CN107448188B - 煤层瓦斯参数随钻测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种煤层瓦斯参数随钻测试方法及装置，适用于煤层瓦斯/煤层气参数随钻测试、瓦斯抽采效果评价等。通过随钻测试孔底瓦斯及煤层信息，实现煤层瓦斯参数的随钻随地测试。该装置包括舱体、压力传感器、温度传感器、流量传感器、声发射传感器、监测控制模块、电源模块和通讯模块，安装于钻头与第一钻杆之间。在钻孔过程中，通过温度传感器实时监测测点处温度；停钻期间，封孔形成测压室，通过压力传感器实时监测瓦斯压力；测压结束后，通过流量传感器实时监测钻孔瓦斯涌出流量；综合计算测点处煤层瓦斯压力、瓦斯含量和初始解吸瓦斯量。本发明能随钻随地测试与计算煤层瓦斯/煤层气参数，具有无需取样、随钻随地测试、多参数同步测试等优点。

Description

煤层瓦斯参数随钻测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种煤层瓦斯参数测试方法及装置，尤其是一种适用于煤层瓦斯参数随钻的测试方法及装置，属于煤田瓦斯地质、瓦斯/煤层气抽采及煤矿安全领域。
背景技术
煤层瓦斯赋存、煤层气资源评估、煤层瓦斯抽采、煤层气开发、煤层突出危险性预测、瓦斯灾害治理及效果评价等均涉及到煤层瓦斯参数测试。目前煤层瓦斯含量等参数测试主要采用取样测试，钻孔瓦斯涌出初速度主要在工作面浅孔退钻测试，煤层瓦斯压力主要采用封孔平衡测试方法，或用煤层瓦斯含量反算得到。目前煤层瓦斯含量测试较准确的定点取样快速测定瓦斯含量方法，取样过程复杂，退钻取样过程、取样时间长短、取样方式、取样地点代表性及初始损失量的反算等对煤层瓦斯含量测值准确性影响较大。目前应用非常普遍的钻孔取屑法煤层瓦斯含量快速测试，取样定点性更差，取样时间长度准确性更差，测试误差大。这些方法均存在测点少，对煤层瓦斯分布反映准确性差，易漏掉最大值。煤层瓦斯参数未实现随钻测试。因此，目前无法测试随钻各地的瓦斯参数。
如何能快速、高效、随钻就地、实时测试煤层瓦斯参数，是急需解决的方法和技术问题，应用需求及前景非常广泛，也是对煤层瓦斯参数测试方法的巨大革命。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种能够随钻、实时、就地测试煤层瓦斯多参数的装置及方法，解决目前的技术无法随钻、就地、实时测试煤层瓦斯参数，瓦斯参数测试点少、数据少，测试时间长、过程复杂，无法全面、准确反映煤层瓦斯实际分布等问题。
技术方案：本发明的煤层瓦斯参数随钻测试装置，包括舱体、压力传感器、温度传感器、声发射传感器、封孔模块、流量测试模块、通讯接口、监测控制模块和带有充电接口且可快速拆卸与安装的电源舱，随钻测试装置安装于钻头与随钻测斜仪或第一钻杆之间；所述的舱体为固定各种传感器和模块、中空过水、有过线孔的杆体；流量传感器、温度传感器、压力传感器、声发射传感器、电源舱、通讯接口分别与监测控制模块的相应接口连接，监测控制模块包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制CPU及监测控制电路，电源舱为监测控制模块及与其连接的各用电模块或传感器供电。
所述封孔模块包括包裹在舱体外缘的封孔胶囊、安装于中空水管前端、封孔时起截止作用的主水路开关和封孔胶囊水路开关；所述封孔胶囊的外侧包裹有弧形耐磨片。
所述监测控制模块包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制CPU及监测控制电路；其中，传感器包括HD-LUGB流量传感器、GWD90型温度传感器、GZY25W型压力传感器和GS18声发射传感器，各类传感器并联，独立运行，互不影响，通过各自本身的接口与监测控制模块的接口连接在一起，具有监测信号转换、触发数据采集、定时数据采集、数据分析和控制功能。
所述流量测试模块包括气流孔和安装于其内的气路开关和流量传感器。
所述的压力传感器至少有2个，气流孔至少有2个，温度传感器至少有2个，均匀分布在舱体的四周。
