CN106814002B - 一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，包括台板、驱动电机和取芯电机，台板上固定设有取芯筒，取芯筒内壁上固定设有低阶煤样柱定位结构和位于低阶煤样柱定位结构上方的低阶煤样柱限位顶压结构，取芯筒顶部连接有筒盖，筒盖上设有注水管、放空管和计量管，计量管上端连接有真空储气球；台板底部设有排水管；驱动电机带动取芯电机，取芯电机的主轴同轴向传动连接有钻筒。本发明还公开了取芯模拟试验方法。在认定致密低煤阶煤样最中心的部位气体没有逸出的情况下，本发明对此类低煤阶煤芯进行密封处理，再用实验室中模拟地下的物理条件下，对低煤阶煤芯进行再次钻进，测出钻进过程中由于低煤阶煤样破碎而损失的气量。

Description

一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置与方法

技术领域

本发明属于煤层含气性测气技术领域，尤其涉及一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置与方法。

背景技术

煤层含气性对于评价煤层气资源潜力及有利区优先是至关重要的直接参数，但是目前低阶煤含气量的取样测试技术不够完备。现有的评价煤层气含气量的方法是利用煤层气等温吸附解吸实验装置，此方法是将钻井过程中返上来的煤芯进行等温吸附解吸，通过解吸所得的甲烷含量来评估煤层气储层的含气量。此方法在游离气含量比较低的煤层如中高煤阶煤层在一定程度上是有效的，但对于低阶煤而言，虽然其整体含气量低于中高阶煤，单由于其游离气含气量普遍较高，在钻头钻进过程中由于煤样破碎所逸散的气量相对较高，对于含气性本来就较差的低阶煤而言，该部分逸散气量的准确测定显得尤为重要。基于这种情况，若将钻井过程中损失的气量测出，再结合煤层气等温吸附解吸法，将更加准确的评价低煤阶煤层储层的含气性。目前，尚未有类似的能够测量在钻井过程中由于煤体破碎而导致的气体散失量的装置。由于低阶煤裂缝不发育但大孔发育，煤体本身的密闭程度较好，在钻进过程中，只有煤体被破坏的部分的气体散失，而其内部的气体基本保存完好，为煤芯钻取过程损失气量模拟试验方法提供了基础条件。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置与方法，其是在认定致密低煤阶煤样最中心的部位气体没有逸出的情况下，对此类煤芯进行密封处理，再用实验室中模拟地下的物理条件下，对煤芯进行再次钻进，测出钻进过程中由于低煤阶煤样破碎而损失的气量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，包括支腿，支腿上水平设置有台板，台板上固定设有取芯筒，取芯筒的中心线沿垂直方向设置，取芯筒内壁上固定设有低阶煤样柱定位结构和位于低阶煤样柱定位结构上方的低阶煤样柱限位顶压结构，取芯筒顶部可拆卸连接有筒盖，筒盖上设有下端均与取芯筒内部连通的注水管、放空管和计量管，注水管上端连接有水箱，水箱底部与筒盖顶部之间设有支杆，注水管上设有注水阀，放空管上设有放空球阀，计量管上端连接有真空储气球；台板底部设有上端与取芯筒内部连通的排水管，排水管上设有排水阀；

台板上固定设有两个关于取芯筒中心线对称的驱动电机，每个驱动电机的主轴均垂直向下穿过台板并同轴向传动连接有一根丝杆，每根丝杆上均螺纹连接有一个内螺纹套管，两个内螺纹套管之间通过一块安装板连接，台板下表面中部设置有密封导向套，台板上开设有与密封导向套对应的通孔，安装板的中部下表面固定设有一个取芯电机，取芯电机的主轴垂直向上穿过安装板并同轴向传动连接有钻筒，钻筒上端圆周边沿开设有齿状的金刚石钻削刃，钻筒自下而上依次穿过密封导向套和通孔伸入到取芯筒内，密封导向套内壁设有与钻筒外壁密封配合的下密封圈；台板下表面沿垂直方向固定设有两根关于取芯筒中心线对称的导杆，安装板上连接有分别对应套设在一根导杆上的连杆；

台板上设置有用于控制驱动电机和取芯电机启闭及转速的操控装置。

取芯筒上端边沿外圆周设有环形固定板，环形固定板通过紧固螺栓与筒盖可拆卸连接，筒盖下表面与环形固定板上表面之间上密封圈。

低阶煤样柱定位结构设置有两层，每层的低阶煤样柱定位结构均包括四根沿取芯筒径向设置的定位杆，四根定位杆沿取芯筒的中心线方向圆周阵列布置，每根定位杆的外端均固定设在取芯筒内壁上，每根定位杆内端均固定设有一块弧形板，四块弧形板的中心线与取芯筒的中心线重合。

