陽 勇

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊，貴州 550005)

直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀應用探討

陽 勇

(貴州省煤田地質(zhì)局一一三隊，貴州 550005)

本文主要介紹了直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀的設計思路、結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)選擇，并從理論和實測對結(jié)果進行分析研究，從而了解直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀與傳統(tǒng)的測壓儀不同，即只需鉆機立軸向下加壓即可，操作簡單，測試成功率高，數(shù)據(jù)準確可靠等優(yōu)勢。為直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀的應用提供一定理論和實踐依據(jù)。

直壓式 瓦斯壓力 參數(shù)選擇

1 引言

煤層瓦斯壓力是標志煤層瓦斯流動特性和賦存狀態(tài)的一個重要參數(shù)，是確定煤層瓦斯含量、瓦斯流動動力高低以及瓦斯動力現(xiàn)象的基本參數(shù)，是評價煤礦開采條件、確定煤礦安全技術措施、開發(fā)利用煤層氣的一個重要依據(jù)。同時也是鑒定煤層突出危險性的重要參數(shù)之一。掌握準確可靠的煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)對研究與評價瓦斯抽放以及煤與瓦斯突出的防治等工作均具有十分重要的意義。

直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀與傳統(tǒng)測試不同。傳統(tǒng)測試儀器卸壓機構(gòu)主要是在泥漿壓力驅(qū)動下，推動卸壓機構(gòu)，解除下部封孔泥漿的承壓狀態(tài)，這樣卸壓時如果泥漿壓力過大，會對儀器有較大沖擊，導致測壓不準;而直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀只需通過鉆機立軸向下加壓即可完成卸壓動作，測試成功率高、效果好。

本文主要根據(jù)直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀的設計思路、結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)選擇，并從理論和實測對結(jié)果進行分析研究，從而了解直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測壓儀與傳統(tǒng)的測壓儀不同，為直壓式鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀的應用提供一定的理論和實踐依據(jù)。

2 測試儀器

2.1 儀器設計思路

(1)測量儀器起下鉆過程中泥漿應該有上返或下泄通道，確保儀器能下到孔底，并避免因起下鉆可能帶來的孔壁垮塌等事故。如果設計中沒有考慮到孔底泥漿上返的問題，當下鉆過快，鉆具背壓太大，鉆具就容易受沖擊力量作用，使定位銷釘提前剪斷，使測量儀器下不到孔底，特別是對于目前中、深孔鉆探中常用的繩索取心鉆進，更是如此。同時，由于沒有泥漿通道，提鉆時容易在鉆具下部形成負壓，使孔壁發(fā)生坍塌，造成孔內(nèi)事故。

(2)采用記錄較為先進的存儲式電子壓力計。存儲式電子壓力計測量精度高，數(shù)據(jù)存儲量大，讀數(shù)和保存方便。

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

測試儀器結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 鉆孔瓦斯壓力測試封隔器示意圖

(1)封孔機構(gòu):由2個封孔膠筒間夾隔板串在芯管上。其作用是在測壓儀器下至孔底后，通過鉆具自重或外部設備加壓，使橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)。

(2)卸壓機構(gòu):由活塞偶件、卸壓筒偶件等構(gòu)成。該機構(gòu)在膠筒分隔上下段內(nèi)介質(zhì)后，外部設備繼續(xù)加壓，推動活塞桿，壓斷內(nèi)外連通螺帽，從而達到卸壓目的，解除下部封孔泥漿的承壓狀態(tài)。

(3)壓力計:存儲式電子壓力計安裝在密封短節(jié)、內(nèi)管和密封端蓋組成的空腔內(nèi)。主要由壓力傳感系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)構(gòu)成，其作用是記錄煤層瓦斯壓力隨時間的變化。

2.3 儀器工作原理

瓦斯壓力測試儀器與現(xiàn)行煤田地質(zhì)勘探鉆具直接連接，放入井內(nèi)，當連接儀器下端的支撐桿抵達井底后，儀器在鉆具自重壓力或外部設備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)不再串通，繼續(xù)向下加壓，推動伸縮桿、連接桿及活塞桿運動，壓斷內(nèi)外連通螺帽，達到卸壓目的，同時煤層瓦斯氣體通過卸壓通氣孔進入內(nèi)管內(nèi)，作用到存儲式電子壓力計，壓力計將自動記錄煤層瓦斯壓力隨時間的變化，測試結(jié)束后，提取鉆具，取出壓力計，與計算機連接，讀取數(shù)據(jù)，對測得的壓力曲線進行分析校正，便可得到所測煤層瓦斯壓力。

3 測試施工過程

(1)現(xiàn)場準備工作

壓力計數(shù)據(jù)采集編程，在通過檢測程序后，壓力計與底座及封隔器正確連接，記錄井深及煤層頂板深度，選擇較為合適的封孔層位，計算支撐桿長度及下入管柱的長度，確認坐封深度無誤。