实施上述的煤层瓦斯参数随钻测试装置的测试方法：对煤层瓦斯参数进行随钻自动测试及计算，通过煤层瓦斯参数随钻测试装置，在煤层内钻孔过程中，实时监测并记录测点处温度；停钻或更换第一钻杆期间，封孔形成测压室，实时监测并记录测压室内瓦斯压力；测压结束后，实时监测测压室内气体排放流量及钻孔瓦斯涌出流量；综合计算测点处煤层瓦斯压力、瓦斯含量和初始解吸瓦斯量，具体步骤如下：
a.在煤层钻孔前，在第一钻杆前端安装钻头及能够测量并记录钻头位置的随钻测斜仪，钻头安装到位后，开启随钻测试装置电源开关，钻头向钻孔内钻进；当监测到声发射信号识别出第一钻杆开始钻进后，实时记录水流流量Qsi、压力Pi、温度Ti和声发射信号Ai；
b.正常钻进时，舱体上的主水路开关处于开启状态，水从钻头流出，进行正常钻进和排屑；封孔模块动作由监测控制CPU控制，当监测到声发射信号识别出停止钻进并完成退钻后，关闭主水路开关，开启封孔胶囊水路开关，高压水进入封孔胶囊，水压稳定且无流量时表明胶囊封孔完毕；停止供水，封孔胶囊水路开关关闭，封闭孔底测压室，钻孔煤壁涌出瓦斯使孔底测压室内压力Pi不断升高；在此期间在钻机处更换填加第一钻杆；限定时间测压结束，开启气路开关，实时测定并记录瓦斯流量Qwi；测试流量时间结束或流量小于某一设定值后，停止记录Qwi，关闭气路开关；开启封孔胶囊水路开关，封孔胶囊自动收缩排水，胶囊收缩到位后可以给水继续钻进；
c.钻进到设计位置后，停止钻进；瓦斯流量参数测试结束，且声发射传感器较长时间接收不到钻进信号时，停止采集及监测各信号；
随钻测试装置得到了不同时间的温度、压力、水流流量、瓦斯流量、声发射各指标参数或波形数据；监测装置根据停钻期间测压室内瓦斯压力及变化、瓦斯流量、温度及其变化规律等计算确定不同时间及不同位置处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量；
d.退出第一钻杆，取下随钻测试装置，进行数据通讯；通讯后，在计算机中，结合随钻测斜仪(21)的位置数据，确定钻孔内不同测点处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量。
e.重复步骤a-d，进行下一钻孔的测试。
高压水进入封孔胶囊期间将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封。
在进行下一个钻孔的测试之前，给电源充电，或更换电源模块。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明无需取样测试，即可直接进行测试，避免了取样困难及取样过程造成的测试误差，能够随钻、实时、就地测试煤层瓦斯参数，实现了煤层瓦斯参数的随钻全时间、全空间测试，解决了目前无法随钻、就地、实时测试煤层瓦斯参数，瓦斯参数测试点少、数据少，测试时间长、过程复杂，无法全面、准确反映煤层瓦斯实际分布等问题。其结构简单，操作方便，使用效果好，在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的现场布置结构示意图。
图中：1-钻头；2-封孔胶囊；3-气路开关；4-流量传感器；5-气流孔；6-弧形耐磨片；7-封孔胶囊水路开关；8-通讯接口；9-充电接口；10-电源仓；11-监测控制模块；12-过线孔；13-主水路开关；14-温度传感器；15-压力传感器；16-声发射传感器；17-舱体；18-测压室；19-钻孔；20-第一钻杆；21-随钻测斜仪。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：
如图1所示，本发明的煤层瓦斯参数随钻测试装置，包括舱体17、压力传感器15、温度传感器14、声发射传感器16、封孔模块、流量测试模块、通讯接口8、监测控制模块11和带有充电接口9且可快速拆卸与安装的电源舱10，随钻测试装置安装于钻头1与随钻测斜仪21或第一钻杆20之间；所述的舱体17为固定各种传感器和模块、中空过水、有过线孔12的杆体；流量传感器4、温度传感器14、压力传感器15、声发射传感器16、电源舱10、通讯接口8分别与监测控制模块11的相应接口连接，监测控制模块11包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制CPU及监测控制电路，电源舱10为监测控制模块11及与其连接的各用电模块或传感器供电。
