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原文传递一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法

专利名称：	一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法
摘要：	本发明公开了一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置和方法，装置包括注气筛管，注气筛管两端分别设有第一和第二胶囊封阻器，第一封阻器位于连接推杆和注气筛管之间；第一封阻器的内部穿设有高压注气管，高压注气管一端与注气筛管连接，另一端穿出与水力增压器连接，其管路上设有气体压力传感器和气体质量流量控制器；水力增压器由无杆活塞分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管和压力气源择一连通，第二容腔与高压水泵组的第一出口端口连通。测试方法基于测试孔装置实施。本发明的有益效果是，装置操作方便，便于携带，可重复利用；测试方法充分利用煤矿井下的压风自救设备和高压水泵组的便利条件进行测试，可大大提高煤层渗透率测试效率。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	重庆;50
申请人：	重庆大学
发明人：	李铭辉;尹思禹;石发瑞;邓博知;张东明;刘超;鲁俊;吴明洋;赵宏刚;宋真龙;陈嘉琪
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-01T00:00:00+0800
发布日期：	2019-09-17T00:00:00+0800
申请号：	CN201910587290.7
公开号：	CN110243746A
代理机构：	重庆市前沿专利事务所(普通合伙)
代理人：	刘代春
分类号：	G01N15/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N15
申请人地址：	400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号
主权项：	1.一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，包括位于管状结构的连接推杆(1)前端的注气筛管(2)，注气筛管(2)两端分别设有第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)，第一胶囊封阻器(3)连接在连接推杆(1)和注气筛管(2)之间；第一胶囊封阻器(3)的内部穿设有高压注气管(5)，高压注气管(5)一端与注气筛管(2)的进口端连接，另一端由连接推杆(1)内部穿出，并与水力增压器(6)连接，且高压注气管(5)的管路上设有气体压力传感器(11)和气体质量流量控制器(12)；水力增压器(6)内设有无杆活塞(7)，水力增压器(6)由无杆活塞(7)分隔成两个容腔，第一容腔分别通过控制阀门与高压注气管(5)和压力气源(8)择一连通，第二容腔与高压水泵组(9)的第一出口端口连通；所述第二胶囊封阻器(4)的注水口与第一胶囊封阻器(3)的胶囊内部空腔连通。 2.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)的承压能力不小于20MPa；所述第一容腔与注气筛管(2)之间的注气管路承载能力不小于10MPa。 3.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述压力气源(8)来自井下风压自救器。 4.根据权利要求1所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述连接推杆(1)由多节螺合接长的管段构成。 5.根据权利要求1～4中任意一项所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的装置，其特征在于，所述高压注气管(5)和压力气源(8)分别通过对应的流体截止阀(13)与所述第一容腔形成择一连通。 6.