CN111551475B - 便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，移动背带式气瓶的出气口与高压软管相连，高压软管的另一端从推块的与注气管相通，注气管依次穿过上、中两个封隔器后插入下封隔器内，且三个封隔器间隔设置，注气管介于中、下封隔器之间的管壁上开设有注气筛孔，测量管分为孔外段和孔内段，孔内段穿过上封隔器伸入上封隔器与中封隔器之间，孔外段上设置有第二截止阀、第二气体压力表和第二气体流量计，推杆的下端连接在推块的上端。同时，本发明还提供了一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的方法。能实现测试阶段到数据处理的便捷快速，且工序简单，节约成本，效率高。

Description

便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿开采中煤层渗透率的测试，具体涉及一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，同时提供一种利于该装置测得的数据建立的数学理论模型进行渗透率计算的方法。

背景技术

煤体作为一种多孔介质，具有一定的渗透性，即一定颗粒的流体可以向煤体内渗透，甚至从煤体内流过、传递到下一种介质中。煤岩层渗透性确定对于煤层可抽性的评价、瓦斯抽采钻孔的合理空间布置、钻孔合理封孔位置的确定及瓦斯抽采过程中煤层渗透性的演化等具有极其重要的实际意义和工程价值；同时，煤矿作业过程如巷道掘进所导致的煤岩体应力的重新分布、岩体破坏及裂隙圈的形成位置确定是后续巷道高效安全支护的关键。由于煤层赋存条件变化较大，即使在同一煤层中，不同地点、深度煤体的渗透率也可能有较大程度的差异，这极大地影响了对煤层瓦斯抽采效果的评估。

在煤体渗透率研究领域，有不少专家提出了实验室渗流实验方法，但这种方法存在着一定的缺陷:煤体样本的采出破坏了煤体所处的客观环境，实验室渗流实验忽略了采动影响下煤体的裂隙的动态演变过程。为了避免上述缺陷，现阶段研究方法多集中于对井下煤层原位钻孔渗透率的测定，通过在煤层瓦斯试抽采过程中进行流量和压力监测，然而由于井下条件的限制，导致测试装置整体结构复杂庞大，需要妥当放置密封室，再充入多种不同的介质，导致管路较多操作不便，未能实现操作人员可方便快速地进行移动测试。由于传统的煤层渗透率测试方式多采用在注气钻孔周围布置很多不同深度的观测钻孔，施工量大耗时耗力，测试所需设备很多占用空间大，不便于在井下操作。一般情况下，经过测试得到的数据需通过公式计算获得煤层渗透率。由于需要多组经过不同压力条件下所得到的流速数据，才能获得准确的渗透率，故计算时间过长，不能在短时间内得到渗透率的准确数值。

发明内容

本发明旨在提供一种钻孔原位测试煤层渗透率的装置，结合煤岩体渗透率原位测试理论模型，能实现测试阶段到数据处理的便捷快速，且工序简单，节约成本，效率高。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，包括移动背带式气瓶、高压软管、封隔器、推杆、推块、注气管和测量管，所述移动背带式气瓶配备有防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高压压力表、低压压力表，移动背带式气瓶的出气口与高压软管相连，高压软管的另一端从推块的一侧面插入并与注气管的上端相通，在高压软管上设置有第一截止阀和第一气体压力表，所述注气管依次穿过上、中两个封隔器后插入下封隔器内，且三个封隔器间隔设置，注气管介于中、下封隔器之间的管壁上开设有注气筛孔，所述测量管分为孔外段和孔内段，整体呈“L”形，孔外段从推块的另一侧面接入并与孔内段相通，孔内段穿过上封隔器伸入上封隔器与中封隔器之间，孔外段上设置有第二截止阀、第二气体压力表和第二气体流量计，所述推杆的下端连接在推块的上端。

作为上述方案的优选，所述移动背带式气瓶采用内胆碳纤维全缠绕复合铝气瓶，工作压力为30MPa。具有质量轻、强度高的特点，便于携带。

进一步优选为，所述推块供高压软管插入的侧面与供测量管孔外段接入的侧面左右相对设置。

进一步优选为，所述推块上设置有高压接头供高压软管插入。

进一步优选为，所述移动背带式气瓶配备有肩带和背带，肩带和背带由阻燃聚酯织物制成，背带采用双侧可调结构，在肩带上设有宽大弹性衬垫。

同时，本发明还提供了一种利用上述的便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置进行便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤一、试验准备：包括钻孔布置、外接气源安装和钻孔密闭气室建立；