低阶煤样柱限位顶压结构包括限位环板和三块固定板，限位环板的圆周外壁固定设有三块连接板，三块沿取芯筒中心线圆形阵列布置的固定板，固定板固定设在取芯筒内壁上，三块连接板上分别对应与一块固定板通过定位螺栓连接。

模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）先在实际工程地点制备低煤阶煤样柱，低煤阶煤样柱采用致密煤层气层最中心的部位，在气体没有逸出的情况下，对低煤阶煤样柱进行密封处理，运送到实验室内；

（2）将制备好的低阶煤样柱放入取芯筒中，采集的低阶煤样柱的外径等于或稍小于弧形板的内径，上下两层共8块弧形板的内弧面与低阶煤样柱外弧面贴合对低阶煤样柱进行径向限位，然后将限位环板放置到低阶煤样柱上端，使用定位螺栓连接固定板和连接板，限位环板与低阶煤样柱压接配合，对低阶煤样柱起轴向限位；

（3）打开放空阀及注水阀，关闭排水阀，水箱中的水在高度差作用下经注水管流入到取芯筒体中，随着取芯筒内水面的升高，空气由放空管排出，下密封圈和上密封圈起到避免漏气和漏水的作用，当取芯筒体中排完空气充满水后，关闭放空阀和注水阀；

（4）将真空储气球捏扁后与计量管通过橡皮筋进行连接，连接过程中保证无空气进入真空储气球内；

（5）启动取芯电机及两个驱动电机，两个驱动电机的转速相同，驱动电机带动丝杆转动，由于连杆套设在导杆上限定内螺纹套管随丝杆转动，随着丝杆的转动，内螺纹套管沿丝杆向上运动，两个内螺纹套管之间的安装板带动取芯电机实现向上轴向进给运动，取芯电机带动钻筒旋转，钻筒上端的金刚石钻削刃切割低阶煤样柱进行取芯；

（6）钻筒在旋转切割低阶煤样柱的过程中，低阶煤样柱内部破碎煤体会释放气体，所释放气体由于压差作用进入真空储气球内，从而实现在取芯过程中对低阶煤样柱所释放的气体进行收集；

（7）待真空储气球内收集气体结束后，将真空储气球进气口进行捆绑后从计量管取下并进行称重，真空储气球收集气体后称重重量减去真空储气球自重就可得到采集到的所释放气体的重量；

（8）打开排水阀，取芯筒内的水通过排水管排出，然后将切割分离的煤芯取出。

采用上述技术方案，本发明能够模拟在取低煤阶煤芯过程中采集煤样所释放的气量，本发明通过模拟实现取芯过程，同时采集计量在取芯过程中破碎煤芯时煤芯所释放的气量。本发明是在认定致密低煤阶煤样最中心的部位气体没有逸出的情况下，对此类低煤阶煤芯进行密封处理，再用实验室中模拟地下的物理条件下，对低煤阶煤芯进行再次钻进，测出钻进过程中由于低煤阶煤样破碎而损失的气量。本发明与传统的含气量评估方法的结合，将更加准确的解决低煤阶煤芯含气性的问题，更加有利于低煤阶煤气层的评价。

附图说明

图1是本发明的外型立体结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是图2中钻筒的立体结构示意图；

图4是本发明在取下筒盖后在俯视状态下的立体结构示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明的一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，包括支腿1，支腿1上水平设置有台板2，台板2上固定设有取芯筒3，取芯筒3的中心线沿垂直方向设置，取芯筒3内壁上固定设有低阶煤样柱定位结构和位于低阶煤样柱定位结构上方的低阶煤样柱限位顶压结构，取芯筒3顶部可拆卸连接有筒盖4，筒盖4上设有下端均与取芯筒3内部连通的注水管5、放空管6和计量管7，注水管5上端连接有水箱8，水箱8底部与筒盖4顶部之间设有支杆9，注水管5上设有注水阀10，放空管6上设有放空球阀11，计量管7上端连接有真空储气球12；台板2底部设有上端与取芯筒3内部连通的排水管13，排水管13上设有排水阀14。

