一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置

摘要

本发明一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置。能够在不抽出钻杆前提下实现煤层瓦斯压力测定，特别适用于测定易塌孔煤层瓦斯压力。包括钻进系统、封孔系统、测压系统。在钻进达到设计钻孔深度后，退出钻机并将钻杆退后超过封隔胶囊槽宽度的一段距离，连通供液和排液管路，连接瓦斯压力测定导线及仪器，封闭冷却水通道和封隔钻杆外周与钻孔壁间空隙，形成封闭空间。开启瓦斯压力测定仪，测定封闭空间中瓦斯压力变化，稳定压力即为该钻孔原位瓦斯压力。最后，通过对胶囊活塞、封隔胶囊、套管胶囊的操作，恢复冷却水通道的连通，封闭瓦斯压力探头腔体，恢复滑动螺纹套管螺纹位置，拆除钻杆外供液和排液管路及瓦斯压力测定装置，拔出钻杆或继续钻进。

权利要求

1.一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置，包括钻进系统、封孔系统、测压系统，其特征在于，

1）所述钻进系统包括杆体、螺纹、第一供液通道、第二供液通道、第三供液通道、导线通道、活动螺纹套管、封隔胶囊槽、套管滑动机构、钻头、第一冷却水通道和第二冷却水通道、第一胶囊活塞和第二胶囊活塞、瓦斯压力测定探头腔体；所述钻进系统通过钻头破坏煤体，通过钻杆杆体和钻杆螺纹排渣，通过向冷却水通道供水提供降温和辅助排渣功能；

2）所述封孔系统包括供液泵、真空泵、高压管路、四通阀、开关、三通阀、高压铝塑管、压力表组成的钻杆外供液或排液系统、供液通道、胶囊活塞、套管滑动机构、第一和第二封隔胶囊；所述供液泵和真空泵通过2个四通阀和3个三通阀控制3条供液通道液体的供给和排出，共有3条供液管和3条排液管，分别有6个开关控制其连通与否，3个压力表用于观察3个供液通道液体的实时压力；所述第一供液通道、第三供液通道、套管滑动机构、第一封隔胶囊和第二封隔胶囊控制钻杆与孔壁间空气的封隔；所述第一封隔胶囊和第二封隔胶囊为环状胶囊；所述套管滑动机构包括套管肋板、套管滑动环板、第一套管胶囊、第二套管胶囊、活动螺纹套管，当第一供液通道增压，第三供液通道减压，则第一套管胶囊增压伸长、第二套管胶囊减压缩短，套管滑动环板借助套管肋板带动活动螺纹套管向孔底方向沿套管胶囊滑动轴滑动，直到完全打开封隔胶囊槽，使第一封隔胶囊和第二封隔胶囊暴露于孔壁；最后使第二供液通道、第一封隔胶囊和第二封隔胶囊增压伸长，压紧孔壁，隔绝孔内外的气体流通联系；所述第二供液通道、第一胶囊活塞控制封隔冷却水通道，当第二供液通道增压，则第一胶囊活塞增压伸长，使第一胶囊活塞封隔冷却水通道，完成封孔工作；正常钻进情况下，第一封隔胶囊和第二封隔胶囊减压收缩，滑动套管与钻杆螺纹和钻杆杆体紧密接触，第二套管胶囊增压伸长，第一套管胶囊减压收缩，第二胶囊活塞增压伸长，第一胶囊活塞减压收缩；测压状态下，第一套管胶囊增压伸长，第二套管胶囊减压收缩，第二胶囊活塞减压收缩，第一胶囊活塞增压伸长，第一封隔胶囊和第二封隔胶囊增压伸长；

3）所述测压系统包括第二胶囊活塞、第三供液通道、瓦斯压力测定探头、瓦斯压力测定导线、瓦斯压力测定仪；所述瓦斯压力测定探头安装于瓦斯压力测定探头腔体内，由导线通道内导线、瓦斯压力测定导线连接到瓦斯压力测定仪；第三供液通道压力降低时，第二胶囊活塞减压收缩，瓦斯压力测定探头腔体出口打开，瓦斯气体由冷却水通道进入瓦斯压力测定探头腔体，由瓦斯压力测定探头测定瓦斯压力，数据经瓦斯压力测定导线传到瓦斯压力测定仪。

