CN111677495A - 煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置、钻具及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置、钻具及测量方法，随钻瓦斯测量装置，包括瓦斯测量单元和用于密封瓦斯测量单元与钻孔孔壁之间间隙的封隔单元；瓦斯测量单元包括第一外管和设置在第一外管内的探管，探管与第一外管之间设置有供高压介质流通的间隙；探管外壁与第一外管内壁之间设置有一段用于存储瓦斯气体的密封腔，第一外管管壁上设置有与密封腔连通进气孔，进气孔中设置有第一控制阀；密封腔内设置有瓦斯压力传感器、瓦斯浓度传感器和排气扇。本发明装置与钻具一同伸入钻孔内，可实时测定瓦斯参数，具有时效性且保证测量数据的准确和可靠。
Description
技术领域
本发明涉及属于钻探技术领域，涉及一种煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置、钻具及测量方法。
背景技术
目前煤矿井下定向钻进技术得到广泛应用，包括液动定向钻进和气动定向钻进技术，定向钻孔由于具有轨迹可控的优势，能够钻进至预定区域，且钻孔深度大，达到几百甚至上千米；特别是在工作面顺层定向孔瓦斯治理、掘进条带顺层钻孔预抽或顶板底板梳状孔瓦斯预抽治理中，常出现或遇到需要定向钻孔施工中或者施工后需要实时测量地层瓦斯情况。
而煤层瓦斯压力一般采用封孔平衡测试方法，提钻封孔后注入一定量气体后进行测定，工序复杂，费时费力，对于深孔，实际操作上存在较大难度；对于瓦斯含量等参数测定涉及到深孔取样，取样效果和测试结果均不理想；而且尤其对于深孔，施工后经过卸压和瓦斯消散，实际测量数据并不精确，不能反映原始煤层中瓦斯的真实情况。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测定装置、钻具及测定方法，解决现有的瓦斯测定过程工序复杂、费时费力且测量数据不精确的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，包括瓦斯测量单元和用于密封瓦斯测量单元与钻孔孔壁之间间隙的封隔单元；
所述的瓦斯测量单元包括第一外管和设置在第一外管内的探管，所述的探管与第一外管之间设置有供高压介质流通的间隙；
所述的探管外壁与第一外管内壁之间设置有一段用于存储瓦斯气体的密封腔，所述的第一外管管壁上设置有与密封腔连通进气孔，进气孔中设置有第一控制阀；所述的密封腔内设置有瓦斯压力传感器、瓦斯浓度传感器和排气扇。
具体的，所述的探管包括主体段和凸缘段，所述的主体段外壁与第一外管内壁之间设置有所述的供高压介质流动的间隙；所述的凸缘段的外径与第一外管的内径匹配，所述的凸缘段侧面设置有凹槽，凹槽与第一外管内壁形成所述的密封腔，所述的凸缘段上设置有沿高压介质流动方向贯通的第一通孔。
进一步的，所述的第一外管内设置有用于支撑探管的支撑体。
具体的，所述的封隔单元包括第二外管、能够在高压介质挤压下膨胀的胶筒、第二控制阀和用于控制第二外管中的高压介质向第一外管流通的第三控制阀；
所述的第二外管与第一外管连通；所述的胶筒套接在第二外管外壁上，设置胶筒处的第二外管管壁上设置有第二通孔，第二通孔中设置有第二控制阀。
进一步的，所述的第二外管中设置有控制器，所述的控制器用于控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀的开启与关闭以及排气扇的运行与停止；所述的控制器与第二外管内壁之间设置有供高压介质通过的间隙。
具体的，所述的控制器整体为杆状，控制器与探管连接，所述的第二控制阀连接在控制器中间位置，第三控制阀连接在控制器与探管连接的一端。
本发明还公开了煤矿井下定向钻进钻具，包括依次连接的钻头、螺杆钻具、本发明所述的瓦斯测量装置、轨迹测量仪、通缆钻杆，所述的瓦斯测量装置连接在螺杆钻具与轨迹测量仪之间，其中，瓦斯测量单元与螺杆钻具连接，封隔单元与轨迹测量仪连接。
