煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)及裝置

孫四清，張 群，龍威成，鄭凱歌，黑 磊

“國家科技重大專項(xiàng)成果轉(zhuǎn)化及應(yīng)用”專題 編者按 “十一五”“十二五”兩個(gè)階段，國家科技重大專項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”在煤與煤層氣勘探開發(fā)理論和技術(shù)等方面已取得了突破，“十三五”階段任務(wù)旨在通過應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)理論和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化。專題依托“十三五”國家科技重大專項(xiàng)課題(2016ZX05045-002)部分任務(wù)，集中報(bào)道煤層氣(瓦斯)在勘探開發(fā)領(lǐng)域部分技術(shù)成果應(yīng)用實(shí)踐，選取云南、貴州、河南等構(gòu)造復(fù)雜低滲煤儲(chǔ)層中的煤層氣開發(fā)系列技術(shù)，旨在增強(qiáng)行業(yè)學(xué)術(shù)交流，推動(dòng)全國范圍內(nèi)尤其是前景區(qū)煤層氣資源的有效開發(fā)和利用，以期促進(jìn)我國煤層氣產(chǎn)業(yè)化快速發(fā)展。

煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)及裝置

孫四清，張 群，龍威成，鄭凱歌，黑 磊

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)煤礦井下大范圍超前探測(cè)煤層瓦斯含量的實(shí)際需求，提出了煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)試密閉取心方法，設(shè)計(jì)并試制了適合于煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試的“三筒單動(dòng)、球閥密閉”的密閉取心裝置，裝置外徑89 mm，采取煤心直徑可達(dá)38 mm；密閉能力達(dá)到11 MPa以上，滿足于煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定密閉取樣要求。井下工程試驗(yàn)結(jié)果顯示，該裝置的煤層密閉取心取樣深度達(dá)到360.5 m，5組密閉取心法測(cè)得的煤層瓦斯含量為常規(guī)取心法測(cè)值的1.26~3.07倍，平均2.25倍。該技術(shù)將為我國煤礦井下煤層瓦斯含量大范圍精準(zhǔn)探測(cè)、區(qū)域瓦斯治理及效果檢測(cè)提供一種有效的技術(shù)手段。

煤層瓦斯含量；密閉取心；精準(zhǔn)測(cè)試；長鉆孔取樣；煤礦井下

瓦斯(煤層氣)含量是表征煤儲(chǔ)層特征的關(guān)鍵參數(shù)之一[1]，是煤層瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)程度評(píng)價(jià)[2]、礦井瓦斯治理工程設(shè)計(jì)[3]、礦井瓦斯儲(chǔ)量估算和煤層瓦斯預(yù)抽效果評(píng)估[4]的重要依據(jù)。煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定遵循GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》[5]，據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)可知，煤層瓦斯含量總體上由損失量、解吸量和脫氣量(煤樣粉碎前脫氣瓦斯量和煤樣粉碎后脫氣瓦斯量)3部分構(gòu)成，其中解吸量和脫氣量是由煤樣實(shí)測(cè)所得，而損失量是利用煤樣井下早期解吸數(shù)據(jù)按照一定方法估算所得。為提高煤樣損失瓦斯量估算的準(zhǔn)確性，標(biāo)準(zhǔn)要求煤樣定點(diǎn)采取且時(shí)間控制在5 min內(nèi)，對(duì)取樣深度較小的鉆孔一般能滿足，而對(duì)取樣深度較大(孔深大于100 m)的鉆孔就無法實(shí)現(xiàn)。隨著煤礦采掘速率的提升和煤礦瓦斯區(qū)域超前治理及效果檢測(cè)的需要，亟需在井下對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行大范圍的超前探測(cè)。因此，開展煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)及裝置研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于煤層瓦斯含量測(cè)定前人進(jìn)行了大量研究工作。R. M. Barrer[6]研究得出煤中累計(jì)吸附量或解吸氣體量與時(shí)間的平方根成正比，Н. И. ВСТИНОВ[7]提出了描述煤礦井下采落煤塊瓦斯解吸氣體量模型。根據(jù)我國煤層實(shí)際情況國內(nèi)學(xué)者[8-10]對(duì)這兩種模型進(jìn)行深入研究，形成了我國煤礦井下煤層瓦斯含量直接測(cè)定中損失量估算的理論基礎(chǔ)。相關(guān)學(xué)者針對(duì)煤礦井下煤層特殊取樣及瓦斯參數(shù)測(cè)試也進(jìn)行了大量探索，胡千庭等[11]研究了井下雙層取心管采取煤樣及瓦斯含量快速測(cè)定方法，林柏泉等[12]提出了一種煤礦密封取樣裝置及使用方法，王兆豐等[13]研制出煤與瓦斯突出定點(diǎn)取樣器，文光才等[14]研究了深孔瓦斯的快速取樣系統(tǒng)，其現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明最大取樣深度達(dá)93 m[15]。張宏圖等[16]總結(jié)分析了我國煤層瓦斯含量測(cè)定定點(diǎn)取樣方法。中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司[17-19]“十一五”“十二五”期間在國家科技重大專項(xiàng)的資助下開展了煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定密閉取樣裝置研究工作，筆者在此研究工作的基礎(chǔ)上，開展了煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)及裝置的研究和試驗(yàn)工作。