台板2上固定设有两个关于取芯筒3中心线对称的驱动电机15，每个驱动电机15的主轴均垂直向下穿过台板2并同轴向传动连接有一根丝杆16，每根丝杆16上均螺纹连接有一个内螺纹套管17，两个内螺纹套管17之间通过一块安装板18连接，台板2下表面中部设置有密封导向套19，台板2上开设有与密封导向套19对应的通孔，安装板18的中部下表面固定设有一个取芯电机20，取芯电机20的主轴垂直向上穿过安装板18并同轴向传动连接有钻筒21，钻筒21上端圆周边沿开设有齿状的金刚石钻削刃22，钻筒21自下而上依次穿过密封导向套19和通孔伸入到取芯筒3内，密封导向套19内壁设有与钻筒21外壁密封配合的下密封圈23；台板2下表面沿垂直方向固定设有两根关于取芯筒3中心线对称的导杆24，安装板18上连接有分别对应套设在一根导杆24上的连杆25；

台板2上设置有用于控制驱动电机15和取芯电机20启闭及转速的操控装置26。

取芯筒3上端边沿外圆周设有环形固定板27，环形固定板27通过紧固螺栓28与筒盖4可拆卸连接，筒盖4下表面与环形固定板27上表面之间上密封圈29。

低阶煤样柱定位结构设置有两层，每层的低阶煤样柱定位结构均包括四根沿取芯筒3径向设置的定位杆30，四根定位杆30沿取芯筒3的中心线方向圆周阵列布置，每根定位杆30的外端均固定设在取芯筒3内壁上，每根定位杆30内端均固定设有一块弧形板31，四块弧形板31的中心线与取芯筒3的中心线重合。

低阶煤样柱限位顶压结构包括限位环板32和三块固定板33，限位环板32的圆周外壁固定设有三块连接板34，三块沿取芯筒3中心线圆形阵列布置的固定板33，固定板33固定设在取芯筒3内壁上，三块连接板34上分别对应与一块固定板33通过定位螺栓35连接。

模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置的模拟试验方法，包括以下步骤：

（1）先在实际工程地点制备低阶煤样柱36，低阶煤样柱36采用致密煤层气层最中心的部位，在气体没有逸出的情况下，对低阶煤样柱36进行密封处理，运送到实验室内；

（2）将制备好的低阶煤样柱36放入取芯筒3中，采集的低阶煤样柱36的外径等于或稍小于弧形板31的内径，上下两层共8块弧形板31的内弧面与低阶煤样柱36外弧面贴合对低阶煤样柱36进行径向限位，然后将限位环板32放置到低阶煤样柱36上端，使用定位螺栓35连接固定板33和连接板34，限位环板32与低阶煤样柱36压接配合，对低阶煤样柱36起轴向限位；

（3）打开放空阀及注水阀10，关闭排水阀14，水箱8中的水在高度差作用下经注水管5流入到取芯筒3体中，随着取芯筒3内水面的升高，空气由放空管6排出，下密封圈23和上密封圈29起到避免漏气和漏水的作用，当取芯筒3体中排完空气充满水后，关闭放空阀和注水阀10；

（4）将真空储气球12捏扁后与计量管7通过橡皮筋进行连接，连接过程中保证无空气进入真空储气球12内；

（5）启动取芯电机20及两个驱动电机15，两个驱动电机15的转速相同，驱动电机15带动丝杆16转动，由于连杆25套设在导杆24上限定内螺纹套管17随丝杆16转动，随着丝杆的转动，内螺纹套管17沿丝杆16向上运动，两个内螺纹套管17之间的安装板18带动取芯电机20实现向上轴向进给运动，取芯电机20带动钻筒21旋转，钻筒21上端的金刚石钻削刃22切割低阶煤样柱36进行取芯；

（6）钻筒21在旋转切割低阶煤样柱36的过程中，低阶煤样柱36内部破碎煤体会释放气体，所释放气体由于压差作用进入真空储气球12内，从而实现在取芯过程中对低阶煤样柱36所释放的气体进行收集；

（7）待真空储气球12内收集气体结束后，将真空储气球12进气口进行捆绑后从计量管7取下并进行称重，真空储气球12收集气体后称重重量减去真空储气球12自重就可得到采集到的所释放气体的重量；

（8）打开排水阀14，取芯筒3内的水通过排水管13排出，然后将切割分离的煤芯取出。

本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，其特征在于：包括支腿，支腿上水平设置有台板，台板上固定设有取芯筒，取芯筒的中心线沿垂直方向设置，取芯筒内壁上固定设有低阶煤样柱定位结构和位于低阶煤样柱定位结构上方的低阶煤样柱限位顶压结构，取芯筒顶部可拆卸连接有筒盖，筒盖上设有下端均与取芯筒内部连通的注水管、放空管和计量管，注水管上端连接有水箱，水箱底部与筒盖顶部之间设有支杆，注水管上设有注水阀，放空管上设有放空球阀，计量管上端连接有真空储气球；台板底部设有上端与取芯筒内部连通的排水管，排水管上设有排水阀；