根据现场煤矿实际情况，在岩石巷道中选区域布置若干穿层测试钻孔，穿层测试钻孔的直径与封隔器相匹配，同时记录钻孔煤层段长度；

外接气源安装包括将移动背带式气瓶与其配备的防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高压压力表、低压压力表可靠连接，以满足井下防爆要求，并检查移动背带式气瓶内气体压力是否充足，为后续试验注气做好准备；

根据现场钻孔实际情况，将高压软管、封隔器、推杆、推块、注气管、测量管、第一截止阀、第一气体压力表、第二截止阀、第二气体压力表和第二气体流量计密封连接完毕，使用推杆将三个封隔器构成的密封系统送入钻孔内预定位置，在钻孔内形成上、下两个各自独立的密封气室；

步骤二、初始压力测定；

在进行初始压力测定时，首先关闭高压软管上的第一截止阀及测量管上的第二截止阀，使得密封系统中不存在外来气体，此时观察第一气体压力表的读数则为密封气室内的初始压力；

步骤三、注入气体；

通过低压压力表控制高压软管内进气压力，打开第一截止阀，移动背带式气瓶内的气体通过高压软管进入注气管，再通过注气筛孔注入下密封气室，待下密封气室内压力稳定后，即低压压力表与第一气体压力表数值相等时，打开测量管上第二截止阀，记录此时第二气体压力表和第二气体流量计的数据；

通过控制减压器更改移动背带式气瓶的出口压力，向下密封气室内注入不同压力的气体，重复记录第二气体压力表和第二气体流量计的数据，直至完成一个钻孔大的测试记录后移动至另一钻孔重复操作，同时注意高压压力表数据，保证移动背带式气瓶内气体充足；

步骤四、数据计算；

采用煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个钻孔的渗透率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，则可得到测试区域煤层渗透率；

气体在煤层中的流动服从达西定律，运动方程为：

式中：v为气体渗流速度，k为煤层渗透率，μ为气体动力黏性，

为哈密顿算子，p为气体压力；

煤层中游离状态气体服从理想气体状态方程：

式中：p为气体压力，R为气体常数，T为煤层绝对温度，ρ为游离状态气体密度；

气体在煤层中流动的连续性方程为：

联立以上三式并考虑等温过程可得：

根据

将上式转化为径向圆柱坐标形式可得：

该式即平面气体径向流动数学模型；此时模型初始条件为：

p₀为煤层气体压力；边界条件为：

r_g为钻孔半径，p_g为钻孔内气体压力，其中p_g＞p₀；

此时引入压力函数P将其定义为：P＝p²，则径向圆柱坐标形式的平面径向气体渗流方程变为：

将其改为无因次形式为：

其中，

p_s为标准大气压力，T_s为井下环境温度，q为钻孔气体流量，h为钻孔深度；

上式在形式上与标准的热传导方程相似，热传导方程在不同条件下的解是已知，则可直接应用于该径向气体流动方程，因此，可得钻孔气体流量为：

其中：

令

通过实测气体流量数据绘制q^-1—lnt关系图，采用回归分析求得其中M和N值，其中考虑到煤层温度和井下环境温度基本一致，因此温度不再考虑；同时，令k_p＝k(p₀+p_g)则将M和N带入上述关系式从而求得其具体数值，随后结合现场实测的p₀和p_g值，即可得煤层渗透率

式中：p₀为煤层气体压力，

为煤层孔隙度，r为气体流动边界半径。

本发明的有益效果：

(1)采用移动背带式气瓶，并配备防爆气瓶阀、安全阀、减压器、高压压力表、低压压力表，便于携带，安全性能好，实现测试气源根据工程实际进行定点便捷移动，实现对不同钻孔点快速测试，相比实验室测量更科学合理；

(2)在同一钻孔内通过注气管串联三个封隔器，形成两个密封气室，上密封气室用于布置测量管的进气端，下密封气室用于注入气体，注入的气体通过煤层渗透后才能进入上密封气室，通过同一钻孔既能实现注气，又能实现气体检测，不需要再单独开设用于检测气体渗透的孔，并省去重新设定密封气室的时间，结构设计巧妙，测量效果高；

(3)推杆将密封系统送入钻孔的同时，也将注气管、测量管同步送入钻孔内，将注气、密封也测量记录有效连接成一体，从而实现密封与解封的无损切换，能更准确的获得煤层渗透率，从而预测煤层瓦斯抽采效率；

