直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪应用探讨

【摘 要】 本文主要介绍了直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪的设计思路、结构、工作原理及参数选择，并从理论和实测对结果进行分析研究，从而了解直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪与传统的测压仪不同，即只需钻机立轴向下加压即可，操作简单，测试成功率高，数据准确可靠等优势。为直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪的应用提供一定的理论和实践依据。

【关键词】 直压式 瓦斯压力 参数选择

1 引言

钻孔煤层瓦斯压力是指在煤田勘探钻孔或煤矿矿井中测得的煤层孔隙中的气体压力。钻孔煤层瓦斯压力测试主要目的是针对于地质勘探钻孔中直接测定煤层气（瓦斯）静态平衡压力。

煤层瓦斯压力是标志煤层瓦斯流动特性和赋存状态的一个重要参数，是确定煤层瓦斯含量、瓦斯流动动力高低以及瓦斯动力现象的基本参数，是评价煤矿开采条件、确定煤矿安全技术措施、开发利用煤层瓦斯的一个重要依据。同时也是鉴定煤层突出危险性的重要参数之一。掌握准确可靠的煤层瓦斯压力数据对研究与评价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。

直圧式钻孔煤层瓦斯压力测定仪与传统测试不同。传统测试仪器卸压机构主要是在泥浆压力驱动下，推动卸压机构，解除下部封孔泥浆的承压状态[1]，这样卸压时如果泥浆压力过大，会对仪器有较大冲击，导致测压不准；而直圧式钻孔煤层瓦斯压力测定仪只需通过钻机立轴向下加压即可完成卸压动作，测试成功率高、效果好。

本文主要根据直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪的设计思路、结构、工作原理及参数选择，并从理论和实测对结果进行分析研究，从而了解直压式钻孔煤层瓦斯压力测压仪与传统的测压仪不同，为直压式钻孔煤层瓦斯压力测定仪的应用提供一定的理论和实践依据。

2 测试仪器

2.1 仪器设计思路

（1）测量仪器起下钻过程中泥浆应该有上返或下泄通道，确保仪器能下到孔底，并避免因起下钻可能带来的孔壁垮塌等事故。如果设计中没有考虑到孔底泥浆上返的问题，当下钻过快，钻具背压太大，钻具就容易受冲击力量作用，而使定位销钉提前剪断，使测量仪器下不到孔底，特别是对于目前中、深孔钻探中常用的绳索取心钻进，更是如此。同时，由于没有泥浆通道，提钻时容易在钻具下部形成负压，而使孔壁发生坍塌，造成孔内事故。

（2）采用记录较为先进的存储式电子压力计。存储式电子压力计测量精度高，数据存储量大，读数和保存方便。

2.2 仪器结构

测试仪器结构如图1所示：

（1）封孔机构：由2个封孔胶筒间夹隔板串在芯管上。其作用是在测压仪器下至孔底后，通过钻具自重或外部设备加压，使橡胶筒膨胀，隔绝上下孔段内的介质。

（2）卸压机构：由活塞偶件、卸压筒偶件等构成。该机构在胶筒分隔上下段内介质后，外部设备继续加压，推动活塞杆，压断内外连通螺帽，从而达到卸压目的，解除下部封孔泥浆的承压状态。

（3）压力计：存储式电子压力计安装在密封短节、内管和密封端盖组成的空腔内。主要由压力传感系统和记录系统构成，其作用是记录煤层瓦斯压力随时间的变化。

2.3 仪器工作原理

瓦斯压力测试仪器与现行煤田地质勘探钻具直接连接，放入井内，当连接仪器下端的支撑杆抵达井底后，仪器在钻具自重压力或外部设备加压下，剪断封隔器下部销钉，使密封橡胶筒膨胀，隔绝上下孔段内的介质不再串通，继续向下加压，推动伸缩杆、连接杆及活塞杆运动，压断内外连通螺帽，达到卸压目的，同时煤层瓦斯气体通过卸压通气孔进入内管内，作用到存储式电子压力计，压力计将自动记录煤层瓦斯压力随时间的变化，测试结束后，提取钻具，取出压力计，与计算机连接，读取数据，对测得的压力曲线进行分析校正，便可得到所测煤层瓦斯压力。