说明书

一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置，可原位测定煤层瓦斯压力，特别适用于测定易塌孔松软煤层瓦斯压力。

背景技术

[0002] 煤层瓦斯压力是瓦斯喷出和煤与瓦斯突出的动力，与煤层瓦斯含量存在正向关系。煤层瓦斯压力测定是防治煤矿瓦斯灾害的一项基础工作，也是检验突出煤层经抽放后是否消突的重要手段。目前测试煤层瓦斯压力，多采用煤炭行业标准AQ10478－2007《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法的规定》所规定的注浆泵封孔的被动式方法。测试原理为，利用煤层中瓦斯的自然渗透原理测定在钻孔揭露处达到平衡的瓦斯压力，该测试利用穿层钻孔将导气管放置在煤层中，导气管与孔口压力表相接，煤层瓦斯流体的压力变化通过测压管反映在外接压力表上，每天观察压力值的变化，待压力值达到稳定一周后完成该孔的煤层瓦斯压力测试，测试一个孔的周期一般为30d左右。

[0003] 目前，对煤层进行瓦斯压力测定主要采用先打钻孔，而后将测压装置送入钻孔深部，最后进行封孔测压。在成孔后撤出钻杆的过程会导致钻孔周围一定范围煤体内的瓦斯迅速释放，且封孔工序又延长了钻孔周围煤体内瓦斯的释放时间，从而导致需要用更长的测定时间才能测到真实的瓦斯压力值；另外，在对松软煤层进行钻孔测压时，常常出现钻孔垮塌、堵塞现象，这样一来就导致了接下来的测压工作无法进行。

[0004] 由于现在采掘技术与装备的进步，煤巷掘进速度越来越快，而防突的压力也越来越大，只有通过不断缩短各项预防突出指标的测试时间来弥补防突带来的生产效率损失。按照现有的防突规程，除了煤层瓦斯压力以外的防突指标测试基本可以做到随钻随测，当天就可以得到各种测试指标数据。

[0005] 为缓解煤层瓦斯压力测定与掘进之间的时间矛盾，且便于测定易于塌孔软煤瓦斯压力，提出了一种自钻式煤层瓦斯压力测定装置，可以做到随钻随测，大大缩短煤层瓦斯压力测定的时间。

发明内容

[0006] 针对上述问题，本发明提供一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置，该装置可适用于大多数煤层瓦斯压力的测定，特别是对于钻孔易塌、易堵的松软煤层，可大幅度提高测定效率，并且由于采用双排封孔胶囊封孔大大提高测定压力值的可靠性。

[0007] 本发明提供一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置。该装置包括钻进系统，封孔系统和测压系统。

[0008] 所述钻进系统包括杆体、螺纹、第一供液通道、第二供液通道、第三供液通道、导线通道、活动螺纹套管、封隔胶囊槽、套管滑动机构、钻头、第一冷却水通道和第二冷却水通道、第一胶囊活塞和第二胶囊活塞、瓦斯压力测定探头腔体。钻进系统通过钻头破坏煤体，通过钻杆杆体和钻杆螺纹排渣，通过向冷却水通道供水提供降温和辅助排渣功能。