(4)本装置结合煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个钻孔的渗透率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，则可得到测试区域煤层渗透率，从而实现测试阶段到分析研究阶段的便捷快速、工序简单，且节约成本。

附图说明

图1为便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置在钻孔内的安装示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，如图1所示，主要由移动背带式气瓶1、防爆气瓶阀2、安全阀3、减压器4、高压压力表5、低压压力表6、高压软管7、封隔器8、推杆9、推块10、注气管11、测量管12、第一截止阀13、第一气体压力表14、第二截止阀15、第二气体压力表16、第二气体流量计17、高压接头18、肩带19和背带20组成。

移动背带式气瓶1配备有防爆气瓶阀2、安全阀3、减压器4、高压压力表5、低压压力表6，以确保携带方便，且安全可靠。移动背带式气瓶1最好采用内胆碳纤维全缠绕复合铝气瓶，工作压力为30MPa，重量轻，强度高。移动背带式气瓶1还配备有肩带19和背带20，可根据人体工程学安装，肩带19和背带20由阻燃聚酯织物制成，背带20采用双侧可调结构，使重量落于腰胯部位，减轻肩带对胸部的压迫，使呼吸顺畅，在肩带19上设有宽大弹性衬垫，减轻对肩的压迫。

减压器4的高压腔与移动背带式气瓶1连接，低压腔为气体出口，并通往使用系统。正确的将减压器4安装在防爆气瓶阀2上，高压压力表5的示值为移动背带式气瓶1内贮存气体的压力，低压压力表6的出口压力可由调节螺杆控制，实现精准控制、实时调节测试压力。安全阀3是维护减压器4安全使用的卸压装置和减压器出现故障的信号装置，当输出压力由于活门密封垫、阀座损坏或其他原因自行上升到超过额定输出压力的1.3倍至2倍时，安全阀会自动打开排气，当压力降到许用值时，则会自动关闭。

移动背带式气瓶1的出气口与高压软管7相连，高压软管7的另一端从推块10的一侧面插入并与注气管11的上端相通。最好是，推块10上设置有高压接头18供高压软管7插入，便于快速装拆。

在高压软管7上设置有第一截止阀13和第一气体压力表14，注气管11依次穿过上、中两个封隔器8后插入下封隔器8内，且三个封隔器8间隔设置，即通过注气管11将三个封隔器8串联起来。

注气管11介于中、下封隔器8之间的管壁上开设有注气筛孔11a，注气筛孔11a由开设在管壁上的若干小孔构成。测量管12分为孔外段和孔内段，整体呈“L”形，孔外段从推块10的另一侧面接入并与孔内段相通，孔内段穿过上封隔器8伸入上封隔器8与中封隔器8之间。最好是，推块10供高压软管7插入的侧面与供测量管12孔外段接入的侧面左右相对设置，高压软管7和测量管12错开推块10上面设置，避免影响推杆9操作。测量管12的孔外段上设置有第二截止阀15、第二气体压力表16和第二气体流量计17，推杆9的下端连接在推块10的上端，推杆9通过推块10将封隔器8推入煤层21的钻孔内。

一种上述的便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置进行便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的方法，包括以下步骤：

步骤一、试验准备：包括钻孔布置、外接气源安装和钻孔密闭气室建立；

根据现场煤矿实际情况，在岩石巷道中选区域布置若干穿层测试钻孔，穿层测试钻孔的直径与封隔器8相匹配，同时记录钻孔煤层段长度。

外接气源安装包括将移动背带式气瓶1与其配备的防爆气瓶阀2、安全阀3、减压器4、高压压力表5、低压压力表6可靠连接，以满足井下防爆要求，并检查移动背带式气瓶1内气体压力是否充足，为后续试验注气做好准备。

根据现场钻孔实际情况，将高压软管7、封隔器8、推杆9、推块10、注气管11、测量管12、第一截止阀13、第一气体压力表14、第二截止阀15、第二气体压力表16和第二气体流量计17密封连接完毕，使用推杆9将三个封隔器8构成的密封系统送入钻孔内预定位置，在钻孔内形成上、下两个各自独立的密封气室。上密封气室用于布置测量管的进气端，下密封气室用于注入气体，注入的气体通过煤层渗透后才能进入上密封气室，通过同一钻孔既能实现注气，又能实现气体检测，不需要再单独开设用于检测气体渗透的孔，结构设计巧妙，效果高。