所述封孔模块包括包裹在舱体外缘的封孔胶囊2、安装于中空水管前端、封孔时起截止作用的主水路开关13和封孔胶囊水路开关7；所述封孔胶囊2的外侧包裹有弧形耐磨片6，如图2所示。
所述监测控制模块包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制CPU及监测控制电路；其中，传感器包括HD-LUGB流量传感器、GWD90型温度传感器、GZY25W型压力传感器和GS18声发射传感器，各类传感器并联，独立运行，互不影响，通过各自本身的接口与监测控制模块的接口连接在一起；具有监测信号转换、触发数据采集、定时数据采集、数据分析和控制功能；
所述流量测试模块包括气流孔5和安装于其内的气路开关3和流量传感器4。气路开关的型号为VHS40-04；流量传感器的型号为HD-LUGB。
所述的压力传感器15至少为2个，气流孔5至少为2个，温度传感器14至少2个，均匀分布在舱体17的四周，保证1个埋于随钻测试装置下侧煤屑中时，至少有另1个起作用。压力传感器的型号为GZY25W；温度传感器的型号为GWD90。
实施上述煤层瓦斯参数随钻测试装置的测试方法，对煤层瓦斯参数进行随钻自动测试及计算，通过煤层瓦斯参数随钻测试装置，在煤层内钻孔过程中，实时监测并记录测点处温度；停钻或更换第一钻杆20期间，封孔形成测压室18，实时监测并记录测压室内18瓦斯压力；测压结束后，实时监测测压室18内气体排放流量及钻孔瓦斯涌出流量；综合计算测点处煤层瓦斯压力、瓦斯含量和初始解吸瓦斯量，具体步骤如下：
a.在煤层钻孔前，在第一钻杆20前端安装钻头1及能够测量并记录钻头位置的随钻测斜仪21，钻头1安装到位后，开启随钻测试装置电源开关，钻头1向钻孔19内钻进；当监测到声发射信号识别出第一钻杆20开始钻进后，实时记录水流流量Qsi、压力Pi、温度Ti和声发射信号Ai；
b.正常钻进时，舱体17上的主水路开关13处于开启状态，水从钻头1流出，进行正常钻进和排屑；封孔模块动作由监测控制CPU控制，当监测到声发射信号识别出停止钻进并完成退钻后，关闭主水路开关13，开启封孔胶囊水路开关7，高压水进入封孔胶囊2，高压水进入封孔胶囊2期间将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封。水压稳定且无流量时表明胶囊2封孔完毕；停止供水，封孔胶囊水路开关7关闭，封闭孔底测压室18，钻孔煤壁涌出瓦斯使孔底测压室内18压力Pi不断升高；在此期间在钻机处更换填加第一钻杆20；限定时间测压结束，开启气路开关3，实时测定并记录瓦斯流量Qwi；测试流量时间结束或流量小于某一设定值后，停止记录Qwi，关闭气路开关3；开启封孔胶囊水路开关7，封孔胶囊2自动收缩排水，胶囊收缩到位后可以给水继续钻进；
c.钻进到设计位置后，停止钻进；瓦斯流量参数测试结束，且声发射传感器16较长时间接收不到钻进信号时，停止采集及监测各信号；
随钻测试装置得到了不同时间的温度、压力、水流流量、瓦斯流量、声发射各指标参数或波形数据；监测装置根据停钻期间测压室18内瓦斯压力及变化、瓦斯流量、温度及其变化规律等计算确定不同时间及不同位置处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量；
d.退出第一钻杆20，取下随钻测试装置，进行数据通讯；通讯后，在计算机中，结合随钻测斜仪21的位置数据，确定钻孔内不同测点处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量。
e.重复步骤a-d，进行下一钻孔的测试；在进行下一个钻孔的测试之前，给电源充电，或更换电源模块。

Claims (5)

