CN110186843A - 一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法，测定装置包括煤芯夹持器、高压介质输入输出部分和压力测试部分。本发明仅需在原始煤层内施工一个取芯钻孔后收集煤芯试样，在实验室内进行测定，而不需要在煤层内施工一系列压力测试钻孔，工程量大大降低，而且测试成功率较传统的测定方法高；此外，本测定方法只需要一根尺度较小的煤芯，其煤质及煤芯中的孔隙和裂隙相对比较均匀，可避免煤质不均、地质构造对测定带来的误差，且煤芯试样密闭在煤芯夹持器内、测定准确率较高；另外，结合理论外推法，不需要测试很长的煤柱，可以大大节省测试投入和时间，测定结果能够为高压介质注入钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

Description

一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定装置及测定方法，具体是一种适用于高压介质注入钻孔的有效影响半径进行测定的装置及测定方法，属于煤矿瓦斯灾害的防治与高效开发技术领域。

背景技术

通过在煤层中布置瓦斯抽采钻孔以进行瓦斯(或称“煤层气”)的抽放，是目前我国煤矿企业进行瓦斯灾害治理和瓦斯抽采利用的主要手段。而煤层高压注水或注气是提高瓦斯抽采率的重要技术方法。该方法主要是在煤层中布置若干高压注水或注气钻孔，钻孔之间的距离主要取决于高压注水或注气的有效影响范围(主要用有效影响半径表征)，而且其距离最大不能超过2倍的有效影响半径，否则效果不显著。因此，准确测定高压注水或注气钻孔(即高压介质注入钻孔)的有效影响半径，是钻孔布置的主要依据，是影响技术效果的关键。

目前，有效影响半径测试的通常做法是：首先在煤层中施工一个高压注水或注气钻孔，然后在该钻孔两侧平行布置若干观测孔，然后往高压注水或注气钻孔注入高压介质。当观测孔出水或出气时，认为观测孔到高压注水或注气钻孔的直线距离为有效影响半径。该方法的一个重要假设就是煤层是均质的，而且高压水或气不受重力影响，在高压作用下，高压水或气沿钻孔向两侧均匀扩展。但实际情况是，煤层是高度非均质的岩石材料，内部含有大量分布不均的裂隙，同时，即使尺度很小，煤层中也还含有各种构造。此外，煤体中还会含有大量的水或其它杂质。

这些不确定因素都使得高压介质注入钻孔有效影响半径测试不准确且成功率极低。主要存在以下几个问题：

(1)如果高压水或气在煤层中遇到尺度稍大的裂隙或裂隙密度较大的区域，会全部偏向该位置，而其它位置的观测孔观测不到高压水或气，导致测试失败；

(2)高压注水或注气的扩展半径通常较大，遇到这种大尺度裂隙或裂隙密度分布不均的几率大大增加(几乎不可避免)，进一步加剧了测试的不确定性；

(3)由于钻孔在煤层或岩层中施工普遍存在漂移，因此施工误差较大(特别是距离较大的穿层钻孔)，会导致实际的观测孔间距和设计间距存在很大差异、有效半径的测试结果不确定；而且由于存在漂移，通常在设计时，间距至少都在1m以上，这就导致难以获得精确的抽放有效半径(因为都以1m为最小计量单位，1m内没有测试孔，也无法布置测试孔)；

(4)在现场测试有效影响半径时，通常至少要布置7个钻孔，如果测试失败，要重新施工一组钻孔，因此，通常需要耗费大量的施工时间。

因此，急需一种简单有效的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，可以最大限度的避免煤层赋存不均带来的测试不准确性，同时用最少的工程量和时间损耗，快速获得最准确的测试结果。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置及方法，可以实现最大限度避免煤层赋存不均带来的测试不准确性，同时可以实现用最少的工程量和时间损耗、快速获得最准确的测试结果，进而为高压介质注入钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

为了实现上述目的，本高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置包括煤芯夹持器、高压介质输入输出部分和压力测试部分；

所述的煤芯夹持器包括筒体、堵头和环形密封垫组件；筒体是筒型结构，筒型结构沿其轴向方向的两端是高压介质注入端和高压介质输出端，筒型结构的筒型外表面上沿其轴向方向设有多个均布设置的测压口，测压口沿筒型结构的径向方向贯穿筒型结构的筒壁；堵头设置为两件，两件堵头分别密封固定安装在高压介质注入端和高压介质输出端上，堵头沿其轴向方向上设有贯穿堵头的高压介质进出通道；环形密封垫组件对应堵头的数量设置为两套，环形密封垫组件设置在堵头面向筒体内腔的端部；