步骤二、初始压力测定；

在进行初始压力测定时，首先关闭高压软管7上的第一截止阀13及测量管12上的第二截止阀15，使得密封系统中不存在外来气体，此时观察第一气体压力表14的读数则为密封气室内的初始压力。

步骤三、注入气体；

通过低压压力表6控制高压软管7内进气压力，打开第一截止阀13，移动背带式气瓶1内的气体通过高压软管7进入注气管11，再通过注气筛孔11a注入下密封气室，待下密封气室内压力稳定后，即低压压力表6与第一气体压力表14数值相等时，打开测量管12上第二截止阀15，记录此时第二气体压力表16和第二气体流量计17的数据；

通过控制减压器4更改移动背带式气瓶1的出口压力，向下密封气室内注入不同压力的气体，重复记录第二气体压力表16和第二气体流量计17的数据，直至完成一个钻孔大的测试记录后移动至另一钻孔重复操作，同时注意高压压力表5数据，保证移动背带式气瓶1内气体充足；

步骤四、数据计算；

采用煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个钻孔的渗透率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，则可得到测试区域煤层渗透率。

气体在煤层中的流动服从达西定律，运动方程为：

式中：v为气体渗流速度，k为煤层渗透率，μ为气体动力黏性，

为哈密顿算子，p为气体压力；

煤层中游离状态气体服从理想气体状态方程：

式中：p为气体压力，R为气体常数，T为煤层绝对温度，ρ为游离状态气体密度；

气体在煤层中流动的连续性方程为：

联立以上三式并考虑等温过程可得：

根据

将上式转化为径向圆柱坐标形式可得：

该式即平面气体径向流动数学模型；此时模型初始条件为：

p₀为煤层气体压力；边界条件为：

r_g为钻孔半径，p_g为钻孔内气体压力，其中p_g＞p₀；

此时引入压力函数P将其定义为：P＝p²，则径向圆柱坐标形式的平面径向气体渗流方程变为：

将其改为无因次形式为：

其中，

p_s为标准大气压力，T_s为井下环境温度，q为钻孔气体流量，h为钻孔深度；

上式在形式上与标准的热传导方程相似，热传导方程在不同条件下的解是已知，则可直接应用于该径向气体流动方程，因此，可得钻孔气体流量为：

其中：

令

通过实测气体流量数据绘制q^-1—lnt关系图，采用回归分析求得其中M和N值，其中考虑到煤层温度和井下环境温度基本一致，因此温度不再考虑；同时，令k_p＝k(p₀+p_g)则将M和N带入上述关系式从而求得其具体数值，随后结合现场实测的p₀和p_g值，即可得煤层渗透率

式中：p₀为煤层气体压力，

为煤层孔隙度，r为气体流动边界半径。

所述煤岩体渗透率原位测试理论模型，通过建立平面气体径向流动数学模型与标准的热传导方程相结合后，将实测的钻孔气体流量数据绘成q^-1—lnt关系图，利用直线段回归分析求得M和N，然后将M和N带入上述关系式从而求得k_p，结合现场实测的p₀和p_g值，即可求得煤层渗透率。

Claims (2)

1.一种便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置，其特征在于：包括移动背带式气瓶(1)、高压软管(7)、封隔器(8)、推杆(9)、推块(10)、注气管(11)和测量管(12)，所述移动背带式气瓶(1)配备有防爆气瓶阀(2)、安全阀(3)、减压器(4)、高压压力表(5)、低压压力表(6)，移动背带式气瓶(1)的出气口与高压软管(7)相连，高压软管(7)的另一端从推块(10)的一侧面插入并与注气管(11)的上端相通，在高压软管(7)上设置有第一截止阀(13)和第一气体压力表(14)，所述注气管(11)依次穿过上、中两个封隔器(8)后插入下封隔器(8)内，且三个封隔器(8)间隔设置，注气管(11)介于中、下封隔器(8)之间的管壁上开设有注气筛孔(11a)，所述测量管(12)分为孔外段和孔内段，整体呈“L”形，孔外段从推块(10)的另一侧面接入并与孔内段相通，孔内段穿过上封隔器(8)伸入上封隔器(8)与中封隔器(8)之间，孔外段上设置有第二截止阀(15)、第二气体压力表(16)和气体流量计(17)，所述推杆(9)的下端连接在推块(10)的上端；