本发明还公开了煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量方法，该方法采用本发明所述的定向钻进钻具进行钻进和瓦斯测定，该方法具体包括：
步骤1，钻具在孔内钻进时，封隔单元不运行，高压介质通过瓦斯测量单元中探管与第一外管之间的间隙流入螺杆钻具，驱动螺杆钻具运转进行定向钻孔施工，通过轨迹测量仪测量钻孔轨迹数据并发送至孔口监视器，对所施工定向钻孔进行轨迹控制；
步骤2，钻进至预定深度或位置时，停止钻进，对钻具内卸压，采用封隔单元对瓦斯测量单元与钻孔孔壁之间的间隙进行密封；
步骤3，打开第一控制阀，密封后孔底瓦斯气体进入密封腔，瓦斯压力传感器、瓦斯浓度传感器测定数据并实时传输至孔口监视器，根据测定数据随时间变化情况，计算分析瓦斯涌出量和涌出速度；
步骤4，测试完成后，瓦斯压力传感器、瓦斯浓度传感器停止测量和数据发送，封隔单元解封；
步骤5，启动排气扇运转，排出密封腔内瓦斯气体后关闭第一控制阀；
步骤6，完成瓦斯测量工作后，按照步骤1继续定向钻进，若需要测量孔底瓦斯时，按照步骤2至步骤5进行瓦斯参数测量。
具体的，所述的步骤2中封隔单元对瓦斯测量单元与钻孔孔壁之间的间隙进行密封的具体方法为：关闭第三控制阀，打开第二控制阀；再次输入高压介质，高压介质通过第二通孔进入胶筒处，挤压胶筒膨胀，当膨胀压力达到一定值，胶筒外壁与钻孔孔壁紧密接触实现密封；
所述的步骤4中封隔单元的解封方法为：对钻具内卸压，膨胀的胶筒通过第二控制阀也进行卸压，直至胶筒收缩恢复正常状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的瓦斯测量装置连接在钻具上，与钻具一同伸入钻孔内，在定向长钻孔施工中根据要求在预定位置实时测定瓦斯参数，并能够根据参数变化情况计算分析煤层赋存瓦斯情况，不仅具有时效性，而且保证测量数据的准确和可靠。
(2)对于深孔瓦斯测量，通过本发明的瓦斯测量装置，可避免提钻下钻等复杂工序，同时降低实施操作难度。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1记载的随钻瓦斯测量装置的结构示意图。
图2是图1中A-A剖面图。
图3是本发明实施例2记载的定向钻具结构示意图。
图4是本发明实施例3记载的测量方法的流程图。
图中各标号表示为：
1-钻头，2-螺杆钻具，3-瓦斯测量装置，4-轨迹测量仪，5-通缆钻杆，6-送水器或送风器，7-孔口监视器，8-钻孔孔壁；
31-瓦斯测量单元，32-封隔单元，33-控制器；
311-第一外管，312-探管，313-密封腔，314-第一控制阀，315-瓦斯压力传感器，316-瓦斯浓度传感器，317-排气扇，318-支撑体；
3121-主体段，3122-凸缘段，3123-第一通孔；
321-第二外管，322-胶筒，323-第二控制阀，324-第三控制阀。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明中所述的高压介质指高压水或高压气体。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指以相应附图的图面为基准定义的，“内、外”是指以相应附图的轮廓为基准定义的。
实施例1
本实施例公开了一种煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，如图1所示，该瓦斯测量装置包括瓦斯测量单元31和用于密封瓦斯测量单元31与钻孔孔壁8之间间隙的封隔单元32；
其中，瓦斯测量单元31包括第一外管311和设置在第一外管311内的探管312，探管312与第一外管311之间设置有供高压介质流通的间隙。
本实施例中，探管312为一段铜杆体，为目前市面上公知的探管结构形式，铜管内设置有传输导线和数据处理芯片等，本发明的探管用于传输处理瓦斯压力、浓度等参数。第一外管311材质为无磁钢。
