CN114526060A - 井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤炭开采及煤矿安全技术领域，公开了一种井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，包括依次连接的气压检测机构、封堵机构和水路关闭机构，由水路关闭机构截断水路并驱动封堵机构封堵孔底空间及驱使气压检测机构连通孔底空间以完成压力测定。本发明的测定装置具有设计巧妙，结构简单的优点，不仅能随钻检测定向长钻孔孔底空间瓦斯压力功能，还能实现定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻多点检测。

Description

井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置及方法

技术领域

本发明属于煤炭开采及煤矿安全技术领域，具体涉及一种井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置及方法。

背景技术

探测掌握定向钻孔揭露煤层的瓦斯含量分布情况是优化瓦斯抽采钻孔设计，以及支撑长钻孔定向压裂、水力割缝等定点增渗，提高大区域瓦斯防治效果，实现瓦斯精准高效抽采的基础。对于已经成熟的硬煤定向钻进、碎软煤层顶(底)板梳状钻孔等定向长钻孔成孔工艺，钻进长度一般大于300m。目前，针对定向长钻孔煤层瓦斯含量测定采用取样解吸法，现有定点取样工艺由于取样深度浅、取样时间长、取样成功率低、取样点单一等原因无法支撑定向长钻孔煤层瓦斯含量测定，严重制约了定向长钻孔大区域瓦斯治理技术的发展。

然而，通过对孔底小范围空间快速封堵，检测孔底空间内瓦斯压力恢复特征参数，以压力恢复特征参数换算检测点煤层瓦斯含量是一种能够随钻获取定向钻孔揭露煤层瓦斯含量分布的有效途径之一。

因此，为了实现孔底小范围空间快速封堵，检测孔底空间内瓦斯压力，有必要提出一种井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，以此来间接获得煤层瓦斯含量参数指导大区域瓦斯治理措施实施，对提高大区域瓦斯治理效果，实现瓦斯精准高效抽采意义重大。

发明内容

有鉴于此，针对现有定向长钻孔煤层瓦斯含量测定技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种结构设计合理且实用性强的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置及方法，不仅能够实现孔底小范围空间快速封堵，以检测孔底空间内瓦斯压力，从而间接获得煤层瓦斯含量；还能够实现定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻多点检测，即能够获得多点瓦斯含量。

为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，包括依次连接的气压检测机构、封堵机构和水路关闭机构，由水路关闭机构截断水路并驱动封堵机构封堵孔底空间及驱使气压检测机构连通孔底空间以完成压力测定。

进一步，气压检测机构包括第一外管、内管、气路封闭滑块和复位弹簧，第一外管的内壁上设置用于安装内管和复位弹簧的固定位，且内管与第一外管之间设置与复位弹簧作用的气路封闭滑块；第一外管上设置外侧导气孔，气路封闭滑块上设置中间导气孔，内管上设置与外侧导气孔呈上下对应的内侧导气孔，中间导气孔在复位弹簧压缩时与外侧导气孔联通，反之则错位；内管中设置测压气室和检测硬件室，内侧导气孔与测压气室连通。

进一步，检测硬件室内设置电性连接的单片机和电池，测压气室内设置与单片机电性连接的压力传感器和温度传感器。

进一步，封堵机构包括第二外管、封堵胶圈、封堵传动杆和挡圈，第二外管与第一外管顺次连接，封堵胶圈套设于第二外管上，且封堵胶圈的一端固定于第二外管，另一端连接有与第二外管滑动配合的挡圈，封堵传动杆设于第二外管的中轴线上，并能作用于气压检测机构上所设的气路封闭滑块，挡圈固定于封堵传动杆上。

进一步，第二外管上设有用于挡圈滑动的滑道。

进一步，水路关闭机构包括第三外管、截止阀、动力传动杆、动力弹簧和滑动块，第三外管与第二外管顺次连接，第三外管设置与之分别滑动配合的截止阀和滑动块，动力传动杆设在滑动块上并在背离滑动块的背离端作用于封堵传动杆上，动力传动杆上套设动力弹簧，第三外管设置有用于安装动力弹簧的固定件，截止阀相对于滑动块与动力传动杆异侧布置。