台板上固定设有两个关于取芯筒中心线对称的驱动电机，每个驱动电机的主轴均垂直向下穿过台板并同轴向传动连接有一根丝杆，每根丝杆上均螺纹连接有一个内螺纹套管，两个内螺纹套管之间通过一块安装板连接，台板下表面中部设置有密封导向套，台板上开设有与密封导向套对应的通孔，安装板的中部下表面固定设有一个取芯电机，取芯电机的主轴垂直向上穿过安装板并同轴向传动连接有钻筒，钻筒上端圆周边沿开设有齿状的金刚石钻削刃，钻筒自下而上依次穿过密封导向套和通孔伸入到取芯筒内，密封导向套内壁设有与钻筒外壁密封配合的下密封圈；台板下表面沿垂直方向固定设有两根关于取芯筒中心线对称的导杆，安装板上连接有分别对应套设在一根导杆上的连杆；

台板上设置有用于控制驱动电机和取芯电机启闭及转速的操控装置。

2.根据权利要求1所述的一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，其特征在于：取芯筒上端边沿外圆周设有环形固定板，环形固定板通过紧固螺栓与筒盖可拆卸连接，筒盖下表面与环形固定板上表面之间上密封圈。

3.根据权利要求2所述的一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，其特征在于：低阶煤样柱定位结构设置有两层，每层的低阶煤样柱定位结构均包括四根沿取芯筒径向设置的定位杆，四根定位杆沿取芯筒的中心线方向圆周阵列布置，每根定位杆的外端均固定设在取芯筒内壁上，每根定位杆内端均固定设有一块弧形板，四块弧形板的中心线与取芯筒的中心线重合。

4.根据权利要求3所述的一种模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置，其特征在于：低阶煤样柱限位顶压结构包括限位环板和三块固定板，限位环板的圆周外壁固定设有三块连接板，三块沿取芯筒中心线圆形阵列布置的固定板，固定板固定设在取芯筒内壁上，三块连接板上分别对应与一块固定板通过定位螺栓连接。

5.使用如权利要求4所述的模拟低煤阶煤样取芯过程中损失气量的装置的模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）先在实际工程地点制备低煤阶煤样柱，低煤阶煤样柱采用致密煤层气层最中心的部位，在气体没有逸出的情况下，对低煤阶煤样柱进行密封处理，运送到实验室内；

（2）将制备好的低阶煤样柱放入取芯筒中，采集的低阶煤样柱的外径等于或稍小于弧形板的内径，上下两层共8块弧形板的内弧面与低阶煤样柱外弧面贴合对低阶煤样柱进行径向限位，然后将限位环板放置到低阶煤样柱上端，使用定位螺栓连接固定板和连接板，限位环板与低阶煤样柱压接配合，对低阶煤样柱起轴向限位；

（3）打开放空阀及注水阀，关闭排水阀，水箱中的水在高度差作用下经注水管流入到取芯筒体中，随着取芯筒内水面的升高，空气由放空管排出，下密封圈和上密封圈起到避免漏气和漏水的作用，当取芯筒体中排完空气充满水后，关闭放空阀和注水阀；

（4）将真空储气球捏扁后与计量管通过橡皮筋进行连接，连接过程中保证无空气进入真空储气球内；

（5）启动取芯电机及两个驱动电机，两个驱动电机的转速相同，驱动电机带动丝杆转动，由于连杆套设在导杆上限定内螺纹套管随丝杆转动，随着丝杆的转动，内螺纹套管沿丝杆向上运动，两个内螺纹套管之间的安装板带动取芯电机实现向上轴向进给运动，取芯电机带动钻筒旋转，钻筒上端的金刚石钻削刃切割低阶煤样柱进行取芯；

（6）钻筒在旋转切割低阶煤样柱的过程中，低阶煤样柱内部破碎煤体会释放气体，所释放气体由于压差作用进入真空储气球内，从而实现在取芯过程中对低阶煤样柱所释放的气体进行收集；

（7）待真空储气球内收集气体结束后，将真空储气球进气口进行捆绑后从计量管取下并进行称重，真空储气球收集气体后称重重量减去真空储气球自重就可得到采集到的所释放气体的重量；

（8）打开排水阀，取芯筒内的水通过排水管排出，然后将切割分离的煤芯取出。