CN114382468A - 一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，采用的核磁探测及瓦斯抽采一体化装置，在形成的穿层钻孔后续进行瓦斯抽采的同时，还能进行核磁共振的数据监测，通过实时的数据监测能对瓦斯抽采情况进行协同控制；另外通过对穿层钻孔采用胶囊封孔器进行保压密封处理，并且该一体化装置能在封闭空间内移动及其具备的呈球体结构的三维磁线分布，通过射频设备向处于三维磁场范围内的介质发射射频脉冲，将介质中的质子由低能级跃迁到高能级，通过天线的接收数据，从而实现该封闭空间所处煤层周围的瓦斯含量及压力的快速无损、原位精准监测，并能获得钻孔周围煤层的孔隙结构数据，最终根据获得的数据确定煤层瓦斯储集条件评判指标。

Description

一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法
技术领域
本发明涉及一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，尤其适用于厚煤层多态瓦斯的精准探测及煤层瓦斯的储集条件评估工作。
背景技术
煤层普遍具有孔隙度较低、非均质性较强、双重孔隙结构、割理发育且易碎及瓦斯气体赋存状态多样化等特点，其中，煤储层的典型特点之一是煤层气呈游离态、吸附态、孔束缚态和水溶态等多种状态赋存。评判煤层瓦斯储层好坏，重点在于煤层基质孔隙、割理孔隙、含气量及渗透率等关键参数。
另外煤层强度较低可造成钻孔垮塌、气体响应不够明显等显著问题，常规测试仪器不能准确测量煤层真实信息，因此通常需要在仪器探头、贴进钻孔壁方式等方面进行特殊设计，使仪器探头能够靠近煤层，实现钻孔破坏时的数据采集；由于煤层密度很低，接近密度测试法仪器下限，导致密度测试仪器误差偏大，需要调整密度测试仪器的测量范围；含气量测量目前主要利用煤自然解吸测量，装备测量误差普遍较大，难于满足研究需求。常规煤体吸附测试方法为体积法和重量法，通过计算体积或重量来确定煤的瓦斯吸附量。由于体积与质量受计量装置及环境的影响较大，大幅限制了测量精度，且无法定量分析煤体中的多态瓦斯。
核磁共振技术目前用来在实验室中对获取的煤样进行测试，进而根据对煤样的测试结果可以用来评价所取煤样孔隙度、束缚水饱和度、渗透率、孔径分布及流体类型等丰富的数据信息，进而推测出该煤样周围煤层的地质数据，核磁共振技术(NMR)主要测量煤样中H核在磁场中的响应，煤样中有机质、气体和水中都含有大量H核，由于有机质中H核弛豫时间短，不能被观测到，核磁共振技术(NMR)测试得到的信息主要来自于气体和水的信息，从而可以用来计算孔隙度和流体信息，并在煤层瓦斯储层评价中计算孔隙度、孔径分布和渗透率等方面取得明显效果，且核磁共振测试能够提供与骨架无关的地层流体信息，但是目前核磁共振技术设备体积较大，都是将煤样获取后在实验室内进行核磁测试，进而根据煤样获得的数据对煤样周围的煤层信息进行推测确定；由于不能直接对煤层各个位置进行现场测试，进而不能精确获得煤层区域内的孔隙结构及流体信息，最终无法精准获得煤层内瓦斯空间分布及多态瓦斯的特征参数，因此如何提供一种方法，能实现精确获得煤层区域内的孔隙结构及流体信息，最终精准确定煤层瓦斯储集条件(即瓦斯空间分布)及多态瓦斯的特征参数，是本行业的研究方向之一。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，能实现精确获得煤层区域内的孔隙结构及流体信息，最终精准确定煤层瓦斯储集条件及多态瓦斯的特征参数。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，具体步骤为：
A、施工穿层钻孔：从底板岩巷内利用钻机向上覆煤层钻取穿层钻孔，穿层钻孔穿过上覆煤层，其最深处达到煤层顶板与岩体结合处，并在退钻过程中将穿层钻孔内的煤岩碎屑清理干净，完成穿层钻孔的钻设工作；