所述的高压介质输入输出部分包括高压转接头、高压阀门和高压介质压力容器，高压转接头和高压阀门分别对应筒体的高压介质注入端和高压介质输出端设置为两套，高压阀门通过高压转接头与堵头的高压介质进出通道连接，高压介质压力容器对应筒体的高压介质注入端设置、且高压介质压力容器输出口与对应筒体的高压介质注入端的高压阀门连接；

所述的压力测试部分包括压力传感器和监测计算机；压力传感器对应筒体的测压口的数量设置，压力传感器的压力输入端通过测压阀门与筒体的测压口连接，多个压力传感器分别与监测计算机电连接。

作为本发明的进一步改进方案，对应筒体的高压介质注入端的高压介质压力容器与高压阀门之间还设有增压泵，高压介质压力容器通过增压泵与高压阀门连接。

作为本发明的进一步改进方案，高压阀门和测压阀门均是电磁控制阀，高压阀门和测压阀门分别与监测计算机电连接。

作为本发明环形密封垫组件的一种实施方式，环形密封垫组件是组合密封垫结构，包括自内向外依次设置的耐高压密封耐高压密封胶涂层、VITON垫圈和铜垫圈。

作为本发明的进一步改进方案，堵头的内侧端设有小径段，环形密封垫组件还包括套接安装在堵头的小径段上的聚四氟乙烯密封环，聚四氟乙烯密封环的外径尺寸与筒体内腔的内径尺寸配合，聚四氟乙烯密封环设置为两件、且位于内侧端的聚四氟乙烯密封环顶靠在铜垫圈上，两件聚四氟乙烯密封环的相邻端面上设有“O”型密封圈安装槽、且“O”型密封圈安装槽位于聚四氟乙烯密封环的端面圆周边缘位置，“O”型密封圈安装槽内安装“O”型密封圈，通过挤压“O”型密封圈达到密封效果。

作为本发明的进一步改进方案，筒体上的测压口的数量不少于5个。

一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，包括以下步骤：

a.在待测定原始煤层利用矿用钻机施工取芯钻孔，利用取芯钻杆取完整煤芯试样一段，然后将煤芯试样快速置入煤芯夹持器中，并通过环形密封垫组件和堵头进行稳固定位，封堵堵头的高压介质进出通道对煤芯试样进行密闭封存以保持煤芯试样的原始湿度后，测量原始煤层的原始温度并记录，然后将封装有煤芯试样的筒体运输至地面实验室；

b.调整地面实验室的室温至煤层原始温度并恒定后，将封装有煤芯试样的筒体与高压介质输入输出部分和压力测试部分安装连接，然后调节增压泵的定压输出压力为针对原始煤层的高压介质设计注入压力，打开高压介质压力容器和增压泵，待增压泵的输出压力稳定后依次开启对应高压介质注入端高压阀门和对应高压介质输出端的高压阀门、并控制对应高压介质输出端的高压阀门的开度，设计注入压力的高压介质自筒体的高压介质注入端注入煤芯试样、并经筒体的高压介质输出端以设定流量排出；

c.打开全部的测压阀门，控制监测计算机对各个压力传感器反馈的压力数值进行间歇统计并记录，并以各个测压口到高压介质注入端的距离为横坐标、以各个测压口的压力数值为纵坐标绘制散点图，利用指数函数P＝P₀－ae^-bx(其中，P为某测压口处的介质压力，P₀为设计注入压力，a和b是拟合参数，x是测压口到高压介质注入端的距离)对数据进行拟合；

d.根据拟合获得的指数函数获得介质压力P和距离x的定量关系，通过计算任一距离处的介质压力，同时根据原始煤层内部的预定有效注入压力，反推距离x，即为有效影响半径；

e.根据原始煤层高压注入介质的设计天数，对应计算获得注入天数的有效影响半径；

f.达到最大设计天数后，关闭高压介质压力容器和增压泵，完成测定。

作为本发明的进一步改进方案，步骤c中拟合的指数函数的方差大于90％。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a中煤芯试样的长度不低于2m、直径不低于5cm，且煤芯试样的端面打磨平整。