(2)測試管柱下井

測試管柱應緩慢下井，防止測試儀器下端遇阻，儀器受到?jīng)_擊而使銷釘提前剪斷的情況。

(3)封隔器坐封

儀器下端的支撐桿快要抵達井底時，緩慢下放儀器，并時刻注意拉力表拉力變化，當儀器下端抵達井底時，儀器在鉆具自重壓力或外部設備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，隔絕上下孔段內(nèi)的介質(zhì)不再串通，停等2～3秒繼續(xù)向下加壓，推動活塞桿壓斷內(nèi)外連通螺帽，打開卸壓通道。

(4)壓力測試

打開卸壓通道后，煤層瓦斯氣體將通過卸壓通道進入支撐桿內(nèi)，作用到存儲式電子壓力計，壓力計將自動記錄煤層瓦斯壓力隨時間的變化，并根據(jù)煤層情況，進行4～8小時的測試。

(5)起出測試儀器

測試結(jié)束后，封隔器解封，起出測試管柱。

(6)數(shù)據(jù)分析

取出壓力計，與計算機連接，讀取數(shù)據(jù)，對測得的壓力曲線進行分析校正。

4 測試參數(shù)的選擇

4.1 封孔層位的選擇

鉆孔瓦斯壓力測試必須做到及時，即在鉆遇煤層后應該及時確定層位，盡量在最短的時間內(nèi)對煤層瓦斯壓力進行測試，減小測試誤差。測試前必須先確定所測鉆孔深度、煤層深度、煤層頂板巖性，封孔位置應選擇煤層頂板巖石完整程度較好，孔壁穩(wěn)定性較好的層段。以確保封孔效果良好以及孔內(nèi)安全，儀器下、上的安全。

4.2 膠筒強度的選擇

隨著孔深的增加，鉆具自重不斷增大，為了確保封孔效果和孔內(nèi)安全，封隔器應根據(jù)不同的孔深選擇不同強度的膠筒。下面是在貴州地區(qū)的測試情況的總結(jié):當孔較淺時 (300m以內(nèi))，可以選擇強度相對低一些的膠筒 (材料:丁晴橡膠;硬度:邵氏硬度70度)，其膠筒相對較軟，在孔內(nèi)安全的前提下，可以起到更好的封隔作用;當孔深在300m～600m時，一般選擇膠筒邵氏硬度73°;當孔深大于600m時，選擇膠筒邵氏硬度78°，如果選擇的強度型號較低，膠筒在鉆具重力作用下易損壞，達不到預期的封孔效果，甚至造成孔內(nèi)事故。

在下放鉆具的過程中，應密切注意拉力表顯示的拉力，防止下鉆遇阻力，使銷釘提前剪斷，封隔器提前坐封，而繼續(xù)下放鉆具損壞膠筒的情況的發(fā)生。

4.3 銷釘數(shù)量的選擇

銷釘數(shù)量的選擇應滿足:①當支撐桿到達井底后，封隔器下部銷釘在鉆具自身重量下被剪斷，封隔器膠筒壓縮，達到封孔效果;②封隔器上部銷釘在鉆具自身重量下不被剪斷。

銷釘數(shù)量的選擇取決于銷釘材質(zhì)、鉆具重量、鉆具所受浮力的大小。由于不同的銷釘其材質(zhì)不同，剪斷所需要的力也不相同，所以在使用之前應先了解其剪切應力。在現(xiàn)場測試時，應先確認鉆具型號 (單根鉆具長度、重量)、孔深，以計算出封隔器上部鉆具重量;了解孔內(nèi)水位、泥漿密度等，以計算儀器在井內(nèi)所受浮力大小。根據(jù)以上幾個參數(shù)，即可確認銷釘?shù)臄?shù)量。

4.4 卸壓壓力

儀器下端抵達井底時，儀器在鉆具自重壓力或外部設備加壓下，剪斷封隔器下部銷釘，使密封橡膠筒膨脹，封隔器坐封。此時，坐封位置以下孔內(nèi)泥漿為承壓狀態(tài)，要解除泥漿的承壓狀態(tài)就需要打開卸壓通道 (即壓斷內(nèi)外連通螺帽)，這就需要先剪斷封隔器上部銷釘，繼而推動活塞桿壓斷內(nèi)外連通螺帽，其所需的力即為卸壓壓力。

卸壓壓力必須適中。如果太小，壓不斷封隔器上部銷釘，打不開卸壓通道，達不到測試目的;如果太大，則可能超過密封膠筒的極限強度，損壞膠筒，影響封隔效果，同時膠筒壓縮對孔壁也會產(chǎn)生壓力，如果太大可能會對孔壁造成危害，嚴重時可能會造成孔內(nèi)事故。所以應該用盡可能小的壓力，打開卸壓通道，達到卸壓目的。這就要求在測試時應準確計算卸壓壓力，鉆具自身重力，鉆具所受浮力，以此計算出外部設備應加壓力大小，確保最優(yōu)的封孔和卸壓效果。

4.5 測壓時間

封孔與卸壓階段完成以后，壓力計與外部連通，外部煤層瓦斯氣體不停釋放，其產(chǎn)生的壓力作用在壓力計上，壓力計開始測壓，直到煤層瓦斯壓力達到靜態(tài)平衡，所需時間即為測壓時間。