B、组装核磁探测及瓦斯抽采一体化装置：核磁探测及瓦斯抽采一体化装置包括核磁探头、推杆、电磁转换器、射频设备和信号处理器，核磁探头包括探头外壳、天线、环形主磁体、环形次磁体和自适应弹性垫片，环形主磁体为两个，两个环形主磁体同轴线设置在探头外壳内，且两个环形主磁体的导磁方向沿各自轴线方向，环形次磁体为多个，多个环形次磁体等间距设置在两个环形主磁体之间，且多个环形次磁体与两个环形主磁体处于同一轴线；多个环形次磁体的导磁方向为沿各自的径向方向；使环形主磁体与环形次磁体之间能形成呈球体结构的三维磁线分布；天线整体缠绕在多个环形次磁体的外圆周面上，且天线的两条引出线分别穿出探头外壳，所述天线的内芯为导电材质，外表面为绝缘材质；探头外壳内充满导磁材料，使导磁材料与天线、环形主磁体和环形次磁体均压紧接触；自适应弹性垫片为两个，两个自适应弹性垫片对称固定在探头外壳两侧，且初始状态时两个自适应弹性垫片之间的最大距离大于穿层钻孔的直径；
所述推杆一端与核磁探头下部固定连接，推杆为中空结构、且其靠近核磁探头的侧部开设多个通气孔；电磁转换器固定在推杆外侧、且电磁转换器与两条引出线连接，信号处理器和射频设备均放置在底板岩巷内，射频设备和信号处理器分别与电磁转换器之间均通过信号传输线连接，且信号传输线连接固定在推杆外侧并沿推杆轴向布设，完成核磁探测及瓦斯抽采一体化装置组装；
C、核磁探测及瓦斯抽采一体化装置布设及穿层钻孔的封孔：采用推杆将核磁探头缓慢送入至穿层钻孔处于上覆煤层的位置，由于初始状态时两个自适应弹性垫片之间的最大距离大于穿层钻孔的直径，在核磁探头进入穿层钻孔时，两个自适应弹性垫片被压缩，使两个自适应弹性垫片之间的最大距离等于穿层钻孔的直径，此时两个自适应弹性垫片的弹力增大，核磁探头在穿层钻孔内达到上覆煤层的位置时，两个自适应弹性垫片分别对穿层钻孔的孔壁压紧接触；将胶囊封孔器放入穿层钻孔并使信号传输线、推杆依次穿过胶囊封孔器并处于穿层钻孔外部，信号传输线与信号处理器连接，然后通过胶囊封孔器对钻孔进行封孔，使穿层钻孔处于上覆煤层的位置为封闭空间；
D、将处于穿层钻孔外部的推杆与瓦斯抽采管路连接，并且在连接处装有气压检测器，持续通过推杆监测封闭空间内的瓦斯压力，当封闭空间内的瓦斯压力达到煤层赋存瓦斯压力时，将布设在底板岩巷内的射频设备开启，此时该射频设备将信号经过电磁转换器后传递给天线，并通过天线从所处钻孔位置向周围的煤层发射射频脉冲，处于三维磁线分布范围内的介质在接收到该射频脉冲后，由于该射频脉冲的频率与介质的质子进动频率相同，因此射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，接着关闭射频脉冲设备，通过天线实时接收自旋回波串衰减信号，经过电磁转换器反馈给信号处理器，信号处理器进行拟合反演从而获得该封闭空间内多态瓦斯核磁弛豫谱信息，并对该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息进行统计汇总，具体过程为：根据实验室已测得当前煤层温度及当前封闭空间保压值耦合条件下吸附态、游离态瓦斯的纵向弛豫时间T1存在的差异性，对当前测得的核磁弛豫曲线进行时间段划分，计算出游离态瓦斯在瓦斯气体中的所占比重
Figure BDA0003479970510000031
进而确定封闭空间内游离态瓦斯气体浓度，并计算出游离态瓦斯气体压力值；通过核磁共振获得的横向弛豫时间T2能得出该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息；
设得出的孔隙结构信息为A，游离态瓦斯气体浓度为B，则煤层瓦斯储集条件评判指标C表示为：C＝m*A+n*B，其中，m、n分别为相关系数；进而根据该评判指标得出当前探测区域的煤层瓦斯储集条件。
进一步，所述探头外壳的外径为150mm，长度为300mm，抗压强度为30MPa，探头外壳的材质为PEEK材料。
进一步，所述环形主磁体的外直径为120mm，内直径为60mm，高度为80mm；环形次磁体外直径为100mm，内直径为60mm，高度为20mm。
进一步，所述步骤B中两个环形主磁体的N磁极相对设置；所述环形次磁体的内圆周面为S磁极、外圆周面为N磁极。
进一步，所述处于封闭空间内的推杆部分为伸缩杆结构，通过其伸缩过程能带动核磁探头对封闭空间能不同位置进行核磁共振监测。