作为本发明的进一步改进方案，步骤a中煤芯试样是整块一体结构、或是由若干不同长度的试样段共同组成的结构，且煤芯试样或试样段的端面均打磨平整。

与现有技术相比，本高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置及测定方法，仅需在原始煤层内施工一个取芯钻孔后收集煤芯试样，在实验室内进行测定，而不需要在煤层内施工一系列压力测试钻孔，工程量大大降低，而且测试成功率较传统的测定方法高；此外，本测定方法只需要一根尺度较小的煤芯，其煤质及煤芯中的孔隙和裂隙相对比较均匀，可避免煤质不均、地质构造对测定带来的误差，且煤芯试样密闭在煤芯夹持器内、测定准确率较高；另外，结合理论外推法，不需要测试很长的煤柱，可以大大节省测试投入和时间，测定结果能够为高压介质注入钻孔的合理布置提供理论依据及数据支持。

附图说明

图1是本发明高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中的不同天数的指数函数拟合图。

图中：1、煤芯试样，2、筒体，3、耐高压密封胶涂层，4、VITON垫圈，5、铜垫圈，6、堵头，7、“O”型密封圈，8、聚四氟乙烯密封环，9、高压转接头，10、高压阀门，11、增压泵，12、高压介质压力容器，13、测压阀门，14、监测计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置包括煤芯夹持器、高压介质输入输出部分和压力测试部分。

所述的煤芯夹持器包括筒体2、堵头6和环形密封垫组件；筒体2是筒型结构，筒型结构沿其轴向方向的两端是高压介质注入端和高压介质输出端，筒型结构的筒型外表面上沿其轴向方向设有多个均布设置的测压口，测压口沿筒型结构的径向方向贯穿筒型结构的筒壁，为了保证测压在准确性，测压口的数量不少于5个；堵头6设置为两件，两件堵头6分别密封固定安装在高压介质注入端和高压介质输出端上，堵头6沿其轴向方向上设有贯穿堵头6的高压介质进出通道；环形密封垫组件对应堵头6的数量设置为两套，环形密封垫组件设置在堵头6面向筒体2内腔的端部，环形密封垫组件可以采用橡胶密封垫结构、也可以采用骨架密封等组合密封垫结构，作为本发明环形密封垫组件的一种实施方式，环形密封垫组件是组合密封垫结构，包括自内向外依次设置的耐高压密封胶涂层3、VITON垫圈4和铜垫圈5。

所述的高压介质输入输出部分包括高压转接头9、高压阀门10和高压介质压力容器12，高压转接头9和高压阀门10分别对应筒体2的高压介质注入端和高压介质输出端设置为两套，高压阀门10通过高压转接头9与堵头6的高压介质进出通道连接，高压介质压力容器12对应筒体2的高压介质注入端设置、且高压介质压力容器12输出口与对应筒体2的高压介质注入端的高压阀门10连接。

所述的压力测试部分包括压力传感器和监测计算机14；压力传感器对应筒体2的测压口的数量设置，压力传感器的压力输入端通过测压阀门13与筒体2的测压口连接，多个压力传感器分别与监测计算机14电连接。

在测定过程中，为了便于恒压控制高压介质输入输出部分的瓦斯输入压力，作为本发明的进一步改进方案，对应筒体2的高压介质注入端的高压介质压力容器12与高压阀门10之间还设有增压泵11，高压介质压力容器12通过增压泵11与高压阀门10连接。

以下以某煤矿3号煤层布置瓦斯抽采钻孔抽放瓦斯为例来描述采用本高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置的测定方法。该煤层的透气性较低，通过向该煤层内注入高压CO₂驱替瓦斯来提高抽采率。为尽可能地扩大有效影响范围，CO₂的注入压力设计为15MPa，煤层温度为35℃；为了使CO₂在煤层内保持超临界状态(CO₂的超临界点为31.26℃、7.37MPa)，同时综合考虑CO₂相态的稳定性，要求煤层内的CO₂压力始终高于9MPa。当注入CO₂后，如果CO₂压力在煤体径向某一距离处达到9MPa(煤体温度均匀，稳定在35℃)，则该距离处在有效影响半径内。具体方法如下：

首先在3号煤层内利用矿用钻机施工取芯钻孔，然后利用取芯钻杆取长度为3m、外径尺寸与筒体2的内径尺寸配合的完整煤芯试样1一段，然后将煤芯试样1快速置入筒体2内，并在高压介质注入端和高压介质输出端依次垫入耐高压密封胶涂层3、VITON垫圈4和铜垫圈5套后将堵头6分别拧紧安装在筒体2的两端，煤芯试样1即在堵头6和环形密封垫组件的夹持作用下稳固定位在筒体2内，封堵堵头6的高压介质进出通道即完成煤芯试样1的快速密闭封存，记录煤层温度35℃后将封装有煤芯试样1的筒体2运输至地面实验室；