探管312外壁与第一外管311内壁之间设置有一段用于存储瓦斯气体的密封腔313。具体的，本实施例的探管312包括主体段3121和凸缘段3122，主体段3121外壁与第一外管311内壁之间设置有供高压介质流动的间隙。凸缘段3122的外径与第一外管311的内径匹配，使得凸缘段3122外壁与第一外管311内壁紧密密封接触，凸缘段3122侧面设置有一段凹槽，凹槽与第一外管311内壁形成密封腔313。并在凸缘段3122上设置有沿高压介质流动方向贯通的第一通孔3123，用于高压介质的流通。
具体的，如图2所示，第一通孔3123为槽型，第一通孔3123沿凸缘段3122周向均匀设置有多个。且第一通孔3123与凹槽在凸缘段3122上错开设置。
在密封腔313内设置有瓦斯压力传感器315、瓦斯浓度传感器316和排气扇317，均与探管312中的传输导线连接。
为了增加探管312的稳定性，在第一外管311内设置有用于支撑探管312的支撑体318，支撑体318具体为固定在第一外管311内壁上的环形支撑。
本发明的封隔单元32可采用现有的密封结构和方式对孔底进行密封，然后使用瓦斯测量单元对密封后孔底的瓦斯气体进行测量。但本发明优选以下封隔单元2的结构形式。
本实施例中的封隔单元32包括第二外管321、能够在高压介质挤压下膨胀的胶筒322、第二控制阀323和用于控制第二外管321中的高压介质向第一外管311流通的第三控制阀324。
第二外管321与第一外管311对接，胶筒322套接在第二外管321外壁上，具体的，在第二外管321外壁上设置有一段凹槽，凹槽的深度与未变形时胶筒322的厚度相同。本实施例中的胶筒322材质为延伸率好、抗剪切性能好的弹性橡胶。
在设置胶筒322处的第二外管321管壁上设置有第二通孔(图中未标出)，第二通孔连通至胶筒322处，并在第二通孔中设置有第二控制阀323。当第二控制阀323打开时，高压介质通过第二通孔进入胶筒322内部，使得胶筒322膨胀，当膨胀压力达到一定值，胶筒322产生足够膨胀量与钻孔孔壁8紧密接触实现密封。
进一步的，为了增加胶筒322的耐磨性，在胶筒322外设计有保护层，保护层可以随着胶筒322一起变形，胶筒322外部的保护层为耐磨性好的弹性橡胶。
为了方便各阀门的控制，在第二外管321中设置有控制器33，控制器33内设置有通讯接口、控制CPU模块、数据存储等功能模块，控制器33用于控制第一控制阀314、第二控制阀323、第三控制阀324的开启与关闭以及排气扇317的运行与停止。且控制器33与第二外管321内壁之间设置有供高压介质通过的间隙。
具体的，本实施例中的第一控制阀314、第二控制阀323、第三控制阀324均为市面上存在的电磁阀。
具体的，控制器33整体为杆状结构，控制器33与探管312连接，第二控制阀323连接在控制器33中间位置，第三控制阀324连接在控制器33与探管312连接的一端。
本实施例的控制器33可通过电缆与孔口监视器7连接，接收孔口监视器7发送的指令信号后控制各阀门以及排气扇分别实现相应的指令动作。
实施例2
本实施例公开了一种煤矿井下定向钻进钻具，如图3所示，该定向钻进钻具包括依次连接的钻头1、螺杆钻具2、实施例1记载的瓦斯测量装置3、轨迹测量仪4、通缆钻杆5。
其中，瓦斯测量单元31的第一外管311与螺杆钻具2连接，封隔单元32中的第二外管321与轨迹测量仪5的外管连接。
本实施例的瓦斯测量装置连接在钻具上，与钻具一同伸入钻孔内，在定向长钻孔施工中根据要求在预定位置实时测定瓦斯参数。
本实施例通过有线通缆方式实现供电和信号传输，可以为孔内仪器提供可靠工作能量来源，信号传输稳定。
另外，可在通缆钻杆5的顶部连接送水器或送风器6，用于向钻具内输送高压水或者高压气体。
实施例3
本实施例公开了一种煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量方法，采用实施例2记载的定向钻进钻具进行钻进和瓦斯测定，流程图如图4所示，该方法具体包括以下步骤：
步骤1，钻具在孔内钻进时，封隔单元32不运行(即本实施例中的第二控制阀323关闭，第二通孔处于不导通状态)，第三控制阀324处于开启状态，高压介质通过瓦斯测量单元31中探管312与第一外管311之间的间隙流入螺杆钻具2，驱动螺杆钻具2运转进行定向钻孔施工，通过轨迹测量仪4测量钻孔轨迹数据并发送至孔口监视器7，对所施工定向钻孔进行轨迹控制。