1 煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯密閉取心精準(zhǔn)測(cè)試原理

2 煤層瓦斯密閉取樣裝置設(shè)計(jì)和試制

根據(jù)煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量測(cè)定密閉取樣及測(cè)試要求，設(shè)計(jì)密閉取心器為“三筒單動(dòng)、球閥密閉”結(jié)構(gòu)，裝置整體上由取心外筒、取心內(nèi)筒和取心中間筒構(gòu)成，密閉取樣裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。取心外筒兩端分別與鉆探取心鉆桿和密閉取心鉆頭相連，傳遞鉆壓和扭矩，確保鉆進(jìn)過程中煤樣能進(jìn)入密閉取心裝置。取心內(nèi)筒是非旋轉(zhuǎn)筒，是煤樣及其解吸氣體量的存儲(chǔ)容器，取心內(nèi)筒容積大小以滿足煤層瓦斯含量測(cè)定煤樣量采取的需要，取心內(nèi)筒上下端與密封球閥和解吸閥門連接，密封球閥對(duì)裝入取心內(nèi)筒的煤樣進(jìn)行保壓密封，解吸閥門是測(cè)量取心內(nèi)筒中煤樣瓦斯量的連接口。取心中間筒是液壓推動(dòng)筒，在鉆桿連接端用銷子與懸掛總成相連，傳遞液壓動(dòng)力，推動(dòng)取心內(nèi)筒上下端球閥聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)煤樣密封。密閉取心裝置前端是密閉取心鉆頭，在鉆壓和扭矩作用下，密閉取心鉆頭切削煤層形成鉆孔，煤樣通過取心鉆頭中間的圓孔進(jìn)入取心內(nèi)筒，完成取心鉆進(jìn)的煤樣采集。

圖1 煤礦井下密閉取心裝置結(jié)構(gòu)