调整地面实验室的室温至35℃并恒定后在煤芯夹持器的两端分别安装高压转接头9和高压阀门10，然后将对应筒体2的高压介质注入端的高压阀门10顺序连接增压泵11和存放有高压CO₂气体的高压介质压力容器12，然后在煤芯夹持器上沿煤芯长度方向等间距布置5个测压口，在测压口处通过测压阀门13安装压力传感器、并将压力传感器与监测计算机14电连接；

调节增压泵11的额定压输出压力为15MPa，打开高压介质压力容器12和增压泵11，待增压泵11的输出压力稳定后依次开启对应高压介质注入端高压阀门10和对应高压介质输出端的高压阀门10，并控制对应高压介质输出端的高压阀门10的开度，高压CO₂气体即自筒体2的高压介质注入端注入煤芯试样1、并经筒体2的高压介质输出端以设定流量排出；然后打开全部的测压阀门13，监测计算机14即可对各个压力传感器反馈的压力数值进行间歇统计并记录；

监测计算机14按天为周期、每天统计并记录一次压力数据，并以各个测压口到高压介质注入端的距离为横坐标，测试获得的各个测压口的压力数值为纵坐标，绘制散点图，利用指数函数P＝P₀－ae^-bx(P为某测压口处的介质压力，P₀为设计注入压力，a和b是拟合参数，x是测压口到高压介质注入端的距离)对数据进行拟合，拟合获得的指数函数如图2所示，图中选取注入天数为第10～150天的拟合曲线，共8条曲线，曲线之间的间隔为20天，各曲线的拟合方差都在99％以上，符合要求，此外，前三米为煤芯长度，是实际测试段，三米以后是根据拟合函数获取的预测外推段；

根据图2获得的指数函数，分别计算出第10天、30天、50天、70天、90天、110天、130天和150天，压力达到9MPa的距离x，即对应的有效影响半径分别为3.4m、4.1m、5.0m、5.8m、6.3m、6.8m、7.2m和7.8m；

3号煤层的注入点有三个，设计的注入天数分别为30天、90天和150天，对应上述的有效影响半径分别为4.1m、6.3m和7.8m；

达到最大设计天数150天后停止注入高压介质，结束测试。

为了实现测定过程的自动化操作，作为本发明的进一步改进方案，高压阀门10和测压阀门13均是电磁控制阀，高压阀门10和测压阀门13分别与监测计算机14电连接，通过控制监测计算机14可以实现各个阀门的自动启闭。

为了进一步保证煤芯夹持器的高压介质注入端和高压介质输出端的气密性，作为本发明的进一步改进方案，堵头6的内侧端设有小径段，环形密封垫组件还包括套接安装在堵头6的小径段上的聚四氟乙烯密封环8，聚四氟乙烯密封环8的外径尺寸与筒体2内腔的内径尺寸配合，聚四氟乙烯密封环8设置为两件，且位于内侧端的聚四氟乙烯密封环8顶靠在铜垫圈5上，两件聚四氟乙烯密封环8的相邻端面上设有“O”型密封圈安装槽、且“O”型密封圈安装槽位于聚四氟乙烯密封环8的端面圆周边缘位置，“O”型密封圈安装槽内安装“O”型密封圈7，通过挤压“O”型密封圈7达到密封效果。

Claims (10)

1.一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，包括煤芯夹持器、高压介质输入输出部分和压力测试部分；

所述的煤芯夹持器包括筒体(2)、堵头(6)和环形密封垫组件；筒体(2)是筒型结构，筒型结构沿其轴向方向的两端是高压介质注入端和高压介质输出端，筒型结构的筒型外表面上沿其轴向方向设有多个均布设置的测压口，测压口沿筒型结构的径向方向贯穿筒型结构的筒壁；堵头(6)设置为两件，两件堵头(6)分别密封固定安装在高压介质注入端和高压介质输出端上，堵头(6)沿其轴向方向上设有贯穿堵头(6)的高压介质进出通道；环形密封垫组件对应堵头(6)的数量设置为两套，环形密封垫组件设置在堵头(6)面向筒体(2)内腔的端部；

所述的高压介质输入输出部分包括高压转接头(9)、高压阀门(10)和高压介质压力容器(12)，高压转接头(9)和高压阀门(10)分别对应筒体(2)的高压介质注入端和高压介质输出端设置为两套，高压阀门(10)通过高压转接头(9)与堵头(6)的高压介质进出通道连接，高压介质压力容器(12)对应筒体(2)的高压介质注入端设置、且高压介质压力容器(12)输出口与对应筒体(2)的高压介质注入端的高压阀门(10)连接；