与现有技术相比，本发明采用的核磁探测及瓦斯抽采一体化装置，一方面可实现一孔多用，即在形成的穿层钻孔后续进行瓦斯抽采的同时，还能进行核磁共振的数据监测，通过实时的数据监测能对瓦斯抽采情况进行协同控制，节省了煤层钻孔成本；另一方面通过对穿层钻孔采用胶囊封孔器进行保压密封处理，并采用本发明的核磁探测及瓦斯抽采一体化装置，在封闭空间内移动及其具备的呈球体结构的三维磁线分布，通过射频设备向处于三维磁场范围内的介质发射射频脉冲，将介质中的质子由低能级跃迁到高能级，通过天线的接收数据，从而实现该封闭空间所处煤层周围的瓦斯含量及压力的快速无损、原位精准监测，并能获得钻孔周围煤层的孔隙结构数据。通过对监测得到的核磁曲线进行时间划分，能获得游离态瓦斯和吸附态瓦斯两种不同状态瓦斯在瓦斯总体积中的占比，得出游离态瓦斯气体的浓度，最终结合游离态瓦斯气体的浓度和钻孔周围煤层的孔隙结构数据，确定煤层瓦斯储集条件评判指标。
附图说明
图1是本发明的位置布设示意图。
图2是本发明的核磁探头内部结构图。
图3是本发明的天线环绕示意图。
图4是本发明的环形主磁体结构及导磁方向示意图。
图5是本发明的环形次磁体结构及导磁方向示意图。
图6是本发明的电磁转换器结构示意图。
图7是本发明的自适应弹性垫片接触钻孔壁面示意图。
图8是本发明的推杆侧表面通气孔分布示意图。
图中：1-底板岩巷；2-上覆煤层；3-穿层钻孔；4-胶囊封孔器；5-核磁探头；6-天线；7-电磁转换器；8-信号传输线；9-信号处理器；10-探头外壳；11-推杆；12-环形主磁体；13-环形次磁体；14-自适应弹性垫片。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的具体步骤为：
A、施工穿层钻孔：从底板岩巷1内利用钻机向上覆煤层2钻取穿层钻孔3，穿层钻孔3穿过上覆煤层2，其最深处达到煤层顶板与岩体结合处，并在退钻过程中将穿层钻孔3内的煤岩碎屑清理干净，完成穿层钻孔3的钻设工作；
B、组装核磁探测及瓦斯抽采一体化装置：核磁探测及瓦斯抽采一体化装置包括核磁探头5、推杆11、电磁转换器7、射频设备和信号处理器9，核磁探头5包括探头外壳10、天线6、环形主磁体12、环形次磁体13和自适应弹性垫片14，所述探头外壳10的外径为150mm，长度为300mm，抗压强度为30MPa，探头外壳10的材质为PEEK材料，环形主磁体12的外直径为120mm，内直径为60mm，高度为80mm；环形次磁体13外直径为100mm，内直径为60mm，高度为20mm；环形主磁体12为两个，两个环形主磁体12同轴线设置在探头外壳10内，两个环形主磁体12的导磁方向沿各自轴线方向，且两个环形主磁体的N磁极相对设置；环形次磁体13为多个，多个环形次磁体13等间距设置在两个环形主磁体12之间，且多个环形次磁体13与两个环形主磁体12处于同一轴线；多个环形次磁体13的导磁方向为沿各自的径向方向；其中环形次磁体13的内圆周面为S磁极、外圆周面为N磁极，使环形主磁体12与环形次磁体13之间能形成呈球体结构的三维磁线分布；天线6整体缠绕在多个环形次磁体13的外圆周面上，且天线6的两条引出线分别穿出探头外壳10，所述天线6的内芯为导电材质，外表面为绝缘材质；探头外壳10内充满导磁材料，使导磁材料与天线6、环形主磁体12和环形次磁体13均压紧接触；自适应弹性垫片14为两个，两个自适应弹性垫片14对称固定在探头外壳10两侧，且初始状态时两个自适应弹性垫片14之间的最大距离大于穿层钻孔3的直径；
所述推杆11一端与核磁探头5下部固定连接，推杆11为中空结构、且其靠近核磁探头5的侧部开设多个通气孔；电磁转换器7固定在推杆11外侧、且电磁转换器7与两条引出线连接，信号处理器9和射频设备均放置在底板岩巷1内，射频设备和信号处理器9分别与电磁转换器7之间均通过信号传输线8连接，且信号传输线8连接固定在推杆11外侧并沿推杆11轴向布设，完成核磁探测及瓦斯抽采一体化装置组装；