密閉取心裝置不僅要能密封住瓦斯而且還要有一定保壓能力，防止煤樣解吸出的氣體壓力將密閉球閥撐開，造成煤樣密封失效。各個(gè)礦區(qū)煤層瓦斯地質(zhì)條件不同，煤層瓦斯壓力差異也比較大，要求密閉取心裝置在密閉保壓能力上要有一定富余系數(shù)。密閉取心裝置研制完成后對(duì)其密閉保壓能力進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)方法是向密閉取心內(nèi)筒中注入一定量的高壓氮?dú)?，注氣后切斷高壓氣源，連續(xù)觀測(cè)密閉取心內(nèi)筒中氣體壓力變化，當(dāng)觀測(cè)壓力表值無明顯變化后，將充有高壓氮?dú)獾娜⌒膬?nèi)筒置于清水中觀測(cè)是否有氣泡現(xiàn)象。本次氣密性檢測(cè)試驗(yàn)注入的氮?dú)鈮毫?1.3 MPa，氣密性檢測(cè)過程中，取心內(nèi)筒氣體壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，注入初期壓力有小幅度下降，然后穩(wěn)定在11 MPa以上，且取心內(nèi)筒在清水中觀測(cè)無氣泡現(xiàn)象；初期氣體壓力小幅下降，分析認(rèn)為是因注氣過程取心內(nèi)筒及其內(nèi)部氣體溫度變化所致，后期監(jiān)測(cè)壓力穩(wěn)定。氣密性檢測(cè)結(jié)果表明，密閉取心裝置的密閉保壓能力在11 MPa以上，滿足我國煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定密閉保壓采樣的需要。

圖2 密閉取心器密封性壓力監(jiān)測(cè)曲線

3 煤層瓦斯密閉取心工藝技術(shù)與含量測(cè)試方法

3.1 煤層瓦斯密閉取心工藝技術(shù)

密閉取心前將取心內(nèi)筒兩端球閥置于打開狀態(tài)，便于鉆進(jìn)時(shí)煤樣能夠順利進(jìn)入取心內(nèi)筒。當(dāng)鉆孔鉆到煤層預(yù)定深度后，利用鉆桿將密閉取心裝置送到孔底，開啟泥漿泵利用高壓水排掉取心筒內(nèi)及周圍煤粉，開始一段無心鉆進(jìn)后進(jìn)行煤層密閉取心鉆進(jìn)。在鉆壓的推動(dòng)作用下煤樣不斷進(jìn)入到取心內(nèi)筒，通過取心內(nèi)筒末端球閥不斷將其內(nèi)部空氣及泥漿液排擠掉。取心鉆進(jìn)過程中泥漿液通過取心內(nèi)筒與取心外筒之間的間隙流入取心鉆頭末端的水眼，冷卻鉆頭，避免取心鉆進(jìn)中的切削、研磨導(dǎo)致煤樣溫度升高；另外，泥漿攜帶取心鉆頭切削掉的煤粉經(jīng)過鉆孔孔壁與取心外筒之間的環(huán)狀間隙流出孔底。當(dāng)取心鉆進(jìn)長度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，向鉆桿內(nèi)部放置一定直徑的輕質(zhì)球，利用泥漿液將輕質(zhì)球送入到密閉取心器末端球座，堵住密閉取心器上端水眼，使得鉆桿內(nèi)泥漿液壓力升高，當(dāng)壓力升高到一定值后切斷取心中間筒與懸掛總成之間的連接銷釘，依靠銷釘剪斷時(shí)瞬間提供的能量推動(dòng)取心中間筒向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)取心內(nèi)筒上下端球閥聯(lián)動(dòng)關(guān)閉，取心內(nèi)筒煤樣被密封；在球閥聯(lián)動(dòng)關(guān)閉的同時(shí)，密閉取心器水路再次被打開，泥漿液壓力下降。煤層樣取心、密閉完成后，退鉆提出密閉煤樣，進(jìn)行煤層瓦斯含量的相關(guān)測(cè)試工作。

3.2 煤層瓦斯含量測(cè)試方法

取心鉆桿將密閉取心裝置從鉆孔深部提出后，拆卸掉密閉取心裝置的外筒和取心中間液壓推動(dòng)筒，檢查密閉取心內(nèi)筒上下端球閥的密閉性；確認(rèn)取心內(nèi)筒上下端密閉球閥無漏氣現(xiàn)象后，將瓦斯解吸計(jì)量裝置與密閉取心內(nèi)筒上端的解吸閥門連接。首先，對(duì)煤樣進(jìn)行井下現(xiàn)場(chǎng)解吸氣測(cè)試，測(cè)量提鉆過程中取心內(nèi)筒煤樣解吸并封存于取心內(nèi)筒中的游離氣以及煤樣壓力降至常壓下解吸氣含量1，并記錄井下現(xiàn)場(chǎng)空氣溫度和壓力；然后將密閉煤樣提至地面，測(cè)試煤樣粉碎前脫出的瓦斯氣含量2；最后對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎，測(cè)量粉碎過程中及粉碎后脫出的瓦斯氣含量3。煤樣井下現(xiàn)場(chǎng)解吸氣含量、煤樣粉碎前脫氣含量和煤樣粉碎后脫氣含量之和就是煤樣瓦斯含量，即：m=1+2+3。

