一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头及测试方法技术

本发明专利技术公开了一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头及测试方法，在钻孔过程中实时通过核磁探头对钻孔周围的煤体进行核磁探测，完成钻孔施工后即实现一次核磁探测过程，然后该钻孔能用于后续瓦斯抽采，这种一次钻孔具有多种作用的方式，一方面减少额外钻设多个钻孔；另一方面可通过核磁测试手段对钻进和退钻过程中分别进行核磁探测，实现实时原位煤层的无损监测，并大幅提升数据有效性及可信度；最后，分别将钻进时获得的多个核磁弛豫信息形成集合，及退钻时获得的多个核磁弛豫信息形成集合，通过设定的标准进行判断，最终能确定钻孔周围的煤层孔隙结构是否因钻孔卸压发生变化，进而根据变化情况及时采取相应措施，保证后续煤层开采的安全性。后续煤层开采的安全性。后续煤层开采的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头及测试方法


[0001]本专利技术涉及一种煤层探测
，具体是一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头及测试方法。

技术介绍

[0002]煤层结构的高精准测试是评估煤炭资源量及煤层瓦斯分布的重要手段之一。受原地应力和采动应力的直接影响，煤基质内的多尺度孔裂隙结构及分布呈动态变化过程。当卸压钻孔形成后，从应力释放角度来看，容易在钻孔周围形成“破碎区
‑
应力集中区
‑
原岩应力区”三带；从孔隙演化角度来看，裂隙结构分布复杂性沿钻孔距离呈四周辐射状。目前，现有的煤层基本属性探测手段主要有钻探法、物探法等。其中钻探法主要是通过向煤层中钻取大量钻孔进行岩心钻取，并送至实验室进行各种基本参数测定，这种方法测试手段较为直接简单，岩心钻取量较多，测试数据较为充分。物探法主要是借助大量的地质勘探仪器(如电磁辐射仪、超声波仪等)对目标煤层进行系列参数测定，需要借助布设大量的传感器和选择多个测试地点，通过优化算法进行数据计算，进而反演得到煤层结构相关基本参数数值。
[0003]但是上述现有技术在应用上还存在一些限制，如钻探法需要钻取大量的岩心数据，很难做到原位煤体结构的监测，并且获取的岩心在实验室测试得到的结果未考虑原煤体地应力的影响而出现数据失真等现象，同时，实验室各种测试手段的煤岩样品具有严格的尺寸要求，不能够完全反映出区域煤层的结构分布。物探法测试仪器容易受地层结构、地磁分布、水气赋存等天然条件的影响而出现仪器失灵、无法校准、数据失真等现象，容易造成测试数据与真实数据之间的误差较大。
[0004]目前，采用无损监测手段(如核磁共振)对测试煤体结构具有一定的先进性和可行性，核磁共振技术主要是以1H质子为探针，利用CPMG序列对氢质子的自旋回波串的衰减信号进行集成反演，得到样品的横向弛豫分布曲线。但是目前核磁共振方法局限于实验室内部的单个煤岩试样的饱水和离心状态下的测试，通过考察两种状态下的幅值差来确定煤岩试样自由孔的空间体积占比，并未考虑到现场地应力作用对煤体结构的实时影响。因此，如何实现将核磁共振监测技术能直接对煤层内部的储层结构实时探测，进而有效提高核磁利用效率及煤层结构的探测精度，是本行业的研究方向之一。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头及测试方法，能在钻孔卸压过程中实时对钻孔周围的煤体孔隙结构进行核磁共振监测，进而有效提高核磁利用效率及煤层结构的探测精度，最终确定钻孔周围的煤层孔隙结构及其变化情况。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头，包括钻头、钻杆、核磁探头、电磁转换器、射频发生装置和信号处理器，核磁
探头包括探头外壳、天线、环形主磁体和环形次磁体，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均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；
[0007]所述探头外壳为圆筒形，探头外壳两端均设有轴承，所述钻杆一端穿过探头外壳，且通过支撑杆与轴承固定连接，使钻杆能相对核磁探头旋转，钻头固定在钻杆一端，电磁转换器与两条引出线连接，射频发生装置和信号处理器分别与电磁转换器之间通过信号传输线连接。
[0008]进一步，所述两个环形主磁体的S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。
