CN113266347B - 一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置及方法，属于煤炭开采及煤矿安全技术领域，包括设置于钻杆前端且具有中心孔的钻进机构，钻进机构内设有随钻密封取样机构和测量组件，随钻密封取样机构的后端设有随钻封孔器和中心孔封孔机构以将近钻头涌出的瓦斯封堵在钻头附近，测量组件包括测量组件包括分别用于测量随钻密封取样机构所采集煤样瓦斯解吸量和钻头瓦斯涌出量的瓦斯解吸量压力传感器和瓦斯涌出量压力传感器。本发明实现了近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量的随钻随测，极大地提高了瓦斯参数测量效率。
Description
技术领域
本发明属于煤炭开采及煤矿安全技术领域，涉及一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置及方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是在地应力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤、岩和瓦斯由煤体或岩体内突然向采掘空间抛出的异常动力现象，对于煤矿生产来说是一种强大的自然灾害，严重威胁着煤矿的安全生产。此外，瓦斯是一种清洁的非常规能源，我国煤层瓦斯储量丰富，加强煤层瓦斯利用，对增加清洁能源供应、确保2030年前实现碳达峰具有重要的意义。
煤层瓦斯含量和钻孔瓦斯涌出量是防治煤与瓦斯突出的核心基础参数之一，煤层瓦斯含量和钻孔瓦斯涌出量准确高效地测量是保证煤矿安全生产和提高煤层瓦斯利用效率的基础。但目前还没有适合煤矿井下高效准确测量煤层瓦斯含量和近钻头瓦斯涌出量的方法或装备。例如中国专利《随钻煤层密封取样装置》(专利号：ZL201910936133.2)公开了一种随钻煤层密封取样装置，但该装置也未能解决瓦斯涌出量随钻随测的问题。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置及方法，以实现近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量的随钻随测。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括设置于钻杆前端且具有中心孔的钻进机构，钻进机构内设有随钻密封取样机构和测量组件，随钻密封取样机构的后端设有随钻封孔器和中心孔封孔机构以将近钻头涌出的瓦斯封堵在钻头附近，测量组件包括测量组件包括分别用于测量随钻密封取样机构所采集煤样瓦斯解吸量和钻头瓦斯涌出量的瓦斯解吸量压力传感器和瓦斯涌出量压力传感器。
可选地，所述瓦斯涌出量压力传感器的测量端位于由随钻密封取样机构的活塞、随钻密封取样机构的煤样筒后端盖和钻进机构围成的空腔内，且钻进机构对应于该空腔的位置开设有与煤层钻孔连通的进气孔。
可选地，所述钻杆为具有环形空间的双壁钻杆，钻杆靠近钻进机构的一端设有中心孔封孔机构，中心孔封孔机构安装在钻杆的中空部位，钻杆对应于中心孔封孔机构的位置设有随钻封孔器。
可选地，所述中心孔封孔机构为三通道的柱塞式结构，包括开设有柱塞腔体的接头本体和设置在柱塞腔体内的柱塞，接头本体上开设有连通钻杆环形空间和柱塞腔体的环形空间高压水通道、连通钻杆中心孔与柱塞腔体的中心高低压水进水通道、连通钻杆中心孔与柱塞腔体的中心高低压水出水通道，柱塞在与钻杆环形空间连通的环形空间高压水通道内的水压作用下向中心高低压水进水通道移动以封堵钻杆中心孔。
可选地，所述柱塞包括呈球形的限位段和呈柱形的导向段，柱塞腔体包括与导向段匹配的导向腔和具有锥段的限位腔，且锥段的下端与中心高低压水进水通道相接。
可选地，所述柱塞腔体与钻杆中心孔同轴。
可选地，所述接头本体包括上接头和下接头，以及设置在二者之间的密封圈。
可选地，所述随钻封孔器为扩张式封孔器。
一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量方法，应用上述所述的近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括以下步骤：