所述的压力测试部分包括压力传感器和监测计算机(14)；压力传感器对应筒体(2)的测压口的数量设置，压力传感器的压力输入端通过测压阀门(13)与筒体(2)的测压口连接，多个压力传感器分别与监测计算机(14)电连接。

2.根据权利要求1所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，对应筒体(2)的高压介质注入端的高压介质压力容器(12)与高压阀门(10)之间还设有增压泵(11)，高压介质压力容器(12)通过增压泵(11)与高压阀门(10)连接。

3.根据权利要求1或2所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，高压阀门(10)和测压阀门(13)均是电磁控制阀，高压阀门(10)和测压阀门(13)分别与监测计算机(14)电连接。

4.根据权利要求1或2所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，环形密封垫组件是组合密封垫结构，包括自内向外依次设置的耐高压密封耐高压密封胶涂层(3)、VITON垫圈(4)和铜垫圈(5)。

5.根据权利要求3所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，堵头(6)的内侧端设有小径段，环形密封垫组件还包括套接安装在堵头(6)的小径段上的聚四氟乙烯密封环(8)，聚四氟乙烯密封环(8)的外径尺寸与筒体(2)内腔的内径尺寸配合，聚四氟乙烯密封环(8)设置为两件、且位于内侧端的聚四氟乙烯密封环(8)顶靠在铜垫圈(5)上，两件聚四氟乙烯密封环(8)的相邻端面上设有“O”型密封圈安装槽、且“O”型密封圈安装槽位于聚四氟乙烯密封环(8)的端面圆周边缘位置，“O”型密封圈安装槽内安装“O”型密封圈(7)，通过挤压“O”型密封圈(7)达到密封效果。

6.根据权利要求1或2所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定装置，其特征在于，筒体(2)上的测压口的数量不少于5个。

7.一种高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在待测定原始煤层利用矿用钻机施工取芯钻孔，利用取芯钻杆取完整煤芯试样(1)一段，然后将煤芯试样(1)快速置入煤芯夹持器中，并通过环形密封垫组件和堵头(6)进行稳固定位，封堵堵头(6)的高压介质进出通道对煤芯试样(1)进行密闭封存以保持煤芯试样(1)的原始湿度后，测量原始煤层的原始温度并记录，然后将封装有煤芯试样(1)的筒体(2)运输至地面实验室；

b.调整地面实验室的室温至煤层原始温度并恒定后，将封装有煤芯试样(1)的筒体(2)与高压介质输入输出部分和压力测试部分安装连接，然后调节增压泵(8)的定压输出压力为针对原始煤层的高压介质设计注入压力，打开高压介质压力容器(12)和增压泵(11)，待增压泵(11)的输出压力稳定后依次开启对应高压介质注入端高压阀门(10)和对应高压介质输出端的高压阀门(10)、并控制对应高压介质输出端的高压阀门(10)的开度，设计注入压力的高压介质自筒体(2)的高压介质注入端注入煤芯试样(1)、并经筒体(2)的高压介质输出端以设定流量排出；

c.打开全部的测压阀门(13)，控制监测计算机(14)对各个压力传感器反馈的压力数值进行间歇统计并记录，并以各个测压口到高压介质注入端的距离为横坐标、以各个测压口的压力数值为纵坐标绘制散点图，利用指数函数P＝P₀－ae^-bx(其中，P为某测压口处的介质压力，P₀为设计注入压力，a和b是拟合参数，x是测压口到高压介质注入端的距离)对数据进行拟合；

d.根据拟合获得的指数函数获得介质压力P和距离x的定量关系，通过计算任一距离处的介质压力，同时根据原始煤层内部的预定有效注入压力，反推距离x，即为有效影响半径；

e.根据原始煤层高压注入介质的设计天数，对应计算获得注入天数的有效影响半径；

f.达到最大设计天数后，关闭高压介质压力容器(12)和增压泵(11)，完成测定。

8.根据权利要求7所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，其特征在于，步骤c中拟合的指数函数的方差大于90％。

9.根据权利要求7或8所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，其特征在于，步骤a中煤芯试样(1)的长度不低于2m、直径不低于5cm，且煤芯试样(1)的端面打磨平整。

10.根据权利要求7或8所述的高压介质注入钻孔有效影响半径的测定方法，其特征在于，步骤a中煤芯试样(1)是整块一体结构、或是由若干不同长度的试样段共同组成的结构，且煤芯试样(1)或试样段的端面均打磨平整。