4 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)工程試驗(yàn)

a. 試驗(yàn)礦井煤層特征 試驗(yàn)礦井是我國典型高突礦區(qū)，目標(biāo)煤層為二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤，煤的鏡質(zhì)體最大反射率為4.17%~4.36%，平均4.24%。煤層厚度4.45~8.75 m，平均6.31 m，煤層含夾矸1~3層。煤體呈鋼灰色，似金屬光澤，煤巖成分以亮煤為主，暗煤次之，宏觀煤巖類型為半亮型煤。井下煤壁觀測(cè)煤體結(jié)構(gòu)總體較好，原生結(jié)構(gòu)或碎裂結(jié)構(gòu)，局部發(fā)育較薄層的碎粒煤或糜棱煤；研究區(qū)硬煤[22]的堅(jiān)固性系數(shù)為1.05~1.88，平均1.37，構(gòu)造軟煤[22]的堅(jiān)固性系數(shù)為0.35~0.55。地面井測(cè)得煤層埋深200~400 m段煤層瓦斯含量4.75~20.89 m3/t，平均11.32 m3/t，煤層埋深403~ 695 m段煤層瓦斯含量7.67~25.76 m3/t，平均19.12 m3/t，煤層埋深300 m井下測(cè)得瓦斯壓力1.81 MPa。煤層開采前采用定向鉆機(jī)對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行區(qū)域預(yù)抽，抽采效果達(dá)標(biāo)后再進(jìn)行巷道掘進(jìn)。

b. 密閉取心工程設(shè)計(jì)及主要設(shè)備 本次試驗(yàn)是利用研制的煤礦井下密閉取心裝置對(duì)煤層瓦斯預(yù)抽3~6個(gè)月后的煤層瓦斯含量進(jìn)行效果檢測(cè)，并采用常規(guī)取心法在同鉆孔同深度處采集煤樣進(jìn)行煤層瓦斯含量測(cè)定。密閉取心鉆進(jìn)設(shè)備采用ZDY12000-LD型定向鉆機(jī)，主要參數(shù)：89 mm中心通纜鉆桿和89 mm無磁鉆桿，120鉆頭。選用3NB-300/12- 45型泥漿泵為煤層深孔鉆進(jìn)和密閉取心球閥聯(lián)動(dòng)關(guān)閉的動(dòng)力源。

c. 密閉取心工程試驗(yàn)及結(jié)果 密閉取心煤樣煤層瓦斯含量測(cè)定按照3.2節(jié)的測(cè)試方法進(jìn)行，常規(guī)取心方法煤層瓦斯含量測(cè)試依據(jù)GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》執(zhí)行。共計(jì)開展了4個(gè)鉆孔、采取5組樣品的煤層瓦斯含量測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 煤礦井下密閉取心與常規(guī)取心煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果對(duì)比

注：煤樣質(zhì)量符合GB/T 23250—2009《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》要求。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表1可知，4個(gè)鉆孔5次煤礦井下密閉取心試驗(yàn)的煤樣采取深度為120~361.5 m，推動(dòng)密閉球閥關(guān)閉時(shí)的泵壓達(dá)到7~14 MPa，平均10.4 MPa，現(xiàn)場(chǎng)檢查密閉取樣裝置球閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了球閥密封煤樣避免氣體解吸逸散的目的，5次密閉取心和常規(guī)取心采集到的煤樣質(zhì)量符合煤層瓦斯含量測(cè)試規(guī)范要求。5組密閉取心與常規(guī)取心煤層瓦斯含量測(cè)試結(jié)果對(duì)比試驗(yàn)表明，密閉取心法測(cè)得的煤層瓦斯含量是常規(guī)取心法測(cè)得的1.26~3.07倍，平均2.25倍。

