一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法，装置包括注气筛管，注气筛管两端分别设有第一和第二胶囊封阻器，第一封阻器位于连接推杆和注气筛管之间；第一封阻器的内部穿设有高压注气管，高压注气管一端与注气筛管连接，另一端穿出与水力增压器连接，其管路上设有气体压力传感器和气体质量流量控制器；水力增压器由无杆活塞分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管和压力气源择一连通，第二容腔与高压水泵组的第一出口端口连通。测试方法基于测试孔装置实施。本发明专利技术的有益效果是，装置操作方便，便于携带，可重复利用；测试方法充分利用煤矿井下的压风自救设备和高压水泵组的便利条件进行测试，可大大提高煤层渗透率测试效率。

A device and method for rapid in-situ measurement of coal seam permeability through drilling holes

【技术实现步骤摘要】
一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法
本专利技术属于煤层瓦斯抽采领域，具体涉及一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法。
技术介绍
随着煤矿开采深度的逐渐增加，煤层的地应力和瓦斯压力不断增加，煤矿井下瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害频发。为防止瓦斯灾害的发生，在开采高瓦斯煤层之前，需要预先抽采煤层中瓦斯，降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量。煤层瓦斯的主要成分是甲烷，是非常规天然气的重要组成部分，抽采煤层瓦斯可以减缓我国天然气能源短缺的现状。因此，抽采煤层瓦斯不仅有利于煤矿安全开采，还有利于清洁能源的开采利用。煤层瓦斯的抽采效率主要取决于煤层的渗透率，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，这极大的影响了对煤层瓦斯抽采效果的评估。对于低渗透性的煤层，通常需要采用区域性或局部性煤层增透技术增加其渗透性，提高煤层瓦斯抽采效率。当采用煤层增透技术处理煤层后，通常难以直接观测到其增透效果，可通过测试煤层渗透率的方式评估煤层增透的效果。现阶段煤矿采用的封孔测压测流等煤层透气性的测试方法，是通过在煤层瓦斯试抽采过程中进行流量和压力监测，通过公式计算获得煤层渗透率。由于，需要通过多种压力条件下的流速数据，才能获得更加准确的渗透率。故其测试时间长，不利于煤层渗透率的快速准确获得。尽管目前出现了煤层原位测试方法，该方法通过胶囊封孔器实现穿层钻孔的座封，然后，将测试装置至于钻孔的密封段内进行流量和压力测试，相对于非原位测试能够获得更加准确的渗透率结果，为瓦斯抽采效果评估提供更加准确的依据，但该方法仍然是在瓦斯试抽采的排放过程中进行，难以根本改变测试时长度，或者，难以获得更加多样的测试数据。因此，为更加方便、快速地进行煤层渗透率原位测试，准确的评估煤层瓦斯抽采效果，本专利技术提供了一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法。
技术实现思路
本专利技术的第一目的就是针对现有技术中在瓦斯排放过程中进行煤层渗透率测试耗时长的不足，提供一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，该装置包括胶囊封阻器和水力增压器，以通过胶囊封阻器在穿层钻孔的煤层外两端形成座封，通过水力增压器向煤层密封段内注入高压气体，通过对注入气体压力和流速的控制和监测，从而获得煤层瓦斯渗透率。其结构简单，测试耗时短，并通过注入压力的变化可获得多种压力条件下的流量参数，使渗透率测试结果更加准确。本专利技术的第二目的是提供一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，该方法基于前述装置实施，并采用阶梯型递增方式增大注入密封段的压力，再以通过该方法获得煤层原位渗透率，为获得更加准确的预估煤层的抽采效果结果创造条件。为实现第一目的，本专利技术采用如下技术方案。