C、核磁探测及瓦斯抽采一体化装置布设及穿层钻孔的封孔：采用推杆11将核磁探头5缓慢送入至穿层钻孔3处于上覆煤层2的位置，由于初始状态时两个自适应弹性垫片14之间的最大距离大于穿层钻孔3的直径，在核磁探头5进入穿层钻孔3时，两个自适应弹性垫片14被压缩，使两个自适应弹性垫片14之间的最大距离等于穿层钻孔3的直径，此时两个自适应弹性垫片14的弹力增大，核磁探头5在穿层钻孔3内达到上覆煤层2的位置时，两个自适应弹性垫片14分别对穿层钻孔3的孔壁压紧接触；将胶囊封孔器4放入穿层钻孔3并使信号传输线8、推杆11依次穿过胶囊封孔器4并处于穿层钻孔3外部，信号传输线8与信号处理器9连接，然后通过胶囊封孔器4对钻孔进行封孔，使穿层钻孔3处于上覆煤层2的位置为封闭空间；
D、将处于穿层钻孔3外部的推杆11与瓦斯抽采管路连接，并且在连接处装有气压检测器，持续通过推杆11监测封闭空间内的瓦斯压力，当封闭空间内的瓦斯压力达到煤层赋存瓦斯压力(该压力为通过现有手段获得的已知值)时，将布设在底板岩巷1内的射频设备开启，此时该射频设备将信号经过电磁转换器7后传递给天线6，并通过天线6从所处钻孔位置向周围的煤层发射射频脉冲，处于三维磁线分布范围内的介质在接收到该射频脉冲后，由于该射频脉冲的频率与介质的质子进动频率相同，因此射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，接着关闭射频脉冲设备，此时处于三维磁线分布范围内的煤体介质在磁场作用下，横向磁化矢量逐渐减小到零直至消失，纵向磁化矢量则从零逐渐增大直至恢复到最大值(即平衡状态)，这个过程被称为核磁弛豫，在这期间通过天线6实时接收自旋回波串衰减信号，经过电磁转换器7反馈给信号处理器，信号处理器9进行拟合反演从而获得该封闭空间内多态瓦斯核磁弛豫谱信息，并对该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息进行统计汇总，具体过程为：根据实验室已测得当前煤层温度及当前封闭空间保压值耦合条件下吸附态、游离态瓦斯的纵向弛豫时间T1存在的差异性，对当前测得的核磁弛豫曲线进行时间段划分，计算出游离态瓦斯在瓦斯气体中的所占比重
Figure BDA0003479970510000061
进而确定封闭空间内游离态瓦斯气体浓度，并计算出游离态瓦斯气体压力值；通过核磁共振获得的横向弛豫时间T2能得出该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息；
设得出的孔隙结构信息为A，游离态瓦斯气体浓度为B，则煤层瓦斯储集条件评判指标C表示为：C＝m*A+n*B，其中，m、n分别为相关系数；进而根据该评判指标得出当前探测区域的煤层瓦斯储集条件。
作为本发明的一种改进，所述处于封闭空间内的推杆11部分为伸缩杆结构，通过；由于胶囊封孔器4对钻孔封孔后推杆11与封孔器接触部分无法移动，通过这个伸缩结构使得在封闭空间内其伸缩过程能带动核磁探头5对封闭空间能不同位置进行核磁共振监测，进一步提高获取数据的精度。
上述天线6、环形主磁体12、环形次磁体13、自适应弹性垫片14、射频设备、电磁转换器7和信号处理器9均为现有设备或部件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，其特征在于，具体步骤为：
A、施工穿层钻孔：从底板岩巷内利用钻机向上覆煤层钻取穿层钻孔，穿层钻孔穿过上覆煤层，其最深处达到煤层顶板与岩体结合处，并在退钻过程中将穿层钻孔内的煤岩碎屑清理干净，完成穿层钻孔的钻设工作；
B、组装核磁探测及瓦斯抽采一体化装置：核磁探测及瓦斯抽采一体化装置包括核磁探头、推杆、电磁转换器、射频设备和信号处理器，核磁探头包括探头外壳、天线、环形主磁体、环形次磁体和自适应弹性垫片，环形主磁体为两个，两个环形主磁体同轴线设置在探头外壳内，且两个环形主磁体的导磁方向沿各自轴线方向，环形次磁体为多个，多个环形次磁体等间距设置在两个环形主磁体之间，且多个环形次磁体与两个环形主磁体处于同一轴线；多个环形次磁体的导磁方向为沿各自的径向方向；使环形主磁体与环形次磁体之间能形成呈球体结构的三维磁线分布；天线整体缠绕在多个环形次磁体的外圆周面上，且天线的两条引出线分别穿出探头外壳，所述天线的内芯为导电材质，外表面为绝缘材质；探头外壳内充满导磁材料，使导磁材料与天线、环形主磁体和环形次磁体均压紧接触；自适应弹性垫片为两个，两个自适应弹性垫片对称固定在探头外壳两侧，且初始状态时两个自适应弹性垫片之间的最大距离大于穿层钻孔的直径；