一种穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，基于权利要求1～5中任意一项所述的装置实施，包括以下步骤：第一步，测试准备：包括穿层测试钻孔布置和测试装置安装连接；其中，穿层测试钻孔布置包括，根据施工地点和煤层之间的位置关系，在运输大巷、高抽巷、底抽巷或石门类岩石巷道中布置穿层测试钻孔；穿层钻孔直径与煤层渗透率原位测试装置中置入钻孔的连接推杆(1)、注气筛管(2)和胶囊封阻器相匹配；并在穿层钻孔施工过程中，记录钻孔岩石段长度和煤层段长度；测试装置安装连接包括，将高压水泵组(9)布置在井下，按连接关系和通过设置密封垫片进行密封连接固定，并连接数据传输线；按钻孔岩石段长度和煤层段长度确定连接推杆(1)长度，并用确定长度的连接推杆将注气筛管(2)和胶囊封阻器置于钻孔中；第二步，原始煤层瓦斯压力测定：利用高压水泵组(9)向两个胶囊封阻器中注入高压水，使其胶囊膨胀紧贴钻孔内壁，实现对钻孔煤层段的密封，从而形成钻孔煤层密封段；再利用高压水泵组(9)和水力增压器(6)将预先注入第一容腔内的气体以恒定的压力注入钻孔煤层密封段；当钻孔煤层密封段的气体压力达到目标值后，关闭控制阀门；等待钻孔煤层密封段的气体压力稳定，并将该稳定的压力值定义为煤层原始瓦斯压力；第三步，定速注入气体：利用水力增压器和高压水泵组(9)保持第一容腔压力，通过气体质量流量控制器(12)，以恒定速度向钻孔煤层密封段注入气体；通过气体压力传感器(11)监测钻孔煤层密封段的气体压力；待气体压力稳定后，以阶梯型递增方式增加气体注入速度，并在不同气体注入速度条件下，测定钻孔煤层密封段的稳定气体压力值；第四步，煤层渗透率计算：首先，先判断注入的气体在煤层中的流动是否属于达西流动，根据气体注入速度、对应的注入气体压力和原始煤层瓦斯压力，在直角坐标系中描述注气速度Qsc和压力平方差(P12-P02)之间的函数关系，验证随着注气压力的提高，注气速度Qsc是否与压力平方差(P12-P02)呈线性关系；再选取注气速度与压力平方差呈线性关系的数据点，根据气体注入速度、对应的注入气体压力、钻孔煤层密封段长度以及原始瓦斯压力计算煤层渗透率；煤层渗透率计算公式如下：式中：k为岩石渗透率； Psc标准大气压条件下注入气体的压力； Qsc标准大气压条件下注入气体的体积流量； μ为气体动力黏性系数； L为钻孔煤层密封段长度，该长度与注气筛管长度相等； P1为向钻孔煤层密封段注气时的气体压力； P0为原始煤层瓦斯压力； rout为试验影响半径，工程应用中可取为L+b/2，其中，b为单根胶囊封阻器长度； rin为钻孔半径；对计算得到的多组数据求平均值，即可得到煤层渗透率；第五步，拆除原位测试煤层渗透率设备：卸除钻孔中注入的气体压力以及胶囊封阻器中的水压；利用矿用钻机将连接推杆、胶囊封阻器和注气筛管抽出钻孔。 7.根据权利要求6所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，测试装置的具体连接过程包括：在注气筛管(2)的两端分别连接一根第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)，第一胶囊封阻器(3)和第二胶囊封阻器(4)通过注水通道连通，注水通道与高压注水管连接；将高压注气管(5)与第一胶囊封阻器(3)的进气通道相连接；将高压注气管(5)从连接推杆(1)的中空部穿过，并将连接推杆(1)与第一胶囊封阻器(3)自由端连接；利用矿用钻机和连接推杆(1)按第二胶囊封阻器(4)朝向钻孔里端的方式将注气筛管和两个胶囊封阻器推送入钻孔中并至预定位置；再将高压注气管(5)依次通过流体截止阀(13)和气体质量流量控制器(12)与水力增压器(6)的第一容腔连接，并在连接管路上设置气体压力传感器(11)；最后将高压注水管和水力增压器(6)的第二容腔分别与高压水泵组(9)的两个出水管路分别连通，并在相应管路上各设置一流体截止阀(13)。 8.根据权利要求7所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，所述钻孔煤层密封段是指胶囊注水膨胀后两胶囊封阻器之间的钻孔部分，该钻孔煤层密封段的承压能力大于等于10MPa。 9.根据权利要求6所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，在第二步中，注入钻孔煤层密封段的气体压力目标值为通过对邻近煤层测试得到的原始瓦斯压力值。 10.根据权利要求7所述的穿层钻孔快速原位测试煤层渗透率的方法，其特征在于，所述阶梯型递增方式增加气体注入速度是指，在钻孔煤层密封段的气体压力达到平衡后，提高气体注入速度至某一值，待气体压力稳定后，再继续提高注入速度至下一值。
所属类别：	发明专利