一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统及方法与流程

本发明属于煤开采，具体涉及一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统及方法。

背景技术：

1、煤储层瓦斯压力是矿井瓦斯基本参数之一，对于确定煤储层瓦斯含量、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。现有技术中，井下煤储层瓦斯压力直接测定主要通过从煤储层底板岩巷向煤储层钻进穿层测量钻孔，完孔后在孔内下入压力计，之后将孔口密封，由于孔内没有液体，孔内压力逐渐与地层压力平衡，压力计就可持续记录压力变化过程，最终取得近似地层瓦斯压力的数值。该方法的缺陷在于：井下测得的瓦斯压力受采矿影响压力较大，且地层/煤储层已经经过疏放水处理，测得的瓦斯压力并非煤储层的原始瓦斯压力。

2、通过在未采区地面测量钻孔进行瓦斯压力测量能够获得接近原始瓦斯压力的测量值，但由于未采区内未建矿井，所以地面测量钻孔中煤储层/地层含水，在地面测量钻孔完钻后孔内充满液体，在液柱压力作用下煤储层瓦斯不发生解析，而且测量钻孔内的水受煤储层/地层补给，所以就面临以下问题：如果将孔内液体排出，在瓦斯气体开始解吸后再下入压力计，则孔内很快就会被煤储层/地层含水充满，瓦斯气体在液柱压力作用下停止解吸，压力计很难测到稳定的瓦斯压力数据；如果将煤储层/地层水疏干，由于瓦斯气体长时间进行解吸和释放，所以下入的压力计测得的数据也很难反映原始地层瓦斯压力情况。

3、因此，如何在降低煤储层压力促使瓦斯气体解吸的同时，保障气体不出现扩散、逃逸，即如何提供一个能够测量到稳定气体压力的气体聚集用密闭空间，是通过地面测量钻孔测量瓦斯压力的技术关键及难点。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提出一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统及方法，以解决现有技术中在未采取地面测量钻孔测量瓦斯压力时存在的难以准确获得原始地层瓦斯压力的技术问题。

2、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：

3、一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统，包括设置在地面上的监测控制装置，以及设置在测量钻孔中的瓦斯压力测量装置，所述瓦斯压力测量装置包括竖直设置在测量钻孔内的排水管组件，所述排水管组件包括上排水管和下排水管，所述上排水管经封闭装置与下排水管同轴连通；所述下排水管下端连接有抽水装置；

4、所述封闭装置沿测量钻孔径向向外膨胀后能够与测量钻孔的孔壁贴合；

5、所述封闭装置下方设置有气体压力传感器；所述下排水管外设置有密度传感器；所述抽水装置吸入口下方设置有液体压力传感器；

6、所述监测控制装置与抽水装置、气体压力传感器、液体压力传感器、密度传感器和封闭装置通过电缆连接。

7、本发明还具有以下技术特征：

8、具体的，所述封闭装置包括封闭装置本体，以及套设在所述封闭装置本体外的弹性胶筒，设置弹性胶筒处的封闭装置本体侧壁上开设有排水口；

9、所述封闭装置本体内设置轴向贯通的排水通孔和电缆通孔，所述排水通孔的两端分别连接上排水管和下排水管；

10、所述封闭装置本体内还设置有升压机，所述升压机的进水口与开设在封闭装置本体上表面的密封液体吸入口连通，所述升压机的出水口与所述排水口连通。

11、更进一步的，所述密度传感器与所述抽水装置上表面的垂直距离为10米。

12、更进一步的，所述液体压力传感器与抽水装置底面的垂直距离为0.5～1米。

13、本发明还公开一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量方法，该方法通过上述地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统实现，包括以下步骤：

14、步骤1、施工瓦斯压力测量钻孔，所述测量钻孔孔底与煤储层顶界的距离大于20m；

15、步骤2、在瓦斯压力测量钻孔内下入瓦斯压力测量装置，然后连接瓦斯压力测量装置和监测控制装置；

16、步骤3、通过监测控制装置控制封闭装置的弹性胶筒沿测量钻孔径向膨胀与测量钻孔孔壁贴合；

17、步骤4、用抽水装置对煤储层进行排水，排水过程中，下排水管与测量钻孔间隙内的液面与封闭装置本体底面之间形成密闭测量空间，继续排水至密闭气压测量区域内的液面降至抽水装置进水口与密度传感器之间，且与距煤储层顶界的距离为10～20m；