[0009]进一步，还包括圆形固线器，圆形固线器包括环形盘体和多个伸缩弹簧，环形盘体套在钻杆上，多个伸缩弹簧一端分别与环形盘体内圆周面连接、另一端相互连接；环形盘体开设两个穿线孔，使天线的两条引出线分别从两个穿线孔穿过环形盘体，且引出线侧部与穿线孔固定连接；所述环形盘体为弹性材质。设置这个结构能多两条引出线起到导向限位作用，防止钻孔时引出线与钻孔壁接触摩擦，造成损坏；另外由于伸缩弹簧和环形盘体为弹性材质具有伸缩功能，能在钻孔时随着钻孔直径的变化而相应调整。
[0010]一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头的测试方法，具体步骤为：
[0011]A、先在进风巷或回风巷确定钻孔施工位置，然后在该位置安装水钻钻机，将随钻探头安装在水钻钻机上，并将电磁转换器、射频发生装置和信号处理器均布置在进风巷或回风巷内，同时完成相互连接；
[0012]B、在开启钻孔施工之前先对随钻探头进行消磁处理，完成后利用钻机带动随钻探头向煤层进行超前钻孔钻取，钻头及钻杆旋转钻进过程中，由于轴承作用使得核磁探头不随钻旋转，从而保证核磁探头后续工作的稳定性，在钻孔过程中设定多个钻进测量深度，每当随钻探头钻进至设定的一个钻进测量深度时，则停止钻进，并开启射频发生装置，此时该射频发生装置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，接着关闭射频脉冲发生装置，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，获取当前位置的核磁弛豫信息；如此重复，能在钻进过程中获得各个设定钻进测量深度位置的核磁弛豫信息；
[0013]C、待煤层钻进完毕后开始退钻，每当随钻探头钻进至设定的一个钻进测量深度时，则停止退钻工作，并重复上述钻进时的探测过程，从而能在退钻过程中获得各个设定钻进测量深度位置的核磁弛豫信息；
[0014]D、对同一钻孔钻进时、退钻时的核磁弛豫信息进行统计汇总，将钻进时获得的各个设定钻进测量深度位置的核磁弛豫信息形成集合设为M，退钻时获得的各个设定钻进测
量深度位置的核磁弛豫信息形成集合设为N，通过对比这两类集合的隶属关系确定该钻孔的孔隙结构演化特征，具体为：
[0015]若M∩N≠M∪N，则确定钻孔周围的煤层孔隙结构因卸压发生变化；若M∩N＝M∪N，则确定钻孔周围的煤层孔隙结构未发生变化。
[0016]进一步，所述钻孔的直径为200～250mm。
[0017]与现有技术相比，本专利技术在钻孔过程中实时通过核磁探头对钻孔周围的煤体进行核磁实地探测，完成钻孔施工后即实现一次核磁探测过程，然后该钻孔能用于后续瓦斯抽采，这种一次钻孔具有多种作用的方式，一方面减少了需要额外钻设多个钻孔进而获取大量岩心的方式，节省了大量的前期成本投入，实现了一孔多用；另一方面可通过核磁测试手段对钻进和退钻过程中分别进行核磁探测，进而能获得整个钻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头，其特征在于，包括钻头、钻杆、核磁探头、电磁转换器、射频发生装置和信号处理器，核磁探头包括探头外壳、天线、环形主磁体和环形次磁体，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均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；所述探头外壳为圆筒形，探头外壳两端均设有轴承，所述钻杆一端穿过探头外壳，且通过支撑杆与轴承固定连接，使钻杆能相对核磁探头旋转，钻头固定在钻杆一端，电磁转换器与两条引出线连接，射频发生装置和信号处理器分别与电磁转换器之间通过信号传输线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头，其特征在于，所述两个环形主磁体的S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。3.根据权利要求1所述的一种基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头，其特征在于，还包括圆形固线器，圆形固线器包括环形盘体和多个伸缩弹簧，环形盘体套在钻杆上，多个伸缩弹簧一端分别与环形盘体内圆周面连接、另一端相互连接；环形盘体开设两个穿线孔，使天线的两条引出线分别从两个穿线孔穿过环形盘体，且引出线侧部与穿线孔固定连接；所述环形盘体为弹性材质。4.一种根据权利要求1至3所述基于核磁共振的煤储层结构测试随钻探头的测试方法，其特征在于，具体步骤为：A、先在进风巷或回风巷确定钻孔施工位置，然后在该位置安装水钻钻...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐吉钊，翟成，徐鹤翔，朱薪宇，余旭，刘厅，孙勇，丛钰洲，郑仰峰，唐伟，王宇，黄婷，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：