CN111485841B - 煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法，属于煤矿安全及地质勘探技术领域，具体是涉及一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法。该装置及方法采用蓄能升压式、取心解吸一体化、多次打压式结构，解决现有取心方式存在的更换钻具期间孔底煤体的暴露而造成的瓦斯逸散，保证长距离、定点、并钻取到新鲜暴露煤心，进而提高煤层瓦斯含量测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法，属于煤矿安全及地质勘探技术领域，具体是涉及一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法。
背景技术
瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治、瓦斯资源评价和开发等相关领域的重要基础参数。瓦斯含量包括损失气量、解吸气量和残余气量。目前，解吸气量和残余气量均可实测获得，而损失气量只能通过煤心初期解吸规律推算获得，煤心暴露时间越长，损失气量估算越不准确。《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》标准中规定：瓦斯含量测定的煤样从暴露到被装入煤样罐密封所用的实际时间，不应超过5min。但在煤矿工程实际中，钻孔长距离瓦斯含量样品采样时间均远大于5min，其瓦斯含量测定的结果往往与实际值相差较大，给煤矿安全生产和瓦斯资源的勘探开发造成误判。
煤心暴露时间与煤心采取方式密切相关，现有采取方式包括敞开式岩心管取样、孔口接煤、密闭取心等方式，岩心管取样煤心暴露时间长，孔口接煤存在煤心暴露时间长、无法定点等问题；目前的密闭取心装置及测试方法采用钻孔施工—退出钻具—送入取心装置—取心钻进—投球—关闭阀门—退出取心装置—取出取心内筒—现场解吸等工艺流程，退钻杆及输送取心装置期间，钻孔一直处于非保压状态，孔底原位煤体长时间暴露于空气或无压水中而逸散瓦斯，导致后面钻取到的煤心为非新鲜揭露，造成无法精确获取原位瓦斯信息。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
本发明主要的目的是解决现有技术中所存在的上述的技术问题，提供了一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及方法。该装置及方法是采用蓄能升压式、取心解吸一体化、多次打压式结构，解决现有取心方式存在的更换钻具期间煤体的暴露而造成的瓦斯逸散，保证长距离、定点、并钻取到新鲜暴露煤心，进而提高煤层瓦斯含量测试精度。多次打压式结构是指原位密闭取心装置内设计的打压装置可实现两次打压，继而实现取心内筒的两次下行。蓄能升压式，即封堵球封堵水路，活塞与钻杆内部形成密封缸，由持续泵注液体产生高压，此高压最大值由动力剪切销钉决定，动力剪切销如被剪断，则活塞及推动机构下行直至泄压。取心解吸一体化是指取心内筒既作为取煤器，又可直接用于瓦斯含量测定，无需倒罐。
为解决上述问题，本发明的方案是：
与现有方法相比，本发明的煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置及长距离定点原位密闭取心方法具有如下效果：
本发明的原位密闭取心装置在进入孔底后先开启无心钻进，取心装置不收集煤心，钻进至设计取心点时，通过第一次打压开启取心装置内球阀，取心装置收集煤心，之后通过第二次打压使得原位密闭取心装置内球阀关闭，通过密闭取心装置无心钻进与取心钻进切换工艺，解决现有取心方式存在的更换钻具期间孔底煤体的暴露而造成的瓦斯逸散，保证钻取到新鲜暴露煤心，使瓦斯含量测值更真实、更准确。
本发明首次提出直接推动取心内筒下行的方式，取消推动筒，优化装置内部结构，在不减少取心内筒容积的情况下，缩小密闭取心装置体积，满足小孔径取心钻孔需求，实现了装置的小型化、便携化。
附图说明
并入本文并形成说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例，并且附图与说明书一起进一步用于解释本发明的原理以及使得所属领域技术人员能够制作和使用本公开。
图1为本发明的煤矿井下长距离定点原位密闭取心方法的示意图。
图2为本发明的煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置的示意图。
附图中，1-上悬挂；2-二级封堵球；3-多级封堵球座；4-二级活塞；5-一级封堵球；6-一级活塞；7-泄压口；8-取心外筒；9-解吸阀；10-取心内筒；11-剪切球阀；12-齿轮齿条机构；13-推动环；14-取心钻头；15-钻头水眼；16-球座水眼；17-一级动力销钉；18-二级动力销钉；19-解吸阀触板；20-小断面球座；21-大断面球座；22-球座水眼(大)。
将参照附图描述本发明的实施例。