3 测试施工过程

（1）现场准备工作：1）压力计数据采集编程，在通过检测程序后，压力计与底座及封隔器正确连接，记录井深及煤层顶板深度，选择较为合适的封孔层位，计算支撑杆长度及下入管柱的长度，确认坐封深度无误。2）测试管柱下井。3）测试管柱应缓慢下井，防止测试仪器下端遇阻，仪器受到冲击而使销钉提前剪断的情况。

（2）封隔器坐封：仪器下端的支撑杆快要抵达井底时，缓慢下放仪器，并时刻注意拉力表拉力变化，当仪器下端抵达井底时，仪器在钻具自重压力或外部设备加压下，剪断封隔器下部销钉，使密封橡胶筒膨胀，隔绝上下孔段内的介质不再串通，停等2-3秒继续向下加压，推动活塞杆压断内外连通螺帽，打开卸压通道。

（3）压力测试：打开卸压通道后，煤层瓦斯气体将通过卸压通道进入支撑杆内，作用到存储式电子压力计，压力计将自动记录煤层瓦斯压力随时间的变化，并根据煤层情况，进行4—8小时的测试。

（4）起出测试仪器：测试结束后，封隔器解封，起出测试管柱。

（5）数据分析：取出压力计，与计算机连接，读取数据，对测得的压力曲线进行分析校正。

4 测试参数的选择

4.1 封孔层位的选择

钻孔瓦斯压力测试必须做到及时，即在钻遇煤层后应该及时确定层位，尽量在最短的时间内对煤层瓦斯压力进行测试，减小测试误差。测试前必须先确定所测钻孔深度、煤层深度、煤层顶板岩性，封孔位置应选择煤层顶板岩石完整程度较好，孔壁稳定性较好的层段。以确保封孔效果良好以及孔内安全，仪器下、上的安全。

4.2 胶筒强度的选择

随着孔深的增加，钻具自重不断增大，为了确保封孔效果和孔内安全，封隔器应根据不同的孔深选择不同强度的胶筒。下面是在贵州地区的测试情况的总结：当孔较浅时（300m以内），可以选择强度相对低一些的胶筒（材料：丁晴橡胶；硬度：邵氏硬度70度），其胶筒相对较软，在孔内安全的前提下，可以起到更好的封隔作用；当孔深在300m-600m时，一般选择胶筒邵氏硬度73度；当孔深大于600m时，选择胶筒邵氏硬度78度，如果选择的强度型号较低，胶筒在钻具重力作用下易损坏，达不到预期的封孔效果，甚至造成孔内事故。

在下放钻具的过程中，应密切注意拉力表显示的拉力，防止下钻遇阻力，使销钉提前剪断，封隔器提前坐封，而继续下放钻具损坏胶筒的情况的发生。

4.3 销钉数量的选择

销钉数量的选择应满足：（1）当支撑杆到达井底后，封隔器下部销钉在钻具自身重量下被剪断，封隔器胶筒压缩，达到封孔效果；（2）封隔器上部销钉在钻具自身重量下不被剪断。

销钉数量的选择取决于销钉材质、钻具重量、钻具所受浮力的大小。由于不同的销钉其材质不同，剪断所需要的力也不相同，所以在使用之前应先了解其剪切应力。在现场测试时，应先确认钻具型号（单根钻具长度、重量）、孔深，以计算出封隔器上部钻具重量；了解孔内水位，泥浆密度等，以计算仪器在井内所受浮力大小。根据以上几个参数，即可确认销钉的数量。

4.4 卸压压力

仪器下端抵达井底时，仪器在钻具自重压力或外部设备加压下，剪断封隔器下部销钉，使密封橡胶筒膨胀，封隔器坐封。此时，坐封位置以下孔内泥浆为承压状态，要解除泥浆的承压状态就需要打开卸压通道（即压断内外连通螺帽），这就需要先剪断封隔器上部销钉，继而推动活塞杆压断内外连通螺帽，其所需的力即为卸压压力。