[0009] 所述封孔系统包括供液泵、真空泵、高压管路、四通阀、开关、三通阀、高压铝塑管、压力表组成的钻杆外供液或排液系统、供液通道、胶囊活塞、套管滑动机构、封隔胶囊。供液泵和真空泵通过2个四通阀和3个三通阀控制3条供液通道液体的供给和排出，共有3条供液管和3条排液管，分别有6个开关控制其连通与否，3个压力表用于观察3个供液通道液体的实时压力。第一供液通道、第三供液通道、套管滑动机构、第一封隔胶囊和第二封隔胶囊控制钻杆与孔壁间空气的封隔；所述第一封隔胶囊和第二封隔胶囊为环状胶囊；所述套管滑动机构包括套管肋板、套管滑动环板、第一套管胶囊、第二套管胶囊、活动螺纹套管。当第一供液通道增压，第三供液通道减压，则第一套管胶囊增压伸长、第二套管胶囊减压缩短，套管滑动环板借助套管肋板带动活动螺纹套管向孔底方向沿套管胶囊滑动轴滑动，直到完全打开封隔胶囊槽，使第一封隔胶囊和第二封隔胶囊暴露于孔壁。最后使第二供液通道增压，使第一封隔胶囊和第二封隔胶囊增压伸长，压紧孔壁，隔绝孔内外的气体流通联系。第二供液通道、第一胶囊活塞控制封隔冷却水通道，当第二供液通道增压、则第一胶囊活塞增压伸长，使第一胶囊活塞封隔冷却水通道；完成封孔工作。正常钻进情况下，第一封隔胶囊和第二封隔胶囊减压收缩，滑动套管与钻杆螺纹和钻杆杆体紧密接触，第二套管胶囊增压伸长，第一套管胶囊减压收缩，第二胶囊活塞增压伸长，第一胶囊活塞减压收缩。测压状态下，第一套管胶囊增压伸长，第二套管胶囊减压收缩，第二胶囊活塞减压收缩，第一胶囊活塞增压伸长，第一封隔胶囊和第二封隔胶囊增压伸长。

[0010] 所述测压系统包括第二胶囊活塞、第三供液通道、瓦斯压力测定探头、瓦斯压力测定导线、瓦斯压力测定仪。所述瓦斯压力测定探头安装于瓦斯压力测定探头腔体内，由导线通道内导线、瓦斯压力测定导线连接到瓦斯压力测定仪。第三供液通道压力降低时，第二胶囊活塞收缩，瓦斯压力测定探头腔体出口打开，瓦斯气体由冷却水通道进入瓦斯压力测定探头腔体，由瓦斯压力测定探头测定瓦斯压力，数据经瓦斯压力测定导线传到瓦斯压力测定仪。

附图说明

[0011] 图1是本发明一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置剖面示意图。

[0012] 图中：1为瓦斯压力测定仪；2为瓦斯压力测定导线；3为真空泵；4为第一高压铝塑管；5为第一四通阀；6为第二高压铝塑管；7为第一开关； 8为第一三通阀；9 为第三高压铝塑管； 10为第一压力表；11为第四高压铝塑管；12为第二开关；13为第二三通阀；14 为第二压力表； 15 为第五高压铝塑管；16 为第三开关；17 为第六高压铝塑管； 18为第三三通阀；19为第七高压铝塑管；20为第三压力表； 21为供液泵；22为第八高压铝塑管；23为第二四通阀； 24为第四开关； 25为第九高压铝塑管；26为第五开关；27为第十高压铝塑管；28为第六开关；29为第十一高压铝塑管；30为钻杆螺纹；31为钻杆杆体；32为煤体；33为钻孔；34为第一供液通道； 35为第二供液通道；36为第一冷却水通道；37为瓦斯压力测定导线通道；38为第三供液通道；39为第二冷却水通道；40为第一胶囊活塞；41为瓦斯压力测定探头；42为瓦斯压力测定探头腔体；43为第二胶囊活塞；44为第一封隔胶囊；45为封隔胶囊槽；46为第二封隔胶囊；47为活动螺纹套管；48为第一套管胶囊；49为套管胶囊轴；50为套管滑动环板；51为第二套管胶囊；52为集气空间；53为钻头； 54为套管肋板。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0014] 本发明提供一种自钻式煤层瓦斯压力原位测定装置。

[0015] 如图1所示，本发明的具体步骤如下。

[0016] （1）钻进到设定深度后，将钻杆向钻孔口方向移动，移动距离大于封隔胶囊槽宽度，小于封隔胶囊槽宽度的2倍。钻机退后一段距离，从钻机上退出钻杆。

[0017] （2）连接第七高压铝塑管19和第一供液通道34、第五高压铝塑管15和第二供液通道35、第三高压铝塑管9和第三供液通道38、瓦斯压力测定导线2和瓦斯压力测定导线通道37内的导线。