A.正常钻进时，从钻杆的中心孔通入低压水，低压水通过中心孔封孔机构的中心高低压水通道进入随钻密封取样机构以冷却钻头和排渣；
B.钻进到指定位置时，从钻杆的中心孔通入高压水，高压水通过中心孔封孔机构的中心高低压水通道进入随钻密封取样机构，随钻密封取样机构的取样钻头伸出，在钻机的带动下开始取样；完成取样后停止供水并停钻，钻取的煤样被密封在随钻密封取样机构中，煤样开始解吸瓦斯，瓦斯解吸量压力传感器开始测量压力变化并记录数据；
C.从钻杆的环形空间通入高压水，一部分高压水进入随钻封孔器座封，使随钻封孔器座封，密封钻孔；另一部分的高压水进入中心孔封孔机构的环形空间高压水通道，推动中心孔封孔机构密封双壁钻杆的中心孔，此时近钻头瓦斯涌出引起的近钻头附近密封腔室中的压力变化由瓦斯涌出量压力传感器测量；
D.测量一定时间后，停止向环形空间供水，随钻封孔器解封。
可选地，退钻后收集随钻密封取样机构中的煤样以进一步测量残余瓦斯含量，导出瓦斯解吸量压力传感器和瓦斯涌出量压力传感器的数据。
本发明的有益效果在于：实现了近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量的随钻随测，极大地提高了瓦斯参数的测量效率。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置的结构示意图；
图2为取样时的结构示意图；
图3为测量时的结构示意图；
图4为中心孔封孔机构的结构示意图。
附图标记：随钻密封取样机构1、随钻封孔器2、钻杆3、钻机4、高压旋转尾辨5、环形空间6、中心孔7、瓦斯解吸量压力传感器8、瓦斯涌出量压力传感器9、进气孔10、中心孔封孔机构11、下接头110、环形空间高压水通道111、中心高低压水通道112、柱塞113、上接头114。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
参阅图1～图4，一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括设置于钻杆3前端且具有中心孔7的钻进机构，钻进机构内设有随钻密封取样机构和测量组件，随钻密封取样机构的后端设有随钻封孔器2和中心孔封孔机构11以将近钻头涌出的瓦斯封堵在钻头附近，测量组件包括分别用于测量随钻密封取样机构所采集煤样瓦斯解吸量和近钻头瓦斯涌出量的瓦斯解吸量压力传感器8和瓦斯涌出量压力传感器9。
本发明通过设置随钻密封取样机构和用于测量随钻密封取样机构所采集煤样瓦斯解吸量的瓦斯解吸量压力传感器8，实现了近钻头瓦斯含量的测量；通过在随钻密封取样机构的后端设置随钻封孔器2和中心孔封孔机构11，能够在钻头附近形成密封腔室以将近钻头涌出的瓦斯封堵在钻头附近，进而利用设置在该密封腔室内的瓦斯涌出量压力传感器9可方便地测得近钻头瓦斯涌出量。由于本发明实现了近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量的随钻随测，因此极大地提高了瓦斯参数的测量效率。
优选地，瓦斯涌出量压力传感器9的测量端位于由随钻密封取样机构的活塞、随钻密封取样机构的煤样筒后端盖和钻进机构围成的空腔内，且钻进机构对应于该空腔的位置开设有与煤层钻孔连通的进气孔10。
优选地，钻杆3为具有环形空间6的双壁钻杆3，钻杆3靠近钻进机构的一端设有中心孔封孔机构11，中心孔封孔机构11安装在钻杆3的中心孔7内，钻杆3对应于中心孔封孔机构11的位置设有随钻封孔器2。
优选地，中心孔封孔机构11为三通道的柱塞式结构，包括开设有柱塞腔体的接头本体和设置在柱塞腔体内的柱塞113，接头本体上开设有连通钻杆环形空间6和柱塞腔体的环形空间高压水通道111、连通钻杆中心孔7与柱塞腔体的中心高低压水进水通道、连通钻杆中心孔7与柱塞腔体的中心高低压水出水通道，柱塞113在与钻杆环形空间6连通的环形空间高压水通道111内的水压作用下向中心高低压水进水通道移动以封堵钻杆中心孔7。
优选地，柱塞113包括呈球形的限位段和呈柱形的导向段，柱塞腔体包括与导向段匹配的导向腔和具有锥段的限位腔，且锥段的下端与中心高低压水进水通道相接。
优选地，柱塞腔体与钻杆中心孔7同轴。
优选地，接头本体包括上接头114和下接头110，以及设置在二者之间的密封圈。
优选地，随钻封孔器2为扩张式封孔器。