步骤2，钻进至预定深度或位置时，停止钻进，对钻具内卸压(即不通入高压介质)，采用封隔单元32对瓦斯测量单元与钻孔孔壁8之间的间隙进行密封。本实施例中封隔单元32对瓦斯测量单元31与钻孔孔壁8之间的间隙进行密封的具体方法为：
操作孔口监视器7发出“坐封”指令，控制器33接收指令后控制第三控制阀324关闭，开启第二控制阀323；然后通过孔口再次输入高压介质，高压介质通过第二通孔进入胶筒322处，挤压胶筒322膨胀，当膨胀压力达到一定值，胶筒322外壁与钻孔孔壁8紧密接触实现密封。
步骤3，操作孔口监视器7发出“参数测量”指令，控制器33控制第一控制阀314开启，密封后的孔底瓦斯气体进入密封腔313内，瓦斯压力传感器315、瓦斯浓度传感器316测定数据并实时传输至孔口监视器7，根据测定数据随时间变化情况，计算分析瓦斯涌出量和涌出速度；
步骤4，测试完成后，操作孔口监视器7发出“停止测量”指令，瓦斯压力传感器315、瓦斯浓度传感器316停止测量和数据发送，封隔单元32解封。本实施例中封隔单元32的解封方法为：
对钻具内卸压，膨胀的胶筒322通过第二控制阀323也进行卸压，胶筒322与钻孔孔壁8逐渐分离，直至胶筒322收缩恢复正常状态。
步骤5，操作孔口监视器7发出“排气”指令，启动排气扇317运转，排出密封腔313内瓦斯气体后关闭第一控制阀314。其中，运转时间根据密封腔大小和实际工况确定。
步骤6，完成瓦斯测量工作后，按照步骤1继续定向钻进，在钻进过程中，若需要测量孔底瓦斯时，按照步骤2至步骤5进行瓦斯参数测量。
可以看出，通过本发明的装置和方法，可实现在定向长钻孔施工中根据要求在预定位置实时测定瓦斯参数，并能够根据参数变化情况计算分析煤层赋存瓦斯情况，不仅具有时效性，而且保证测量数据的准确和可靠。同时可避免提钻下钻等复杂工序，降低实施操作难度。
在以上的描述中，除非另有明确的规定和限定，其中的“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是拆卸连接或成一体；可以是直接连接，也可以是间接连接等等。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术方案中的具体含义。
在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，只要其不违背本发明的思想，同样应当视其为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，包括瓦斯测量单元(31)和用于密封瓦斯测量单元(31)与钻孔孔壁(8)之间间隙的封隔单元(32)；
所述的瓦斯测量单元(31)包括第一外管(311)和设置在第一外管(311)内的探管(312)，所述的探管(312)与第一外管(311)之间设置有供高压介质流通的间隙；
所述的探管(312)外壁与第一外管(311)内壁之间设置有一段用于存储瓦斯气体的密封腔(313)，所述的第一外管(311)管壁上设置有与密封腔(313)连通进气孔，进气孔中设置有第一控制阀(314)；所述的密封腔(313)内设置有瓦斯压力传感器(315)、瓦斯浓度传感器(316)和排气扇(317)。
2.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，所述的探管(312)包括主体段(3121)和凸缘段(3122)，所述的主体段(3121)外壁与第一外管(311)内壁之间设置有所述的供高压介质流动的间隙；所述的凸缘段(3122)的外径与第一外管(311)的内径匹配，所述的凸缘段(3122)侧面设置有凹槽，凹槽与第一外管(311)内壁形成所述的密封腔(313)，所述的凸缘段(3122)上设置有沿高压介质流动方向贯通的第一通孔(3123)。
3.如权利要求1或2所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，所述的第一外管(311)内设置有用于支撑探管(312)的支撑体(318)。