具体实施方式
实施例
现有技术中的取心方法获取不到新鲜暴露煤心而导致的无法获取原位瓦斯信息的问题，造成这种问题的原因在于现有取心方法在无心钻进至取心点时均需要退出孔内所有钻杆，然后再安装取心装置，之后将取心装置送至孔内才开始取心钻进，这一过程往往消耗很长时间，特别是长钻孔中更为严重，在这段时间里，孔底待取的煤心暴露于空气或者无压水中，煤心瓦斯大量逸散，导致后期测定的煤心瓦斯信息不准确。
本实施例将退钻杆和换装取心装置的时间提前至无心钻进阶段，在取心点前一段距离即完成换装取心装置的步骤，然后首先开启无心钻进，钻进至取心点时变换为取心钻进。本实施例的关键在于如何实现孔内取心装置的无心钻进和取心钻进的切换，这就需要满足二次打压的原位密闭取心装置的研制。
图1和图2，显示了本发明的煤矿井下长距离定点原位密闭取心方法和矿井下长距离定点原位密闭取心装置结构示意。下面将结合附图1-2对本实施例进一步说明。
如图2所示，本实施例的矿井下长距离定点原位密闭取心装置包括：取心外筒8，其一端与取心钻头14连接，另一端与上悬挂1外露部分连接，取心外筒8内设置有取心内筒10及打压装置；其中，取心内筒10的上端设置有一解吸阀9，该解吸阀9与打压装置相连，其下端设置有剪切球阀11，该剪切球阀11连接齿轮齿条机构12并在该齿轮齿条机构12的驱动下开启或关闭。
如图2所示，齿轮齿条机构12接触一接推动环13，该推动环13与取心钻头14内台阶接触，所述齿轮齿条组件机构12随取心内筒10向下运动而接触推动环13进而带动剪切球阀11打开或关闭；
如图2所示，上悬挂1位于取心外筒8内部分设置有一解吸阀触板19，所述取心内筒10上的解吸阀9在随取心内筒10移动过程中接触解吸阀触板19时，能被所述解吸阀触板19反向推动关闭。
如图2所示，所述打压装置包括多级封堵球座3、所述多级封堵球座3外表面设计一级活塞6和二级活塞4，所述多级封堵球座3上开有球座水眼16，所述多级封堵球座3内的通道断面大小不等，一级封堵球5可座入小断面球座20处，二级封堵球2可座入大断面球座21处。
如图2所示，本实施例中的上悬挂1一端可与钻杆连接，上悬挂1上设计有泄压口7、一级动力销钉17、二级动力销钉18和解吸阀触板19。其中，所述一级动力销钉17、二级动力销钉18将上悬挂1与多级封堵球座3相连。
本实施例取消了推动筒，将推动筒上的触板分别设置于上悬挂的末端和取心内筒的推动环上，采用活塞缸直接推动取心内筒下行，取心内筒上的解吸阀和球阀把手分别与各触板接触并受反向推动而动作。取消推动筒的目的是可缩小原位密闭取心装置体积，扩大装置内过液间隙，并使结构简化。
如图1所示，本实施例的所述煤矿井下长距离定点原位密闭取心方法包括如下步骤：
步骤一：根据取心区域地质特征和取心测试目的，开展钻孔孔位、孔径、目标层深度，钻孔轨迹和取样数量等设计；孔径需根据原位密闭取心装置外径和钻头尺寸确定，钻孔应尽量保持平直，尽量避免开分支孔；
步骤二：采用定向长钻孔钻探设备，严格按设计参数施工取心钻孔，准确测量钻孔轨迹，必然时采取纠偏措施，钻进至取心点前一定距离停钻，冲洗干净钻孔并退出孔内所有钻具；
步骤三：安装密闭取心装置于取心钻杆最前端，由逐根连接的取心钻杆将密闭取心装置输送至孔底，开启无心钻进，钻进至设计取心点后停钻；
步骤四：实施第一次注水打压，打开取心内筒前端球阀；
其中步骤四还包括如下子步骤：
卸开钻杆后的水辫，由钻杆内部投放一级封堵球5；连接好钻杆后的水辫，开启泥浆泵，将一级封堵球5压入多级封堵球座(3)的小截面球座(20)并封堵水路；继续泵注加压，压力升高至剪断一级动力销钉(17)，多级封堵球座(3)及活塞(4，6)整体下行接触并推动取心内筒(10)下行，推动环(13)与钻头内台阶接触并反向推动齿轮齿条机构(12)，旋转打开剪切球阀(11)，当一级活塞(6)下行至泄压口(7)时，高压水由泄压口(7)通过并由取心内筒(10)和取心外筒(8)间隙及取心钻头水眼(15)流出，压力骤降，运动停止，完成第一次动作，剪切球阀(11)完全开启。解吸阀(9)因行程不足未接触解吸阀触板(19)，因此仍处于开启状态。
步骤五：开启钻机取心钻进，直至完成设计的取心进尺，宜根据煤层坚硬程度选择钻速和钻压；
步骤六：实施第二次注水打压，关闭取心内筒前端球阀和后端解吸阀；
其中步骤六还包括如下子步骤：
卸开钻杆后的水辫，由钻杆内部投放二级封堵球(2)，高压水将二级封堵球(2)冲入多级封堵球座(3)的大截面球座(21)并封堵水路，继续泵注加压，压力升高至剪断二级动力销钉(18)，多级封堵球座(3)及活塞(4，6)整体下行接触并推动取心内筒(10)下行，推动环(13)与钻头内台阶接触并反向推动齿轮齿条机构(12)，旋转剪切球阀(11)，当二级活塞(4)下行至泄压口(7)时，高压水由泄压口(7)通过并由取心内筒(10)和取心外筒(8)的间隙及取心钻头水眼(15)流出，压力骤降，运动停止，完成第二次动作，剪切球阀(11)完全关闭，此过程中解吸阀(9)因接触解吸阀触板(19)而旋转关闭。