一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量方法，应用上述所述的近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括以下步骤：
A.正常钻进时，从钻杆3的中心孔7通入低压水，低压水通过中心孔封孔机构11的中心高低压水通道112进入随钻密封取样机构1以冷却钻头和排渣；
B.钻进到指定位置时，从钻杆3的中心孔7通入高压水，高压水通过中心孔封孔机构11的中心高低压水通道112进入随钻密封取样机构1，随钻密封取样机构1的取样钻头伸出，在钻机4的带动下开始取样；完成取样后停止供水并停钻，钻取的煤样被密封在随钻密封取样机构1中，煤样开始解吸瓦斯，瓦斯解吸量压力传感器8开始测量压力变化并记录数据；
C.从钻杆3的环形空间6通入高压水，一部分高压水进入随钻封孔器2座封，密封钻孔；另一部分的高压水进入中心孔封孔机构11的环形空间高压水通道111，推动中心孔封孔机构11密封双壁钻杆3的中心孔7，此时近钻头瓦斯涌出引起的近钻头附近密封腔室中的压力变化由瓦斯涌出量压力传感器9测量；
D.测量一定时间后，停止向环形空间6供水，随钻封孔器2解封。
优选地，退钻后收集随钻密封取样机构1中的煤样以进一步测量残余瓦斯含量，导出瓦斯解吸量压力传感器8和瓦斯涌出量压力传感器9的数据。
实施例1
一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括钻进机构、随钻密封取样机构1、随钻封孔器2、钻杆3、中心孔封孔机构11、钻机4和高压旋转尾辨5。随钻密封取样机构1中集成有瓦斯解吸量压力传感器8和瓦斯涌出量压力传感器9。随钻封孔器2安装在随钻密封取样机构1的后端。中心孔封孔机构11安装在安装有随钻封孔器2的钻杆3的中心孔7内。
中心孔封孔机构11由上接头114、下接头110和柱塞113组成，下接头110上设置有环形空间高压水通道111和中心高低压水通道112；随钻密封取样机构1与双壁钻杆3的接头处开设有进气孔10；钻杆3为双壁钻杆；瓦斯解吸量压力传感器8和瓦斯涌出量压力传感器9测量的数据在钻孔内存储，退钻后再分析；随钻封孔器2为扩张式封孔器。
实施例2
一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量方法，应用实施例1所述的近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括以下步骤：
A、正常钻进时，从钻杆3的中心孔7通入低压水，低压水通过中心孔封孔机构11的中心高低压水通道112进入随钻密封取样机构1以冷却钻头和排渣。此时，中心孔封孔机构11的柱塞113阻止低压水进入双壁钻杆3的环形空间6，随钻封孔器2不座封，随钻密封取样机构1不取样。
B、钻进到指定位置时，从钻杆3的中心孔7通入高压水，高压水通过中心孔封孔机构11的中心高低压水通道112进入随钻密封取样机构1，随钻密封取样机构1的取样钻头伸出，在钻机4的带动下开始取样。此时，中心孔封孔机构11的柱塞113阻止高压水进入双壁钻杆3的环形空间6，随钻封孔器2不座封。完成取样后停止供水并停钻，钻取的煤样被密封在随钻密封取样机构1中，煤样开始解吸瓦斯，瓦斯解吸量压力传感器8开始测量压力变化并记录数据。
C、从钻杆3的环形空间6通入高压水，一部分高压水进入随钻封孔器2，使随钻封孔器2座封，密封钻孔；另一部分的高压水进入中心孔封孔机构11的环形空间高压水通道111，推动柱塞113密封双壁钻杆3的中心通道。此时，近钻头瓦斯涌出引起近钻头附近密封腔室中的压力变化由瓦斯涌出量压力传感器9测量。
D、测量一定的时间后，停止向环形空间6供水，随钻封孔器2解封，退钻后收集随钻密封取样机构1中的煤样进一步测量残余瓦斯含量，并导出瓦斯解吸量压力传感器8和瓦斯涌出量压力传感器9的数据。