一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，包括位于管状结构的连接推杆前端的注气筛管，注气筛管两端分别设有第一胶囊封阻器和第二胶囊封阻器，第一胶囊封阻器连接在连接推杆和注气筛管之间；第一胶囊封阻器的内部穿设有高压注气管，高压注气管一端与注气筛管的进口端连接，另一端由连接推杆内部穿出，并与水力增压器连接，且高压注气管的管路上设有气体压力传感器和气体质量流量控制器；水力增压器内设有无杆活塞，水力增压器由无杆活塞分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管和压力气源择一连通，第二容腔与高压水泵组的第一出口端口连通；所述第二胶囊封阻器的注水口与第一胶囊封阻器的胶囊内部空腔连通，第一胶囊封阻器的注水口与高压水泵组的第二出口端口连通。采用前述技术方案的本专利技术，通过胶囊封阻器在钻孔的煤层段两端形成水力座封，使穿层钻孔的煤层段形成密封段。测试时，通过水力增压方式向煤层内注入压力气体，从而通过对注入气体压力和流速等参数测定，并通过换算获得煤层渗透率。相对于传统测试方法和现有的原位测试方法而言，不是通过检测瓦斯气体进行，而是通过高压注入的气体进行。其测试耗时短，并通过注入压力的变化可获得多种压力条件下的流量参数，使渗透率测试结果更加准确，且装置结构简单、操作方便。优选的，所述第一胶囊封阻器和第二胶囊封阻器的承压能力不小于20MPa；所述第一容腔与注气筛管之间的注气管路承载能力比小于10MPa。以实现10MPa以内的高压气注入效果，确保具有宽泛的增压范围，实现更加精准的测试效果。优选的，所述压力气源为井下风压自救器。以充分利用现有进下条件，减少测试准备工作量，提高测试效率，降低测试成本。进一步优选的，所述连接推杆由多节螺合接长的管段构成。以根据煤层深度选择管段数量和长度，确保使用范围广。优选的，所述高压注气管和压力气源分别通过对应的流体截止阀与所述第一容腔形成择一连通。以通过技术成熟的通用阀门实现通断控制，降低装置复杂程度，减少故障率，确保装置运行可靠性。为实现第二目的，本专利技术采用如下技术方案。一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，基于实现第一专利技术目的的装置实施，包括以下步骤：第一步，测试准备：包括穿层测试钻孔布置和测试装置安装连接；其中，穿层测试钻孔布置包括，根据施工地点和煤层之间的位置关系，在运输大巷、高抽巷、底抽巷或石门类岩石巷道中布置穿层测试钻孔；穿层钻孔直径与煤层渗透率原位测试装置中置入钻孔的连接推杆、注气筛管和胶囊封阻器相匹配；并在穿层钻孔施工过程中，记录钻孔岩石段长度和煤层段长度；测试装置安装连接包括，将高压水泵组布置在井下，按连接关系和通过设置密封垫片进行密封连接固定，并连接数据传输线；按钻孔岩石段长度和煤层段长度确定连接推杆长度，并用确定长度的连接推杆将注气筛管和胶囊封阻器置于钻孔中；第二步，原始煤层瓦斯压力测定：利用高压水泵组向两个胶囊封阻器中注入高压水，使其胶囊膨胀紧贴钻孔内壁，实现对钻孔煤层段的密封，从而形成钻孔煤层密封段；再利用高压水泵组和水力增压器将预先注入第一容腔内的气体以恒定的压力注入钻孔煤层密封段；当钻孔煤层密封段的气体压力达到目标值后，关闭控制阀门；等待钻孔煤层密封段的气体压力稳定，并将该稳定的压力值定义为煤层原始瓦斯压力；第三步，定速注入气体：利用水力增压器和高压水泵组保持第一容腔压力，通过气体质量流量控制器，以恒定速度向钻孔煤层密封段注入气体；通过气体压力传感器监测钻孔煤层密封段的气体压力；待气体压力稳定后，以阶梯型递增方式增加气体注入速度，并在不同气体注入速度条件下，测定钻孔煤层密封段的稳定气体压力值；第四步，煤层渗透率计算：首先，先判断注入的气体在煤层中的流动是否属于达西流动，根据气体注入速度、对应的注入气体压力和原始煤层瓦斯压力，在直角坐标系中描述注气速度Qsc和压力平方差(P12-P02)之间的函数关系，验证随着注气压力的提高，注气速度Qsc是否与压力平方差(P12-P02)呈线性关系；再选取注气速度与压力平方差呈线性关系的数据点，根据气体注入速度、对应的注入气体压力、钻孔煤层密封段长度以及原始瓦斯压力计算煤层渗透率；煤层渗透率计算公式如下：式中：k为岩石渗透率；Psc标准大气压条件下注入气体的压力；Qsc标准大气压条件下注入气体的体积流量；μ为气体动力黏性系数；L为钻孔煤层密封段长度，该长度与注气筛管长度相等；P1为向钻孔煤层密封段注气时的气体压力；P0为原始煤层瓦斯压力；rout为试验影响半径，工程应用中可取为L+b/2，其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，包括位于管状结构的连接推杆(1)前端的注气筛管(2)，注气筛管(2)两端分别设有第