所述推杆一端与核磁探头下部固定连接，推杆为中空结构、且其靠近核磁探头的侧部开设多个通气孔；电磁转换器固定在推杆外侧、且电磁转换器与两条引出线连接，信号处理器和射频设备均放置在底板岩巷内，射频设备和信号处理器分别与电磁转换器之间均通过信号传输线连接，且信号传输线连接固定在推杆外侧并沿推杆轴向布设，完成核磁探测及瓦斯抽采一体化装置组装；
C、核磁探测及瓦斯抽采一体化装置布设及穿层钻孔的封孔：采用推杆将核磁探头缓慢送入至穿层钻孔处于上覆煤层的位置，由于初始状态时两个自适应弹性垫片之间的最大距离大于穿层钻孔的直径，在核磁探头进入穿层钻孔时，两个自适应弹性垫片被压缩，使两个自适应弹性垫片之间的最大距离等于穿层钻孔的直径，此时两个自适应弹性垫片的弹力增大，核磁探头在穿层钻孔内达到上覆煤层的位置时，两个自适应弹性垫片分别对穿层钻孔的孔壁压紧接触；将胶囊封孔器放入穿层钻孔并使信号传输线、推杆依次穿过胶囊封孔器并处于穿层钻孔外部，信号传输线与信号处理器连接，然后通过胶囊封孔器对钻孔进行封孔，使穿层钻孔处于上覆煤层的位置为封闭空间；
D、将处于穿层钻孔外部的推杆与瓦斯抽采管路连接，并且在连接处装有气压检测器，持续通过推杆监测封闭空间内的瓦斯压力，当封闭空间内的瓦斯压力达到煤层赋存瓦斯压力时，将布设在底板岩巷内的射频设备开启，此时该射频设备将信号经过电磁转换器后传递给天线，并通过天线从所处钻孔位置向周围的煤层发射射频脉冲，处于三维磁线分布范围内的介质在接收到该射频脉冲后，由于该射频脉冲的频率与介质的质子进动频率相同，因此射频脉冲的能量将传递给处于低能级的质子，处于低能级的质子获得能量后将跃迁到高能级，接着关闭射频脉冲设备，通过天线实时接收自旋回波串衰减信号，经过电磁转换器反馈给信号处理器，信号处理器进行拟合反演从而获得该封闭空间内多态瓦斯核磁弛豫谱信息，并对该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息进行统计汇总，具体过程为：根据实验室已测得当前煤层温度及当前封闭空间保压值耦合条件下吸附态、游离态瓦斯的纵向弛豫时间T1存在的差异性，对当前测得的核磁弛豫曲线进行时间段划分，计算出游离态瓦斯在瓦斯气体中的所占比重
Figure FDA0003479970500000021
进而确定封闭空间内游离态瓦斯气体浓度，并计算出游离态瓦斯气体压力值；通过核磁共振获得的横向弛豫时间T2能得出该封闭空间内周围煤层的孔隙结构信息；
设得出的孔隙结构信息为A，游离态瓦斯气体浓度为B，则煤层瓦斯储集条件评判指标C表示为：C＝m*A+n*B，其中，m、n分别为相关系数；进而根据该评判指标得出当前探测区域的煤层瓦斯储集条件。
2.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，其特征在于，所述探头外壳的外径为150mm，长度为300mm，抗压强度为30MPa，探头外壳的材质为PEEK材料。
3.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，其特征在于，所述环形主磁体的外直径为120mm，内直径为60mm，高度为80mm；环形次磁体外直径为100mm，内直径为60mm，高度为20mm。
4.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，其特征在于，所述步骤B中两个环形主磁体的N磁极相对设置；所述环形次磁体的内圆周面为S磁极、外圆周面为N磁极。
5.根据权利要求1所述的一种煤层瓦斯储集条件的保压核磁监测方法，其特征在于，所述处于封闭空间内的推杆部分为伸缩杆结构，通过其伸缩过程能带动核磁探头对封闭空间能不同位置进行核磁共振监测。
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