卸压压力必须适中。如果太小，压不断封隔器上部销钉，打不开卸压通道，达不到测试目的；如果太大，则可能超过密封胶筒的极限强度，损坏胶筒，影响封隔效果，同时胶筒压缩对孔壁也会产生压力，如果太大可能会对孔壁造成危害，严重时可能会造成孔内事故。所以应该用尽可能小的压力，打开卸压通道，达到卸压目的。这就要求在测试时应准确计算卸压压力，钻具自身重力，钻具所受浮力，以此计算出外部设备应加压力大小，确保最优的封孔和卸压效果。

4.5 测压时间

封孔与卸压阶段完成以后，压力计与外部连通，外部煤层瓦斯气体不停释放，其产生的压力作用在压力计上，压力计开始测压，直到煤层瓦斯压力达到静态平衡，所需时间即为测压时间。

不同煤层瓦斯压力达到静态平衡所需时间不同，根据在贵州省多个矿区的测试情况的总结，确定测压时间一般在4-8小时内。具体可参考煤层的瓦斯含量来确定测试时间，一般瓦斯含量越大，测试时间越长。在确保孔内安全时，也可适当延长测压时间，以确保瓦斯压力达到静态平衡。

5 测试结果分析

5.1 理论结果分析

封孔机构与卸压机构的作用主要在于排除孔内承压泥浆水柱压力及其他非测量介质压力的影响，为煤层气压力测试工作创造条件。压力计是整个煤层瓦斯压力测定仪最重要的组成部分。

钻孔煤层瓦斯压力测试仪器中的压力计是一种存储式的压力计，可以直接读取所测压力所成曲线（如图2瓦斯压力测试理论曲线），从现场工作时间可知：AB段为装机完成至封孔、卸压完成阶段，此阶段压力计与外部隔绝，压力计不受外部压力作用，因此AB段为一条直线；B点开始测压，此时压力计与外部连通，由于外部煤层气压力不停释放，外部压力作用与压力计上，压力计开始测压，一直到C点，压力趋于平衡。为保证所测压力值为煤层瓦斯压力，仪器一直停放至D点开始提升，可见C点压力已经达到平衡，CD段为煤层瓦斯压力静态平衡阶段。只要仪器提升，封孔解除，钻孔泥浆压力立即作用于压力计，记录曲线马上上升至E点，随着仪器的提升，压力计接触的泥浆柱压力逐渐减小，记录曲线线性下降，到达F点表明仪器已经提升至井口。显然折线BCD反映了被测层压力的恢复过程。通过CD段即可得出钻孔煤层的瓦斯压力。

5.2 实测结果分析

本仪器目前已在贵州多个矿区的多个煤层进行了使用，测量数据满足了生产需要。

实例：水城黔源煤矿202孔煤层瓦斯压力测试[2]，孔深595.42m，煤层埋深587.74～589.79，煤厚2.05m，粉煤，顶板粉砂质泥岩，测试所得温度、压力曲线如图3：图中AB段（压力在98KPa的一直线）为支撑杆内部大气压力，说明仪器连接至下至孔底，封隔器坐封，卸压阶段取得成功；BC段为开始测压至瓦斯压力达到静态平衡阶段；CD段压力不变，压力为735KPa，说明瓦斯压力达到静态平衡；D点开始上提测试仪器，封隔器解封，压力计测得的为孔内泥浆压力，压力升至E点；EF阶段为仪器提升阶段，随着仪器的提升，压力计所受泥浆柱压力逐渐减小，直至F点，仪器提至孔内水位以上。整个测试曲线与理论曲线基本相符，各个测试阶段反应明显，测试成功。

6 结语

本仪器目前已在贵州省多个矿区的进行了使用，从测试情况来看，仪器设计、参数选择、测试方法均比较合理，测试成功率高。目前在勘探钻孔煤层瓦斯压力测试中，缺少相应的国家标准加以规范，且受地质条件、钻孔条件、测试人员自身因素等因素限制，施工过程中随意性大，使得测试结果存在一定人为因素的误差。这就要求测试人员必须准确掌握正确的测试方法，了解、选择并改变测试条件，确定合理测压参数。从某种意义上讲，测试方法是内因，测试条件是外因，只有两者互相密切配合，才能提高测试准确性。

参考文献：

[1]王书华，陈兆海.勘探钻孔煤层瓦斯压力测试方法探讨.

[2]任平，阳勇，陈家龙.贵州省水城县黔源煤矿钻孔瓦斯压力报告.