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)，第一胶囊封阻器(3)连接在连接推杆(1)和注气筛管(2)之间；第一胶囊封阻器(3)的内部穿设有高压注气管(5)，高压注气管(5)一端与注气筛管(2)的进口端连接，另一端由连接推杆(1)内部穿出，并与水力增压器(6)连接，且高压注气管(5)的管路上设有气体压力传感器(11)和气体质量流量控制器(12)；水力增压器(6)内设有无杆活塞(7)，水力增压器(6)由无杆活塞(7)分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管(5)和压力气源(8)择一连通，第二容腔与高压水泵组(9)的第一出口端口连通；所述第二胶囊封阻器(4)的注水口与第一胶囊封阻器(3)的胶囊内部空腔连通。

【技术特征摘要】
1.一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，包括位于管状结构的连接推杆(1)前端的注气筛管(2)，注气筛管(2)两端分别设有第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)，第一胶囊封阻器(3)连接在连接推杆(1)和注气筛管(2)之间；第一胶囊封阻器(3)的内部穿设有高压注气管(5)，高压注气管(5)一端与注气筛管(2)的进口端连接，另一端由连接推杆(1)内部穿出，并与水力增压器(6)连接，且高压注气管(5)的管路上设有气体压力传感器(11)和气体质量流量控制器(12)；水力增压器(6)内设有无杆活塞(7)，水力增压器(6)由无杆活塞(7)分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管(5)和压力气源(8)择一连通，第二容腔与高压水泵组(9)的第一出口端口连通；所述第二胶囊封阻器(4)的注水口与第一胶囊封阻器(3)的胶囊内部空腔连通。2.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)的承压能力不小于20MPa；所述第一容腔与注气筛管(2)之间的注气管路承载能力不小于10MPa。3.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述压力气源(8)来自井下风压自救器。4.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述连接推杆(1)由多节螺合接长的管段构成。5.根据权利要求1～4中任意一项所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述高压注气管(5)和压力气源(8)分别通过对应的流体截止阀(13)与所述第一容腔形成择一连通。6.一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，基于权利要求1～5中任意一项所述的装置实施，包括以下步骤：第一步，测试准备：包括穿层测试钻孔布置和测试装置安装连接；其中，穿层测试钻孔布置包括，根据施工地点和煤层之间的位置关系，在运输大巷、高抽巷、底抽巷或石门类岩石巷道中布置穿层测试钻孔；穿层钻孔直径与煤层渗透率原位测试装置中置入钻孔的连接推杆(1)、注气筛管(2)和胶囊封阻器相匹配；并在穿层钻孔施工过程中，记录钻孔岩石段长度和煤层段长度；测试装置安装连接包括，将高压水泵组(9)布置在井下，按连接关系和通过设置密封垫片进行密封连接固定，并连接数据传输线；按钻孔岩石段长度和煤层段长度确定连接推杆(1)长度，并用确定长度的连接推杆将注气筛管(2)和胶囊封阻器置于钻孔中；第二步，原始煤层瓦斯压力测定：利用高压水泵组(9)向两个胶囊封阻器中注入高压水，使其胶囊膨胀紧贴钻孔内壁，实现对钻孔煤层段的密封，从而形成钻孔煤层密封段；再利用高压水泵组(9)和水力增压器(6)将预先注入第一容腔内的气体以恒定的压力注入钻孔煤层密封段；当钻孔煤层密封段的气体压力达到目标值后，关闭控制阀门；等待钻孔煤层密封段的气体压力稳定，并将该稳定的压力值定义为煤层原始瓦斯压力；第三步，定速注入气体：利用水力增压器和高压水泵组(9)保持第一容腔压力，通过气体质量流量控制器(12)，以恒定速度向钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铭辉，邓博知，张东明，刘超，鲁俊，吴明洋，赵宏刚，宋真龙，陈嘉琪，尹思禹，石发瑞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50