4.如权利要求1所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，所述的封隔单元(32)包括第二外管(321)、能够在高压介质挤压下膨胀的胶筒(322)、第二控制阀(323)和用于控制第二外管(321)中的高压介质向第一外管(311)流通的第三控制阀(324)；
所述的第二外管(321)与第一外管(311)连通；所述的胶筒(322)套接在第二外管(321)外壁上，设置胶筒(322)处的第二外管(321)管壁上设置有第二通孔，第二通孔中设置有第二控制阀(323)。
5.如权利要求4所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，所述的第二外管(321)中设置有控制器(33)，所述的控制器(33)用于控制第一控制阀(314)、第二控制阀(323)、第三控制阀(324)的开启与关闭以及排气扇(317)的运行与停止；所述的控制器(33)与第二外管(321)内壁之间设置有供高压介质通过的间隙。
6.如权利要求5所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量装置，其特征在于，所述的控制器(33)整体为杆状，控制器(33)与探管(312)连接，所述的第二控制阀(323)连接在控制器(33)中间位置，第三控制阀(324)连接在控制器(33)与探管(312)连接的一端。
7.煤矿井下定向钻进钻具，包括依次连接的钻头(1)、螺杆钻具(2)、轨迹测量仪(4)、通缆钻杆(5)，其特征在于，还包括权利要求1至6任一项所述的瓦斯测量装置(3)，所述的瓦斯测量装置(3)连接在螺杆钻具(2)与轨迹测量仪(4)之间，其中，瓦斯测量单元(31)与螺杆钻具(2)连接，封隔单元(32)与轨迹测量仪(5)连接。
8.煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量方法，其特征在于，采用权利要求7所述的定向钻进钻具进行钻进和瓦斯测定，该方法具体包括：
步骤1，钻具在孔内钻进时，封隔单元(32)不运行，高压介质通过瓦斯测量单元(31)中探管(312)与第一外管(311)之间的间隙流入螺杆钻具(2)，驱动螺杆钻具(2)运转进行定向钻孔施工，通过轨迹测量仪(4)测量钻孔轨迹数据并发送至孔口监视器(7)，对所施工定向钻孔进行轨迹控制；
步骤2，钻进至预定深度或位置时，停止钻进，对钻具内卸压，采用封隔单元(32)对瓦斯测量单元与钻孔孔壁(8)之间的间隙进行密封；
步骤3，打开第一控制阀(314)，密封后孔底瓦斯气体进入密封腔(313)，瓦斯压力传感器(315)、瓦斯浓度传感器(316)测定数据并实时传输至孔口监视器(7)，根据测定数据随时间变化情况，计算分析瓦斯涌出量和涌出速度；
步骤4，测试完成后，瓦斯压力传感器(315)、瓦斯浓度传感器(316)停止测量和数据发送，封隔单元(32)解封；
步骤5，启动排气扇(317)运转，排出密封腔(313)内瓦斯气体后关闭第一控制阀(314)；
步骤6，完成瓦斯测量工作后，按照步骤1继续定向钻进，若需要测量孔底瓦斯时，按照步骤2至步骤5进行瓦斯参数测量。
9.如权利要求8所述的煤矿井下定向钻进随钻瓦斯测量方法，其特征在于，所述的步骤2中封隔单元(32)对瓦斯测量单元(31)与钻孔孔壁(8)之间的间隙进行密封的具体方法为：关闭第三控制阀(324)，打开第二控制阀(323)；再次输入高压介质，高压介质通过第二通孔进入胶筒(322)处，挤压胶筒(322)膨胀，当膨胀压力达到一定值，胶筒(322)外壁与钻孔孔壁(8)紧密接触实现密封；
所述的步骤4中封隔单元(32)的解封方法为：对钻具内卸压，膨胀的胶筒(322)通过第二控制阀(323)也进行卸压，直至胶筒(322)收缩恢复正常状态。
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