1.一种煤层瓦斯参数随钻测试装置，其特征在于：该装置包括舱体（17）、压力传感器（15）、温度传感器（14）、声发射传感器（16）、封孔模块、流量测试模块、通讯接口（8）、监测控制模块（11）和带有充电接口（9）且可快速拆卸与安装的电源舱（10），随钻测试装置安装于钻头（1）与随钻测斜仪（21）或第一钻杆（20）之间；所述的舱体（17）为固定各种传感器和模块、中空过水的有过线孔（12）的管体；流量传感器（4）、温度传感器（14）、压力传感器（15）、声发射传感器（16）、电源舱（10）、通讯接口（8）分别与监测控制模块（11）的相应接口连接，电源舱（10）为监测控制模块（11）及与其连接的各用电模块或传感器供电；
所述封孔模块包括包裹在舱体外缘的封孔胶囊（2）、安装于中空水管前端封孔时起截止作用的主水路开关（13）和封孔胶囊水路开关（7）；所述封孔胶囊（2）的外侧包裹有弧形耐磨片（6）；
所述监测控制模块包括各类传感器及模块接口、数据存储器、时钟、监测控制CPU及监测控制电路；其中，传感器包括流量传感器、温度传感器、压力传感器和声发射传感器，各类传感器并联，独立运行，互不影响，通过各自本身的接口与监测控制模块的接口连接在一起，具有监测信号转换、触发数据采集、定时数据采集、数据分析和控制功能；
所述流量测试模块包括气流孔（5）和安装于其内的气路开关（3）和流量传感器（4）。
2.根据权利要求1所述的煤层瓦斯参数随钻测试装置，其特征在于：所述的压力传感器（15）至少有2个，气流孔（5）至少有2个，温度传感器（14）至少有2个，均匀分布在舱体（17）的四周。
3.实施权利要求1所述的煤层瓦斯参数随钻测试装置的测试方法，其特征在于：对煤层瓦斯参数进行随钻自动测试及计算，通过煤层瓦斯参数随钻测试装置，在煤层内钻孔过程中，实时监测并记录测点处温度；停钻或更换第一钻杆（20）期间，封孔形成测压室（18），实时监测并记录测压室（18）内瓦斯压力；测压结束后，实时监测测压室（18）内气体排放流量及钻孔瓦斯涌出流量；综合计算测点处煤层瓦斯压力、瓦斯含量和初始解吸瓦斯量，具体步骤如下：
a.在煤层钻孔前，在第一钻杆（20）前端安装钻头（1）及能够测量并记录钻头位置的随钻测斜仪（21），钻头（1）安装到位后，开启随钻测试装置电源开关，钻头（1）向钻孔（19）内钻进；当监测到声发射信号识别出第一钻杆（20）开始钻进后，实时记录水流流量Qsi、压力Pi、温度Ti和声发射信号Ai;
b.正常钻进时，舱体（17）上的主水路开关（13）处于开启状态，水从钻头（1）流出，进行正常钻进和排屑；封孔模块动作由监测控制CPU控制，当监测到声发射信号识别出停止钻进并完成退钻后，关闭主水路开关（13），开启封孔胶囊水路开关（7），高压水进入封孔胶囊（2），水压稳定且无流量时表明封孔胶囊（2）封孔完毕；停止供水，封孔胶囊水路开关（7）关闭，封闭孔底测压室（18），钻孔煤壁涌出瓦斯使孔底测压室（18）内压力Pi不断升高；在此期间在钻机处添加钻杆；限定时间测压结束，开启气路开关（3），实时测定并记录瓦斯流量Qwi；测试流量时间结束或流量小于某一设定值后，停止记录Qwi，关闭气路开关（3）；开启封孔胶囊水路开关（7），封孔胶囊（2）自动收缩排水，封孔胶囊收缩到位后可以给水继续钻进；
c.钻进到设计位置后，停止钻进；瓦斯流量参数测试结束，且声发射传感器（16）较长时间接收不到钻进信号时，停止采集及监测各信号；
随钻测试装置得到了不同时间的温度、压力、水流流量、瓦斯流量、声发射各指标参数或波形数据；监测控制模块根据停钻期间测压室（18）内瓦斯压力及变化、瓦斯流量、温度及其变化规律计算确定不同时间及不同位置处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量；
d.退出钻杆，取下随钻测试装置，进行数据通讯；通讯后，在计算机中，结合随钻测斜仪（21）的位置数据，确定钻孔内不同测点处的煤层瓦斯含量、瓦斯压力和煤层初始解吸瓦斯量；
e.重复步骤a-d，进行下一钻孔的测试。
4.根据权利要求3所述的煤层瓦斯参数随钻测试装置的测试方法，其特征在于：高压水进入封孔胶囊（2）期间将钻杆低速转动1-2圈，以便更好密封。
5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：在进行下一个钻孔的测试之前，给电源充电，或更换电源模块。
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