本发明在正常钻进时，从双壁钻杆3的中心孔7通入低压水，钻进到指定位置时，从双臂钻杆3的中心孔7通入高压水，随钻密封取样机构1开始取样，完成取样后停钻，从双壁钻杆3的环形空间6通入高压水，封孔器座封，密封钻孔，此时，随钻密封取样机构1的煤样瓦斯解吸量由瓦斯解吸量压力传感器8测量，近钻头瓦斯涌出量由瓦斯涌出量压力传感器9测量，完成测量后，自动保存数据，退钻后分析近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量，综合判断煤层突出危险性。本发明通过在近钻头设置随钻密封取样机构和封孔器的方式，实现了近钻头瓦斯含量和瓦斯涌出量的随钻随测，极大地提高了瓦斯参数测量效率，为实现煤层瓦斯赋存参数超前探测等技术打下了坚实的基础。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括设置于钻杆前端且具有中心孔的钻进机构，钻进机构内设有随钻密封取样机构和测量组件，其特征在于：随钻密封取样机构的后端设有随钻封孔器和中心孔封孔机构以将近钻头涌出的瓦斯封堵在钻头附近，测量组件包括测量组件包括分别用于测量随钻密封取样机构所采集煤样瓦斯解吸量和钻头瓦斯涌出量的瓦斯解吸量压力传感器和瓦斯涌出量压力传感器；
钻杆为具有环形空间的双壁钻杆，钻杆靠近钻进机构的一端设有中心孔封孔机构，中心孔封孔机构安装在钻杆的中空部位，钻杆对应于中心孔封孔机构的位置设置随钻封孔器；
中心孔封孔机构为三通道的柱塞式结构，包括开设有柱塞腔体的接头本体和设置在柱塞腔体内的柱塞，接头本体上开设有连通钻杆环形空间和柱塞腔体的环形空间高压水通道、连通钻杆中心孔与柱塞腔体的中心高低压水进水通道、连通钻杆中心孔与柱塞腔体的中心高低压水出水通道，柱塞包括呈球形的限位段和呈柱形的导向段，柱塞腔体包括与导向段匹配的导向腔和具有锥段的限位腔，且锥段的下端与中心高低压水进水通道相接，柱塞在与钻杆环形空间连通的环形空间高压水通道内的水压作用下向中心高低压水进水通道移动以封堵钻杆中心孔。
2.根据权利要求1所述的一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，其特征在于：所述瓦斯涌出量压力传感器的测量端位于由随钻密封取样机构的活塞、随钻密封取样机构的煤样筒后端盖和钻进机构围成的空腔内，且钻进机构对应于该空腔的位置开设有与煤层钻孔连通的进气孔。
3.根据权利要求1所述的一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，其特征在于：所述柱塞腔体与钻杆中心孔同轴。
4.根据权利要求1所述的一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，其特征在于：所述接头本体包括上接头和下接头，以及设置在二者之间的密封圈。
5.根据权利要求1所述的一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，其特征在于：所述随钻封孔器为扩张式封孔器。
6.一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量方法，其特征在于：应用如权利要求1～5任一所述的近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量装置，包括以下步骤：
A.正常钻进时，从钻杆的中心孔通入低压水，低压水通过中心孔封孔机构的中心高低压水通道进入随钻密封取样机构以冷却钻头和排渣；
B.钻进到指定位置时，从钻杆的中心孔通入高压水，高压水通过中心孔封孔机构的中心高低压水通道进入随钻密封取样机构，随钻密封取样机构的取样钻头伸出，在钻机的带动下开始取样；完成取样后停止供水并停钻，钻取的煤样被密封在随钻密封取样机构中，煤样开始解吸瓦斯，瓦斯解吸量压力传感器开始测量压力变化并记录数据；
C.从钻杆的环形空间通入高压水，一部分高压水进入随钻封孔器，使随钻封孔器座封，密封钻孔；另一部分的高压水进入中心孔封孔机构的环形空间高压水通道，推动中心孔封孔机构密封双壁钻杆的中心孔，此时近钻头瓦斯涌出引起的近钻头附近密封腔室中的压力变化由瓦斯涌出量压力传感器测量；
D.测量一定时间后，停止向环形空间供水，随钻封孔器解封。
7.根据权利要求6所述的一种近钻头煤层瓦斯参数随钻综合测量方法，其特征在于：退钻后收集随钻密封取样机构中的煤样以进一步测量残余瓦斯含量，导出瓦斯解吸量压力传感器和瓦斯涌出量压力传感器的数据。
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