CN114809915B - 一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置及测压方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于矿井瓦斯抽采中的高端装备制造技术领域，尤其涉及一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置及测压方法，该装置主要包括定向钻机、高压水泵、气压泵、压力表、水尾、双层钻杆、钻头以及钻孔密封器等。钻孔密封器主要包括液压腔室、锚定爪和压缩式密封胶筒；液压腔室提供压力，锚定爪用于固定钻杆和钻孔密封器，压缩式密封胶筒可对钻孔进行封堵。本装置使用钻孔密封器与钻头连接，可在长钻孔内直接测压，无需撤离钻杆，从而避免出现因撤出钻杆造成的钻孔垮塌、瓦斯泄漏等问题。

Description

一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置及测压方法

技术领域

本发明属于矿井瓦斯抽采中的高端装备制造技术领域，尤其涉及一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置及测压方法。

背景技术

煤层的瓦斯压力是矿井瓦斯基本参数之一，它对于确定煤层瓦斯含量、进行矿井瓦斯涌出治理，瓦斯抽放以及煤与瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意义。目前所用的瓦斯压力测定方法大多采用先打钻孔，钻孔到合适的深度后撤出钻杆，送入封孔测压装置，封堵钻孔之后进行测压。如公开号为CN111980682A，发明名称为“一种超长钻孔煤层瓦斯压力测试装置及方法”的中国专利，在钻孔到达指定位置后撤出钻杆，使用驱动行走装置带动瓦斯压力传感器和膨胀胶囊到达测压气室。但撤出钻杆的过程中会导致煤体内的部分瓦斯释放，对煤层瓦斯压力造成扰动，且膨胀胶囊在行进中会与孔壁摩擦，无法保证完好的密封性，增加了测定的难度。目前大多数钻孔长度在100米左右，但随着定向千米钻机的普及，煤矿内300米以上的长钻孔越来越多，长钻孔进行瓦斯压力测定时会出现封堵装置难以送至深层位置、钻杆撤出时容易出现钻孔垮塌、堵塞等问题，导致接下来的测压工作无法进行，而设计深长孔测压装置，尤其是能准确测量压力的装置亟待解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置及测压方法，本装置在钻孔装置的基础上，使用钻孔密封器与钻头连接，钻头到达测压煤层时，由钻孔密封器对钻孔进行密封，并进行测压。此法不需要撤离钻杆，可以使打钻和封孔测压同时进行，且可以在钻进位置进行原位测定，测得瓦斯压力更加准确，更适用于长钻孔内的瓦斯压力测定。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置，包括定向钻机、高压水泵、气压泵、压力表、水尾、双层钻杆、钻头以及钻孔密封器，双层钻杆包括内外双层通道，双层钻杆内通道和双层钻杆外通道通过支撑板连接，当作为钻孔装置使用时，钻进时双层钻杆尾部连接定向钻机，内通道与高压水泵联通；当作为测压装置使用时，还包括设置于双层钻杆与定向钻机之间的水尾，所述水尾设有两个入口，入口一与内通道联通，入口二与外通道联通，测压时双层钻杆内通道通过入口一连接气压泵和压力表作为瓦斯测压通道，外通道通过入口二连接高压水泵提供液压，所述钻孔密封器套设于双层钻杆外侧用于固定钻杆、密封钻孔，双层钻杆头部设有钻头。

进一步的，所述钻孔密封器位于钻杆前端外通道直径缩小段，所述钻孔密封器在不工作时其外径小于钻头外径可以保证在钻进时钻孔密封器不与钻孔壁接触，钻孔密封器包括位于前端的爪座，位于后端的压缩式密封胶筒，和位于中部的壳体，所述壳体内后端设有后活塞，壳体内前端设有前活塞，前活塞前端设有顶撑，所述压缩式密封胶筒、前活塞、后活塞和顶撑均活动套设于双层钻杆外侧，所述爪座为固定设置于双层钻杆外的凸起座，爪座后端设有多个与顶撑相互匹配的锚定爪，所述前活塞和后活塞之间设有液压腔室，该液压腔室所在的双层钻杆的外通道上分别设有至少一个通孔，外通道通过该通孔与液压腔室联通，液压腔室内有可自由滑动的前后活塞，其中后活塞连接压缩式密封胶筒，密封胶筒受到挤压时向外扩展，对钻孔进行封堵；前活塞连接顶撑，顶撑可使锚定爪撑开并卡入钻孔壁，对钻孔密封器进行固定。