煤礦井下密閉取心煤層瓦斯含量測(cè)定工程試驗(yàn)結(jié)果表明：①采用自主研制的煤礦井下煤層密閉取心裝置能夠?qū)崿F(xiàn)煤樣的定點(diǎn)、密閉采取和瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試，規(guī)避了常規(guī)取心法損失量估算不準(zhǔn)、長鉆孔煤樣暴露時(shí)間過長而無法準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量的現(xiàn)實(shí)問題；②長鉆孔(鉆孔深度超過100 m)常規(guī)取心法測(cè)得的煤層瓦斯含量較煤儲(chǔ)層實(shí)際瓦斯含量存在較大差異，其測(cè)試結(jié)果不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)。

5 結(jié)論

a. 提出了煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯密閉取心精準(zhǔn)測(cè)試方法和工藝技術(shù)。

b. 研制了適合于煤礦井下煤層瓦斯含量測(cè)定“三筒單動(dòng)、球閥密閉”密閉取心裝置，該裝置密封氣體壓力達(dá)11 MPa，取心裝置外徑89 mm，煤心直徑可達(dá)38 mm。

c. 利用密閉取心裝置在我國典型礦區(qū)開展了煤礦井下煤層密閉取心瓦斯含量測(cè)試工程試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔密閉取樣深度達(dá)到361.5 m。測(cè)試結(jié)果表明，密閉取心法測(cè)得的煤層瓦斯含量是常規(guī)取心法的1.26~3.07倍，平均2.25倍，密閉取心測(cè)試結(jié)果較好地反映了檢測(cè)區(qū)域煤層瓦斯抽采效果。

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Accurate test technology and device for coal seam gas content in long boreholes in underground coal mines

SUN Siqing, ZHANG Qun, LONG Weicheng, ZHENG Kaige, HEI Lei

(Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In order to get actual gas content of underground coal mine during large-scale advanced detection, the sealed coring method for gas content was proposed. The sealed coring device of “three-cylinders, single motion and ball valve sealing” suitable for accurate test of gas content of long boreholes in underground coal mines was designed and trial-produced, the outer diameter of the device is 89 mm, and the diameter of the coal core can reach 38 mm, the pressure holding capacity of the sealed coring device is above 11 MPa, which satisfies the requirement of sealing sampling for the determination of coal seam gas content in underground coal mines. By using the sealed coring device to carry out the test of gas content determination of underground coal coring in typical coal mines in China, the depth of coal coring in coal coring reached 360.5 m. The coal seam gas content measured by 5 groups of sealed coring method was 1.26~3.06 times higher than that of conventional coring method, with an average of 2.25 times. This technology will provide an effective technical means for test of the effect of extensive accurate detection of gas content and regional gas control in underground coal mines in China.

coal seam gas content; sealed coring; accurate test; sampling from long borehole; underground coalmine

TD712.62

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2019.04.001

1001-1986(2019)04-0001-05

2019-06-10

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-002-002)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYZD09)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-002-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2018XAYZD09)

孫四清，1977年生，男，河南新縣人，博士，研究員，從事煤礦瓦斯治理及煤層氣勘探開發(fā). E-mail：sunsiqing@cctegxian.com

孫四清，張群，龍威成，等. 煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準(zhǔn)測(cè)試技術(shù)及裝置[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2019，47(4)：1–5.

SUN Siqing，ZHANG Qun，LONG Weicheng，et al. Accurate test technology and device for coal seam gas content in long boreholes in underground coal mines[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(4)：1–5.

(責(zé)任編輯 晉香蘭)