进一步，截止阀与滑动块在相互面对的对应侧均设置有滑齿。

进一步，动力传动杆与封堵传动杆为一体式结构。

进一步，第三外管的内壁上设置用于滑动块滑动的滑轨和用于截止阀限位的限位块，所述滑轨上设置用于滑动块限位的限位槽。

本发明还基于上述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置的测定方法，包括如下步骤：

S1.安装准备：将气压检测机构、封堵机构和水路关闭机构依次组装，并将之安装在孔底马达与下无磁钻杆之间，且使气压检测机构靠近孔底马达安装；

S2.定向钻孔：按照定向钻孔施工工艺正常施工至设计检测位置；

S3.随钻测定：停止钻进并继续注液排渣至孔底钻屑排净，再增加泵机压力以使钻杆内部压力升高并关闭截止阀来截断水路，待钻杆内水压继续上升并推动截止阀以顶进动力传动杆及滑动块移动，当滑动块滑出滑轨时，滑动块与截止阀之间由滑齿产生滑动以使动力传动杆轴向旋转，待滑动块滑入限位槽后撤去水压，同时，动力传动杆顶进封堵传动杆以使挡圈挤压封堵胶圈形成孔底封闭空间，封堵传动杆则顶进气路封闭滑块以使外侧导气孔、中间导气孔、内侧导气孔连通并由此将孔底封闭空间与测压气室联通，再由压力传感器、温度传感器对孔底封闭空间内瓦斯压力及气体温度数据进行测定，并将采集的数据储存在单片机内；

S4.继续钻孔：待一个测点孔底瓦斯压力测定结束后，再增加泵机压力以使钻杆内部压力升高并推动截止阀，使截止阀与滑动块之间再次产生滑动以轴向旋转动力传动杆，待滑动块滑入滑轨后撤去水压，受动力弹簧作用动力传动杆顶进滑动块以带动截止阀复位，及动力传动杆带动封堵传动杆以拉伸封堵胶圈复位，同时复位弹簧推动气路封闭滑块移动以错开中间导气孔来封堵测压气室，并按照定向钻孔施工工艺继续进行钻孔施工；

S5.多点测定：钻孔再次施工至设计检测位置时，重复S3、S4即可实现多点连续测定；

S6.整个钻孔施工结束后，退出钻具并拆卸该测定装置，从单片机内读取测定数据以完成测定工作。

本发明的有益效果是：本发明提及的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，通过封堵机构中的封堵胶圈压缩变形进行孔底空间封堵，不仅能够实现了孔底瓦斯压力随钻测定，即具有随钻检测定向长钻孔孔底空间瓦斯压力功能；还能够实现定向长钻孔连续多点定点检测孔底瓦斯压力，弥补了定向长钻孔瓦斯参数随钻检测技术空白，并具备设计巧妙，结构简单，实用性强的特点。

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为本发明中井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置的结构示意图；

附图标记说明：气压检测机构1，封堵机构2，水路关闭机构3，第一外管4，内管5，气路封闭滑块6，复位弹簧7，外侧导气孔8，中间导气孔9，内侧导气孔10，测压气室11，检测硬件室12，单片机13，电池14，压力传感器15，温度传感器16，第二外管17，封堵胶圈18，封堵传动杆19，滑道20，挡圈21，第三外管22，截止阀23，动力传动杆24，动力弹簧25，滑动块26，滑齿27，滑轨28，限位块29，限位槽30。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。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，不能理解为对本专利的限制；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。

如图1所示，本实施例中提及的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，包括依次连接的气压检测机构1、封堵机构2和水路关闭机构3，通过水路关闭机构截断水路并驱动封堵机构封堵孔底空间及驱使气压检测机构连通孔底空间来完成测定工作。

具体的，气压检测机构1包括第一外管4、内管5、气路封闭滑块6和复位弹簧7，第一外管4的内壁上设置用于安装内管5和复位弹簧7的固定位(未标记)，且内管5与第一外管4之间设置与复位弹簧7作用的气路封闭滑块6；第一外管4上设置外侧导气孔8，气路封闭滑块6上设置中间导气孔9，内管5上设置与外侧导气8孔呈上下对应的内侧导气孔10，中间导气孔9在复位弹簧7压缩时以使外侧导气孔8和内侧导气孔10联通，反之，复位弹簧7处于自然状态下则错位内侧导气孔9以隔开外侧导气8和内侧导气孔10；内管5中设置测压气室11和检测硬件室12，内侧导气孔10与测压气室11连通，检测硬件室12内设置电性连接的单片机13和电池14，测压气室11内并与检测硬件室12之间分割面设置有与单片机13电性连接的压力传感器15和温度传感器16。

封堵机构2包括第二外管17、封堵胶圈18、封堵传动杆19和挡圈21，第二外管17与第一外管4顺次连接，封堵胶圈18套设于第二外管17上，且封堵胶圈18的一端固定于第二外管17，另一端连接有与第二外管17滑动配合的挡圈21，封堵传动杆19设于第二外管17的中轴线上，并能作用于气压检测机构1上所设的气路封闭滑块6，挡圈21固定于封堵传动杆19上，可随封堵传动杆做轴向移动，而第二外管17上设有用于挡圈21定向滑动的滑道20。