进一步的，所述后活塞后端设有一个凸台部，该凸台部位于壳体外侧，所述壳体前端设有一个向内延伸的卡台，所述顶撑前端为锥形台状且顶撑外部上表面均设有一个条形槽，条形槽位于顶撑中部且与壳体前端的卡台相配合使用，所述锚定爪内侧为镂空的楔形，锚定爪开口大于顶撑前端锥形台高度，锚定爪与顶撑均为弹性材料制成，条形槽长度大于顶撑前端距离锚定爪最远的距离，这样设置的目的可以确保在条形槽还留有富余长度的情况下锚定爪撑开钻入钻孔壁内，且压缩式密封胶筒的承压能力大于锚定爪的承压力。

进一步的，所述钻头中心设有中间喷嘴，所述中间喷嘴与内通道联通。

一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置的测压方法，包括以下步骤：

（1）高压水泵通过定向钻机连接水尾入口一，打开定向钻机提供动力进行钻孔，打开高压水泵，水射流通过钻头中间喷嘴喷出降温、降尘；

（2）当钻至测压位置时停止钻进，撤离定向钻机，关闭高压水泵，将高压水泵连至水尾入口二，气压泵连接水尾入口一；

（3）打开高压水泵，通过水尾入口二向双层钻杆外通道注入高压水，高压水进入液压腔室在压力作用下推动前活塞向前滑动，前活塞使顶撑前移，锚定爪张开至水压增加到10MPa时，锚定爪卡入钻孔壁面，固定钻孔密封器及钻杆；同时后活塞向后滑动，挤压压缩式密封胶筒，使其向外扩展，当压力增大至20MPa时，密封胶筒完全被压缩，完成钻孔封堵；

（4）钻孔封堵完成之后，打开气压泵，向测压煤层内泵入与预估瓦斯压力相同压力的氮气，气压泵关闭后使用压力表测定通道内部气体压力，当1h内通道气体压力无变化，则钻孔密封良好；

（5）打开气压泵，通过双层钻杆通道向被测煤层通入氮气，停止注入氮气后观察气压表读数，当气压表读数稳定且连续5d无变化时，达到瓦斯压力平衡，钻孔测压完成。

（6）测压完成后，关闭高压水泵，钻孔密封器液压腔室内压力逐渐降低至0，压缩式密封胶筒和锚定爪在弹力作用下收回，实现解封。

本发明具有的优点是：

1.本装置无需撤离钻杆，避免了撤离钻杆时对瓦斯的扰动，确保测得的瓦斯压力更加准确；

2.本装置可以实现打钻和封孔测压同时进行，在钻头所在位置进行原位测压，减少干扰，更加适用于300米以上的长钻孔测压；

3.本装置钻孔密封器和钻头相连，可随钻头进入长钻孔进行封堵，并减少密封胶筒和孔壁间的摩擦；

4.本装置对钻孔封堵完成后可以及时检测其密闭性能，可采取主动测压法，通过向测压煤层充入惰性气体加快瓦斯渗透，缩短测压时间。

5.本装置适用范围较广，煤层及岩层钻孔都可使用此方法测定瓦斯压力。

附图说明

图1是本发明的煤层钻进测压示意图。

图2是本发明的钻杆与钻杆密封器的剖面图。

图3为本发明双层钻杆剖面图。

图4为本发明钻杆水尾连接图。

1-水尾；2-双层钻杆；3-钻孔密封器；4-钻头；5-定向钻机；6-高压水泵；7-气压泵；8-气压表；11-入口一；12-密封接口；13-入口二；21-内通道；22-外通道；23-双层钻杆内壁；24-双层钻杆外壁；25-支撑板；31-压缩式密封胶筒；32-后活塞；33-前活塞；34-液压腔室；35-壳体；36-顶撑；37-锚定爪；38-锚定爪座；4-钻头；41-中间喷嘴。