不同煤層瓦斯壓力達到靜態(tài)平衡所需時間不同，根據(jù)在貴州省多個礦區(qū)的測試情況的總結(jié)，確定測壓時間一般在4～8小時內(nèi)。具體可參考煤層的瓦斯含量來確定測試時間，一般瓦斯含量越大，測試時間越長。在確?？變?nèi)安全時，也可適當延長測壓時間，以確保瓦斯壓力達到靜態(tài)平衡。

5 測試結(jié)果分析

5.1 理論結(jié)果分析

封孔機構(gòu)與卸壓機構(gòu)的作用主要在于排除孔內(nèi)承壓泥漿水柱壓力及其他非測量介質(zhì)壓力的影響，為煤層氣壓力測試工作創(chuàng)造條件。壓力計是整個煤層瓦斯壓力測定儀最重要的組成部分。

圖2 瓦斯壓力測試理論曲線

鉆孔煤層瓦斯壓力測試儀器中的壓力計是一種存儲式的壓力計，可以直接讀取所測壓力所成曲線(如圖2瓦斯壓力測試理論曲線)，從現(xiàn)場工作時間可知:AB段為裝機完成至封孔、卸壓完成階段，此階段壓力計與外部隔絕，壓力計不受外部壓力作用，因此AB段為一條直線;B點開始測壓，此時壓力計與外部連通，由于外部煤層氣壓力不停釋放，外部壓力作用與壓力計上，壓力計開始測壓，一直到C點，壓力趨于平衡。為保證所測壓力值為煤層瓦斯壓力，儀器一直停放至D點開始提升，可見C點壓力已經(jīng)達到平衡，CD段為煤層瓦斯壓力靜態(tài)平衡階段。只要儀器提升，封孔解除，鉆孔泥漿壓力立即作用于壓力計，記錄曲線馬上上升至E點，隨著儀器的提升，壓力計接觸的泥漿柱壓力逐漸減小，記錄曲線線性下降，到達F點表明儀器已經(jīng)提升至井口。顯然折線BCD反映了被測層壓力的恢復過程。通過CD段即可得出鉆孔煤層的瓦斯壓力。

5.2 實測結(jié)果分析

本儀器目前已在貴州多個礦區(qū)的多個煤層進行了使用，測量數(shù)據(jù)滿足了生產(chǎn)需要。以水域黔源煤礦測試為例。

圖3 瓦斯壓力測試溫度、壓力曲線

水城黔源煤礦202孔煤層瓦斯壓力測試，孔深595.42m，煤 層 埋 深 587.74 ～ 589.79m，煤 厚2.05m，粉煤，頂板粉砂質(zhì)泥巖，測試所得溫度、壓力曲線如圖3。圖中AB段 (壓力在98KPa的一直線)為支撐桿內(nèi)部大氣壓力，說明儀器連接至下至孔底，封隔器坐封，卸壓階段取得成功;BC段為開始測壓至瓦斯壓力達到靜態(tài)平衡階段;CD段壓力不變，壓力為735KPa，說明瓦斯壓力達到靜態(tài)平衡;D點開始上提測試儀器，封隔器解封，壓力計測得的為孔內(nèi)泥漿壓力，壓力升至E點;EF階段為儀器提升階段，隨著儀器的提升，壓力計所受泥漿柱壓力逐漸減小，直至F點，儀器提至孔內(nèi)水位以上。整個測試曲線與理論曲線基本相符，各個測試階段反應明顯，測試成功。

6 結(jié)論

本儀器目前已在貴州省多個礦區(qū)的進行了使用，從測試情況來看，儀器設計、參數(shù)選擇、測試方法均比較合理，測試成功率高。目前在勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測試中，缺少相應的國家標準加以規(guī)范，且受地質(zhì)條件、鉆孔條件、測試人員自身因素等因素限制，施工過程中隨意性大，使得測試結(jié)果存在一定人為因素的誤差。這就要求測試人員必須準確掌握正確的測試方法，了解、選擇并改變測試條件，確定合理測壓參數(shù)。從某種意義上講，測試方法是內(nèi)因，測試條件是外因，只有兩者互相密切配合，才能提高測試準確性。

［1］王書華，陳兆海.勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測試方法探討 ［J］.中州煤炭，2011.

Application Study of Coalbed Gas Pressure Measuring Instrument for Direct-pressure Boreholes

Yang Yong
(No.3 Team of Guizhou Provincial Coal＆ Geological Bureau，Guizhou 550005)

The paper introduces the design approaches，structure，working principle and parameter selection of the coalbed gas pressure measuring instrument for direct-pressure boreholes，and the result is analyzed and studied from theoritical and practice aspects.It figures out the difference between this gas pressure measuring instrument and traditional pressure measuring instruments，which refers to the vertical shaft of the drilling rig only need to pressure downward.It is featured with the advantages of simple operation，high success rate of measurement，reliable and accurate data acquisition，etc.The paper provides theoretical and practice basis for the application of the coalbed gas pressure measuring instrument for direct-pressure boreholes，

Direct-pressure;gas pressure;parameter selection

陽勇，男，主要從事煤層氣資源調(diào)查與勘探。

(責任編輯 桑逢云)