水路关闭机构3包括第三外管22、截止阀23、动力传动杆24、动力弹簧25和滑动块26，第三外管22与第二外管17顺次连接，第三外管22设置与之分别滑动配合的截止阀23和滑动块26，动力传动杆24设在滑动块26上并在背离滑动块26的背离端作用于封堵传动杆19上，动力传动杆24上套设动力弹簧25，第三外管22设置有用于安装动力弹簧22的固定件(未标记)，截止阀23相对于滑动块26与动力传动杆24异侧布置，截止阀23与滑动块26在相互面对的对应侧均设置有滑齿27，利用滑齿可使截止阀和滑动块相互转动；第三外管22的内壁上设置用于滑动块26及截止阀23滑动的滑轨28和用于截止阀23限位的限位块29，而滑轨28上设置用于滑动块26限位的限位槽30，且截止阀23位于滑动块26与限位块29之间。

在本实施例中上述提及的第一外管4、第二外管17及第三外管22之间是相通的，且内管5、气路封闭滑块6、滑动块26及安装复位弹簧7、封堵传动杆19、动力传动杆24和动力弹簧25的固定位或固定件均不会影响注液工作。

在另一实施例中的动力传动杆24与封堵传动杆19为一体式结构，但此时的封堵传动杆19应与挡圈21在径向上转动连接。

下面详细阐述一下本井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置的孔底空间瓦斯压力随钻测定方法，按如下步骤进行：

Step1.装置安装：将井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置中的气压检测机构1、封堵机构2和水路关闭机构3依次组装，并将井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置安装在定向钻具孔底马达(未画出)与下无磁钻杆(未画出)之间，且气压检测机构1近孔底马达安装；

Step2.定向钻孔正常施工：按照定向钻孔施工工艺正常施工至设计检测位置；

Step3.孔底空间瓦斯压力随钻测定：待施工至设计检测位置时停止钻进，继续注液排渣，孔底钻屑排净后，增加定向钻机泵机(未画出)压力，使钻杆(未画出)内部压力升高，当钻杆内水压达到一定压力，水路关闭机构3中截止阀23关闭，截断水路。钻杆内水压继续上升，水推动截止阀23向封堵机构3移动。截止阀23在移动过程中，顶进动力传动杆24及滑动块26沿滑轨28移动，当滑动块26滑出滑轨28时，滑动块26与截止阀23之间由滑齿27之间产生滑动，使动力传动杆24沿轴向旋转，待滑动块26滑入滑轨28的限位槽30后撤去水压，同时，动力传动杆24在被顶进过程中顶进封堵传动杆19，使封堵传动杆10上的挡圈21挤压封堵胶圈18，致使封堵胶圈18压缩变形，实现封堵机构3的第二外管17与钻孔壁之间的环形空间封堵，以形成孔底封闭空间，而封堵传动杆19在被顶进时，封堵传动杆19顶进气压检测机构1中气路封闭滑块6，实现气压检测机构1的第一外管4的外侧导气孔8、气路封闭滑块6的中间导气孔9以及气压检测机构1的内管5上的内侧导气孔10依次连通，以连通气压检测机构1的内管5中的测压气室11与孔底封闭空间，再由压力传感器15、温度传感器16分别对孔底封闭空间内瓦斯压力及气体温度数据进行测定，且采集的数据储存在单片机13内；

Step4.继续钻孔施工：一个测点孔底瓦斯压力测定结束后，增加定向钻机泵机压力，使钻杆内部压力升高，推动截止阀23，截止阀23与滑动块26之间的滑齿27再次产生滑动，使动力传动杆24沿轴向旋转，待滑动块26则滑入滑轨28中后撤去水压，受动力弹簧25作用动力传动杆24顶进截止阀23使其回到限位块29位置，实现截止阀23复位；同时动力传动杆24带动封堵传动杆19拉伸封堵胶圈18，实现封堵传动杆19与封堵胶圈18复位；同时复位弹簧7推动气路封闭滑块6移动，实现测压气室11再次封堵，进而长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置各机构实现复位。并再次按照定向钻孔施工工艺继续进行钻孔施工；

Step5.多点测定：钻孔再次施工至设计检测位置时，重复Step3、Step4即可实现多点连续测定；

Step6.整个钻孔施工结束后，退出钻具，拆卸井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，从单片机13内读取测定数据，完成测定工作。

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 (10)