[0018] （3）关闭第二开关12、第三开关16、第四开关24、第五开关26，打开第一开关7和第六开关28，开启供液泵21和真空泵3。供液泵21通过第八高压铝塑管22、第二四通阀23、第六开关28、第十一高压铝塑管29、第三三通阀18、第七高压铝塑管19、第一供液通道34控制第一套管胶囊48；真空泵3通过第一高压铝塑管4、第一四通阀5、第二高压铝塑管6、第一开关7、第一三通阀8、第三高压铝塑管9，第三供液通道38控制第二胶囊活塞43和第二套管胶囊
51；第一压力表10读数降低，第三压力表20读数升高。第二胶囊活塞43收缩，使瓦斯压力测定探头与第二冷却水通道39连通，感受集气空间52的气体压力。第二套管胶囊51减压收缩、第一套管胶囊48增压伸长，沿套管胶囊轴49滑动收缩，推动套管滑动环板50、套管肋板54和活动螺纹套管47向孔底方向滑动，使第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46暴露出来。

[0019] （4）关闭第二开关12、第三开关16、第四开关24、第六开关28、第一开关7，打开第五开关26，关闭真空泵3，继续开启供液泵21。供液泵21通过第八高压铝塑管22、第二四通阀23、第五开关26、第十高压铝塑管27、第二三通阀13、第五高压铝塑管15、第二供液通道35控制第一胶囊活塞40、第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46；第二压力表14读数增加，第一胶囊活塞40增压伸长，封堵第一冷却水通道36，隔绝钻杆内第一冷却水通道36与第二冷却水通道39间的气体流通联系；供液泵向第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46供液增压，第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46增压伸长，压紧孔壁，隔绝钻杆与孔壁间封隔胶囊内外的气体流通联系；完成封孔工作。

[0020] （5）开启瓦斯压力测定仪1，实时读取测压探头41数据，当数据保持稳定时，可认为测压完成。

[0021] （6）测压工作完成后，关闭第一开关7、第三开关16、第四开关24、第五开关26、第六开关28，打开第二开关12，关闭供液泵21，开启真空泵3。真空泵3通过第一高压铝塑管4、第一四通阀5、第四高压铝塑管11、第二三通阀13、第五高压铝塑管15、第二供液通道35，控制第一胶囊活塞40、第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46。第二压力表14读数降低，第一胶囊活塞40收缩，第一冷却水通道36和第二冷却水通道39恢复连通；第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46收缩，离开孔壁，紧贴杆体。

[0022] （7）关闭第五开关26、第六开关28、第一开关7、第二开关12，打开第三开关16、第四开关24，同时打开供液泵21，并维持真空泵3运行。真空泵3通过第一高压铝塑管4、第一四通阀5、第六高压铝塑管17、第一三通阀18、第七高压铝塑管19、第一供液通道34控制第一套管胶囊48，使第一套管胶囊48收缩；供液泵21通过第八高压铝塑管22、第二四通阀23、第九高压铝塑管25、第一三通阀8、第三高压铝塑管9、第三供液通道38控制第二胶囊活塞43和第二套管胶囊51。第一压力表10读数增加，第三压力表20读数降低。第二胶囊活塞43增压伸长，封堵瓦斯压力测定探头腔体42，使瓦斯压力测定探头41不受到正常钻进时冷却水通道中水的影响；第二套管胶囊51增压沿套管胶囊轴49伸长，第一套管胶囊48沿套管胶囊轴49收缩，推动套管滑动环板50、套管肋板54和活动螺纹套管47向孔口方向滑动，保持钻杆螺纹的连续性，并使第一封隔胶囊44和第二封隔胶囊46与孔壁隔离。

[0023] （8）断开第七高压铝塑管19和第一供液通道34、第五高压铝塑管15和第二供液通道35、第三高压铝塑管9和第三供液通道38、瓦斯压力测定导线2和瓦斯压力测定导线通道37内的导线。

[0024] （9）退出钻杆，或连接钻机与钻杆继续钻进。

[0025] （10）钻进其他钻孔或继续钻进达到设计钻孔深度后，需要测定瓦斯压力时，重复步骤（1）（9）。~