步骤七：停泵，退出孔内所有钻具，回收密闭取心装置，取出密闭取心内筒，检查密闭效果，密闭合格，进行下一步，若气密性不合格，返回步骤二；
步骤八：将取心内筒与解吸仪连接，进行现场煤层瓦斯含量解吸测试；若单孔设计多个取样点，重复步骤二至步骤七，对多个取样点进行原位密闭取心。
本实施例中，发明是在距离取心点前一段退钻杆，然后再将孔外组成好的密闭取心装置送入孔底，首先开启无心钻进，此时因密闭取心内筒球阀关闭煤心无法进入取心内筒，煤渣由钻井液排出孔外；待无心钻进至取心点时，通过一次打压实现密闭取心内筒开启，继续钻进，此时因密闭取心内筒开启，煤心顺利进入内筒。这样做的目的是，解决所取的煤心因退钻杆及输送取心装置期间所造成的长时间瓦斯逸散。
本实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
注意到，说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”、“一些实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这样的短语不必指代同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，结合其他实施例来实现这样的特征、结构或特性将在所属领域的技术人员的知识范围内。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (8)
1.一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，包括：
取心内筒(10)；
打压装置，与所述取心内筒(10)相连，其包括：上悬挂(1)、位于所述上悬挂(1)内的多级封堵球座(3)，所述多级封堵球座(3)与上悬挂(1)之间设置至少两个活塞结构，各活塞结构所在位置处的多级封堵球座(3)的通道具有不同的横截面积；
泄压口(7)，位于所述上悬挂上并在各级活塞结构行程范围之内；
其中，所述活塞结构是位于所述多级封堵球座(3)与所述上悬挂之间的密封环。
2.根据权利要求1所述一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，所述多级封堵球座(3)内腔包括截面不同的两个通道，每个通道的入口处设置有用于座入封堵球的球座结构。
3.根据权利要求1所述一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，所述多级封堵球座(3)在相邻活塞结构之间设置有球座水眼(22)。
4.根据权利要求1所述一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，所述上悬挂(1)上设置有多个动力销钉，所述动力销钉用于在其受力范围内限定所述多级封堵球座(3)前进。
5.根据权利要求1所述一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，所述上悬挂(1)的一端固定设置解吸阀触板(19)，所述取心内筒(10)上的解吸阀(9)在随取心内筒(10)的行程中接触解吸阀触板(19)并被反向推动关闭。
6.根据权利要求1所述一种煤矿井下长距离定点原位密闭取心装置，其特征在于，在所述取心内筒(10)设置有一受齿轮齿条组件机构(12)驱动的剪切球阀(11)，所述取心内筒(10)前进方向设置有一推动环(13)，所述齿轮齿条组件机构(12)随所述取心内筒(10)运动而接触所述推动环(13)进而带动所述剪切球阀(11)打开或关闭。
7.一种利用权利要求1所述的密闭取心装置进行取心的方法，其特征在于，包括：利用截面积不同的封堵体分别封堵多级封堵球座(3)中横截面积不同的腔体以进行多次打压；
包括：
将多级封堵球座(3)中横截面积较小的通道封堵以进行第一次打压，所述第一次打压驱动所述取心内筒移动并打开其前端球阀；
将多级封堵球座(3)中横截面积较大的通道封堵以进行第二次打压，所述第二次打压驱动所述取心内筒移动以关闭其前端球阀和后端解吸阀。
8.根据权利要求7所述的取心的方法，其特征在于，包括：
步骤一：根据取心区域地质特征和取心测试目的，开展钻孔孔位、孔径、目标层深度，钻孔轨迹和取样数量等设计；孔径需根据原位密闭取心装置外径和钻头尺寸确定，钻孔应尽量保持平直，尽量避免开分支孔；
步骤二：采用定向长钻孔钻探设备，严格按设计参数施工取心钻孔，准确测量钻孔轨迹，必然时采取纠偏措施，钻进至取心点前一定距离停钻，冲洗干净钻孔并退出孔内所有钻具；
步骤三：安装密闭取心装置于取心钻杆最前端，由逐根连接的取心钻杆将密闭取心装置输送至孔底，开启无心钻进，钻进至设计取心点后停钻；
步骤四：实施第一次注水打压，打开取心内筒前端球阀；
步骤五：开启钻机取心钻进，直至完成设计的取心进尺，宜根据煤层坚硬程度选择钻速和钻压；
步骤六：实施第二次注水打压，关闭取心内筒前端球阀和后端解吸阀。
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