1.井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，包括依次连接的气压检测机构(1)、封堵机构(2)和水路关闭机构(3)，由水路关闭机构截断水路并驱动封堵机构封堵孔底空间及驱使气压检测机构连通孔底空间以完成压力测定。

2.根据权利要求1所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述气压检测机构包括第一外管(4)、内管(5)、气路封闭滑块(6)和复位弹簧(7)，第一外管的内壁上设置用于安装内管和复位弹簧的固定位，且内管与第一外管之间设置与复位弹簧作用的气路封闭滑块；第一外管上设置外侧导气孔(8)，气路封闭滑块上设置中间导气孔(9)，内管上设置与外侧导气孔呈上下对应的内侧导气孔(10)，中间导气孔在复位弹簧压缩时与外侧导气孔联通，反之则错位；内管中设置测压气室(11)和检测硬件室(12)，内侧导气孔与测压气室连通。

3.根据权利要求2所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述检测硬件室内设置电性连接的单片机(13)和电池(14)，所述测压气室内设置与单片机电性连接的压力传感器(15)和温度传感器(16)。

4.根据权利要求2或3所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述封堵机构包括第二外管(17)、封堵胶圈(18)、封堵传动杆(19)和挡圈(21)，第二外管与第一外管顺次连接，封堵胶圈套设于第二外管上，且封堵胶圈的一端固定于第二外管，另一端连接有与第二外管滑动配合的挡圈，封堵传动杆设于第二外管的中轴线上，并能作用于气压检测机构上所设的气路封闭滑块，挡圈固定于封堵传动杆上。

5.根据权利要求4所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述第二外管上设有用于挡圈滑动的滑道(20)。

6.根据权利要求4所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述水路关闭机构包括第三外管(22)、截止阀(23)、动力传动杆(24)、动力弹簧(25)和滑动块(26)，第三外管与第二外管顺次连接，第三外管设置与之分别滑动配合的截止阀和滑动块，动力传动杆设在滑动块上并在背离滑动块的背离端作用于封堵传动杆上，动力传动杆上套设动力弹簧，第三外管设置有用于安装动力弹簧的固定件，截止阀相对于滑动块与动力传动杆异侧布置。

7.根据权利要求6所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述截止阀与所述滑动块在相互面对的对应侧均设置有滑齿(27)。

8.根据权利要求6所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述动力传动杆与封堵传动杆为一体式结构。

9.根据权利要求6所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置，其特征在于，所述第三外管的内壁上设置用于滑动块滑动的滑轨(28)和用于截止阀限位的限位块(29)，所述滑轨上设置用于滑动块限位的限位槽(30)。

10.基于权利要求1-9任一项所述的井下定向长钻孔孔底空间瓦斯压力随钻测定装置的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.安装准备：将气压检测机构、封堵机构和水路关闭机构依次组装，并将之安装在孔底马达与下无磁钻杆之间，且使气压检测机构靠近孔底马达安装；

S2.定向钻孔：按照定向钻孔施工工艺正常施工至设计检测位置；

S3.随钻测定：停止钻进并继续注液排渣至孔底钻屑排净，再增加泵机压力以使钻杆内部压力升高并关闭截止阀来截断水路，待钻杆内水压继续上升并推动截止阀以顶进动力传动杆及滑动块移动，当滑动块滑出滑轨时，滑动块与截止阀之间由滑齿产生滑动以使动力传动杆轴向旋转，待滑动块滑入限位槽后撤去水压，同时，动力传动杆顶进封堵传动杆以使挡圈挤压封堵胶圈形成孔底封闭空间，封堵传动杆则顶进气路封闭滑块以使外侧导气孔、中间导气孔、内侧导气孔连通并由此将孔底封闭空间与测压气室联通，再由压力传感器、温度传感器对孔底封闭空间内瓦斯压力及气体温度数据进行测定，并将采集的数据储存在单片机内；

S4.继续钻孔：待一个测点孔底瓦斯压力测定结束后，再增加泵机压力以使钻杆内部压力升高并推动截止阀，使截止阀与滑动块之间再次产生滑动以轴向旋转动力传动杆，待滑动块滑入滑轨后撤去水压，受动力弹簧作用动力传动杆顶进滑动块以带动截止阀复位，及动力传动杆带动封堵传动杆以拉伸封堵胶圈复位，同时复位弹簧推动气路封闭滑块移动以错开中间导气孔来封堵测压气室，并按照定向钻孔施工工艺继续进行钻孔施工；

S5.多点测定：钻孔再次施工至设计检测位置时，重复S3、S4即可实现多点连续测定；

S6.整个钻孔施工结束后，退出钻具并拆卸该测定装置，从单片机内读取测定数据以完成测定工作。

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