速度为60～100r/min，钻进速度为0.5～1m/min；

5）停止泥浆泵，提钻杆，锁紧并拉断煤心；

6）提钻30cm，使断在内筒密闭球阀（4）内的煤心移出；

7）开动泥浆泵，驱动液压关闭机构（7）关闭内筒密闭球阀（4）；

8）停止泥浆泵提钻至孔口，取出密闭取心内筒，检验密闭效果，密闭合格，进行下一步，不合格，返回第3）步；

9）拆除机具，进行煤层气含量解吸测试。