所述移动背带式气瓶(1)采用内胆碳纤维全缠绕复合铝气瓶，工作压力为30MPa；

所述推块(10)供高压软管(7)插入的侧面与供测量管(12)孔外段接入的侧面左右相对设置；

所述推块(10)上设置有高压接头(18)供高压软管(7)插入；

所述移动背带式气瓶(1)配备有肩带(19)和背带(20)，肩带(19)和背带(20)由阻燃聚酯织物制成，背带(20)采用双侧可调结构，在肩带(19)上设有宽大弹性衬垫。

2.一种利用权利要求1所述的便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的装置进行便携式穿层钻孔原位快速测试煤层渗透率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、试验准备：包括钻孔布置、外接气源安装和钻孔密闭气室建立；

根据现场煤矿实际情况，在岩石巷道中选区域布置若干穿层测试钻孔，穿层测试钻孔的直径与封隔器(8)相匹配，同时记录钻孔煤层段长度；

外接气源安装包括将移动背带式气瓶(1)与其配备的防爆气瓶阀(2)、安全阀(3)、减压器(4)、高压压力表(5)、低压压力表(6)可靠连接，以满足井下防爆要求，并检查移动背带式气瓶(1)内气体压力是否充足，为后续试验注气做好准备；

根据现场钻孔实际情况，将高压软管(7)、封隔器(8)、推杆(9)、推块(10)、注气管(11)、测量管(12)、第一截止阀(13)、第一气体压力表(14)、第二截止阀(15)、第二气体压力表(16)和气体流量计(17)密封连接完毕，使用推杆(9)将三个封隔器(8)构成的密封系统送入钻孔内预定位置，在钻孔内形成上、下两个各自独立的密封气室；

步骤二、初始压力测定；

在进行初始压力测定时，首先关闭高压软管(7)上的第一截止阀(13)及测量管(12)上的第二截止阀(15)，使得密封系统中不存在外来气体，此时观察第一气体压力表(14)的读数则为密封气室内的初始压力；

步骤三、注入气体；

通过低压压力表(6)控制高压软管(7)内进气压力，打开第一截止阀(13)，移动背带式气瓶(1)内的气体通过高压软管(7)进入注气管(11)，再通过注气筛孔(11a)注入下密封气室，待下密封气室内压力稳定后，即低压压力表(6)与第一气体压力表(14)数值相等时，打开测量管(12)上第二截止阀(15)，记录此时第二气体压力表(16)和气体流量计(17)的数据；

通过控制减压器(4)更改移动背带式气瓶(1)的出口压力，向下密封气室内注入不同压力的气体，重复记录第二气体压力表(16)和气体流量计(17)的数据，直至完成一个钻孔大的测试记录后移动至另一钻孔重复操作，同时注意高压压力表(5)数据，保证移动背带式气瓶(1)内气体充足；

步骤四、数据计算；

采用煤岩体渗透率原位测试理论模型，根据实测数据得到此区域每个钻孔的渗透率，再结合此区域所有钻孔的渗透率进行平均值计算，最后得到测试区域煤层渗透率；

气体在煤层中的流动服从达西定律，运动方程为：

式中：v为气体渗流速度，k为煤层渗透率，μ为气体动力黏性，

为哈密顿算子，p为气体压力；

煤层中游离状态气体服从理想气体状态方程：

式中：p为气体压力，R为气体常数，T为煤层绝对温度，ρ为游离状态气体密度；

气体在煤层中流动的连续性方程为：

联立以上三式并考虑等温过程可得：

根据

将上式转化为径向圆柱坐标形式可得：

该式即平面气体径向流动数学模型；此时模型初始条件为：

p₀为煤层气体压力；边界条件为：

r_g为钻孔半径，p_g为钻孔内气体压力，其中p_g＞p₀；

此时引入压力函数P将其定义为：P＝p²，则径向圆柱坐标形式的平面径向气体渗流方程变为：

将其改为无因次形式为：

其中，

p_s为标准大气压力，T_s为井下环境温度，q为钻孔气体流量，h为钻孔深度；

上式在形式上与标准的热传导方程相似，热传导方程在不同条件下的解是已知，则可直接应用于该径向气体流动方程，因此，可得钻孔气体流量为：

其中：

令

通过实测气体流量数据绘制q^-1-lnt关系图，采用回归分析求得其中M和N值，其中考虑到煤层温度和井下环境温度基本一致，因此温度不再考虑；同时，令k_p＝k(p₀+p_g)则将M和N带入上述关系式从而求得其具体数值，随后结合现场实测的p₀和p_g值，即可得煤层渗透率

式中：p₀为煤层气体压力，

为煤层孔隙度，r为气体流动边界半径。

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