具体实施方式

本实施例中的前、后方为词是以钻杆前进方向为依据，上、下是以图中方位为基准。

如图所示，一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置，该装置主要包括定向钻机5、高压水泵6、气压泵7、压力表8、水尾1、双层钻杆2、钻头4以及钻孔密封器3等；双层钻杆2分为内外双层通道，双层钻杆内壁23和双层钻杆外壁24通过支撑板25连接；钻进时双层钻杆连接定向钻机5，内通道21连通高压水泵6；当作为测压装置使用时，还包括设置于双层钻杆2与定向钻机5之间的水尾1，所述水尾1设有两个入口，入口一11与内通道21联通，入口二13与外通道22联通，测压时双层钻杆内通道21通过入口一11连接气压泵7和压力表8作为瓦斯测压通道，外通道22通过入口二14连接高压水泵6提供液压，所述钻孔密封器3套设于双层钻杆2外侧用于固定钻杆、密封钻孔，双层钻杆2头部设有钻头4，所述钻头4中心设有中间喷嘴41，所述中间喷嘴41与内通道21联通，所述钻孔密封器3位于钻杆前端外通道22直径缩小段，所述钻孔密封器3在不工作时其外径小于钻头外径可以保证在钻进时钻孔密封器不与钻孔壁接触，钻孔密封器3包括位于前端的爪座38，位于后端的压缩式密封胶筒31，和位于中部的壳体35，所述壳体35内后端设有后活塞32，壳体内前端设有前活塞33，前活塞33前端设有顶撑36，所述压缩式密封胶筒31、前活塞33、后活塞32和顶撑36均活动套设于双层钻杆2外侧，所述爪座38为固定设置于双层钻杆外的凸起座，爪座38后端设有多个与顶撑相互匹配的锚定爪37，所述前活塞33和后活塞32之间设有液压腔室34，该液压腔室34所在的双层钻杆的外通道上分别设有至少一个通孔，外通道22通过该通孔与液压腔室34联通，液压腔室34内有可自由滑动的前后活塞，其中后活塞连接压缩式密封胶筒31，密封胶筒31受到挤压时向外扩展，对钻孔进行封堵；前活塞连接顶撑，顶撑可使锚定爪撑开并卡入钻孔壁，对钻孔密封器进行固定；所述后活塞32后端设有一个凸台部，该凸台部位于壳体外侧和密封胶筒相邻，所述壳体35前端设有一个向内延伸的卡台，所述顶撑36前端为锥形台状且顶撑外部上表面均设有一个条形槽，条形槽位于顶撑中部且与壳体前端的卡台相配合使用，所述锚定爪37内侧为镂空的楔形，锚定爪开口大于顶撑前端锥形台高度，锚定爪与顶撑均为弹性材料制成，条形槽长度大于顶撑前端距离锚定爪最远的距离，这样设置的目的可以确保在条形槽还留有富余长度的情况下锚定爪撑开钻入钻孔壁内，且压缩式密封胶筒的承压能力大于锚定爪的承压力。

一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置的测压方法，包括以下步骤：

（1）高压水泵6通过定向钻机5连接水尾入口11，打开定向钻机5，定向钻机提供动力进行钻孔，打开高压水泵，水射流通过钻头中间喷嘴41喷出进行降温、降尘。

（2）当钻至测压位置时停止钻进，撤离定向钻机5，关闭高压水泵6，将高压水泵连至水尾入口14，气压泵7连接水尾入口11。

（3）打开高压水泵6，通过水尾入口14向双层钻杆通道22注入高压水，高压水进入液压腔室34，在压力作用下推动活塞33向前滑动，活塞使顶撑36前移，锚定爪37张开，水压逐渐增加到10MPa时，锚定爪卡入钻孔壁面，固定钻孔密封器3及钻杆2；同时活塞32向后滑动，挤压压缩式密封胶筒31，使其向外扩展，当压力逐渐增大至20MPa时，密封胶筒完全被压缩，完成钻孔封堵。

（4）钻孔封堵完成之后，打开气压泵7，向测压煤层内泵入与预估瓦斯压力相同压力的氮气，气压泵关闭后使用压力表8测定通道21内部气体压力，当1h内通道21气体压力无明显变化，则钻孔密封良好。

（5）打开气压泵，通过双层钻杆通道21向被测煤层通入大量氮气，加快瓦斯渗透过程，停止注入氮气后观察气压表8读数，当气压表读数稳定且连续5d无明显变化时，达到瓦斯压力平衡，钻孔测压完成。

（6）测压完成后，关闭高压水泵6，钻孔密封器液压腔室34内压力逐渐降低至0，压缩式密封胶筒31和锚定爪37在弹力作用下收回，实现解封。

Claims (3)

1.一种煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置，其特征在于：包括定向钻机、高压水泵、气压泵、压力表、水尾、双层钻杆、钻头以及钻孔密封器，双层钻杆包括内外双层通道，双层钻杆内通道和双层钻杆外通道通过支撑板连接，钻进时双层钻杆尾部连接定向钻机，内通道与高压水泵联通；还包括设置于双层钻杆与定向钻机之间的水尾，所述水尾设有两个入口，入口一与内通道联通，入口二与外通道联通，测压时双层钻杆内通道通过入口一连接气压泵和压力表，外通道通过入口二连接高压水泵，所述钻孔密封器套设于双层钻杆外侧，双层钻杆头部设有钻头；所述钻孔密封器位于钻杆前端外通道直径缩小段，所述钻孔密封器在不工作时其外径小于钻头外径，钻孔密封器包括位于前端的爪座，位于后端的压缩式密封胶筒，和位于中部的壳体，所述壳体内后端设有后活塞，壳体内前端设有前活塞，前活塞前端设有顶撑，所述压缩式密封胶筒、前活塞、后活塞和顶撑均活动套设于双层钻杆外侧，所述爪座为固定设置于双层钻杆外的凸起座，爪座后端设有多个与顶撑相互匹配的锚定爪，所述前活塞和后活塞之间设有液压腔室，该液压腔室所在的双层钻杆的外通道上分别设有至少一个通孔，外通道通过该通孔与液压腔室联通；所述后活塞后端设有一个凸台部，该凸台部位于壳体外侧，所述壳体前端设有一个向内延伸的卡台，所述顶撑前端为锥形台状且顶撑外部上表面均设有一个条形槽，条形槽位于顶撑中部且与壳体前端的卡台相配合使用，所述锚定爪内侧为镂空的楔形，锚定爪开口大于顶撑前端锥形台高度，锚定爪与顶撑均为弹性材料制成，条形槽长度大于顶撑前端距离锚定爪最远的距离。

2.如权利要求1所述的煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置，其特征在于：所述钻头中心设有中间喷嘴，所述中间喷嘴与内通道联通。

3.如权利要求1-2任一所述的煤层深长孔钻孔封孔测压一体化装置的测压方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）高压水泵通过定向钻机连接水尾入口一，打开定向钻机提供动力进行钻孔，打开高压水泵，水射流通过钻头中间喷嘴喷出降温、降尘；

（2）当钻至测压位置时停止钻进，撤离定向钻机，关闭高压水泵，将高压水泵连至水尾入口二，气压泵连接水尾入口一；

（3）打开高压水泵，通过水尾入口二向双层钻杆外通道注入高压水，高压水进入液压腔室在压力作用下推动前活塞向前滑动，前活塞使顶撑前移，锚定爪张开至水压增加到10MPa时，锚定爪卡入钻孔壁面，固定钻孔密封器及钻杆；同时后活塞向后滑动，挤压压缩式密封胶筒，使其向外扩展，当压力增大至20MPa时，密封胶筒完全被压缩，完成钻孔封堵；

（4）钻孔封堵完成之后，打开气压泵，向测压煤层内泵入与预估瓦斯压力相同压力的氮气，气压泵关闭后使用压力表测定通道内部气体压力，当1h内通道气体压力无变化，则钻孔密封良好；

（5）打开气压泵，通过双层钻杆通道向被测煤层通入氮气，停止注入氮气后观察气压表读数，当气压表读数稳定且连续5d无变化时，达到瓦斯压力平衡，钻孔测压完成;

（6）测压完成后，关闭高压水泵，钻孔密封器液压腔室内压力逐渐降低至0，压缩式密封胶筒和锚定爪在弹力作用下收回，实现解封。

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