18、步骤5、借助气体压力传感器完成密闭测量空间内的气体压力持续测量后，通过监测控制装置控制弹性胶筒收缩，起出瓦斯压力测量装置。

19、更进一步的，步骤4具体包括以下内容：

20、步骤4.1、根据液体传感器采集到的排水管内液体压力，确定排水管组件内的动液面高度；

21、步骤4.2、按照预设的排水速度进行降液面排水，使煤储层压力降至煤储层解吸压力，煤储层开始解吸产气；

22、步骤4.3、根据构建的密闭测量空间液面高度下降速度与排水管中动液面高度的关系模型，通过控制排水管中动液面下降速度和高度控制密闭测量空间液面高度下降速度和高度，使密闭测量空间液面高度降至抽水装置进水口与密度传感器之间，且与距煤储层顶界的距离为10～20m。

23、更进一步的，所述的密闭测量空间液面高度下降速度与动液面高度的关系模型如下：

24、

25、其中，

26、v为密闭测量空间液面高度下降速度，单位是m/d；

27、ρ为液体密度，单位为kg/m3；

28、h为动液面高度，单位为m；

29、p为密闭空间的气体压力，单位为mpa；

30、t为时间，单位为d；

31、g为重力加速度，取值9.8n/kg。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、本发明装置通过结构设计为未采区煤储层瓦斯压力测试提供了能够测量稳定气体压力的密闭测量空间，通过设置在密闭测量空间内的气体压力传感器完成气体压力的测量，装置结构简单，使用方便，解决了现有技术无法从地面准确测量瓦斯压力，获取原始煤储层参数的问题。

34、(2)本发明装置借助封闭装置将测量点进行封闭，能够有效避免煤储层上部地层出水对测量压力的影响，仅封闭煤储层所在区域，避免其他地层对孔内水得补给，大大减小抽水难度。

35、(3)本发明方法将排水与测量协同进行，通过在测量钻孔内保留一定的液面高度，实现对气体聚集区域的水封，进而获取未采区原始瓦斯压力参数，通过地面钻孔可以测得不受采动影响的未采区的瓦斯压力参数，为煤储层瓦斯抽采、瓦斯灾害防治以及煤与瓦斯突出危险性鉴定提供参数。

36、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。

技术特征：

1.一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统，包括设置在地面上的监测控制装置，以及设置在测量钻孔中的瓦斯压力测量装置，其特征在于，所述瓦斯压力测量装置包括竖直设置在测量钻孔内的排水管组件(1)，所述排水管组件(1)包括上排水管(11)和下排水管(12)，所述上排水管(11)经封闭装置(13)与下排水管(12)同轴连通；所述下排水管(12)下端连接有抽水装置(3)；

2.如权利要求1所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统，其特征在于，所述封闭装置(13)包括封闭装置本体(131)，以及套设在所述封闭装置本体(131)外的弹性胶筒(132)，设置弹性胶筒(132)处的封闭装置本体(131)侧壁上开设有排水口(137)；

3.如权利要求1所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统，其特征在于，所述密度传感器(5)与所述抽水装置(3)上表面的垂直距离为10米。

4.如权利要求1所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统，其特征在于，所述液体压力传感器(2)与抽水装置(3)底面的垂直距离为0.5～1米。

5.一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量方法，其特征在于，该方法通过权利要求1至权利要求4其中任意一项所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统实现，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量方法，所述步骤4具体包括以下内容：

7.如权利要求6所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量方法，其特征在于，所述的密闭测量空间液面高度下降速度与动液面高度的关系模型如下：

8.如权利要求6所述的地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量方法，其特征在于，所述预设的排水速度为3m/d～20m/d。

技术总结
本发明属于煤开采技术领域，公开了一种地面钻孔煤储层瓦斯压力水封式测量系统及方法，该系统包括设置在地面上的监测控制装置，以及设置在测量钻孔中的瓦斯压力测量装置，所述瓦斯压力测量装置包括竖直设置在测量钻孔内的排水管组件，所述排水管组件包括上排水管和下排水管，所述上排水管经封闭装置与下排水管同轴连通；所述下排水管下端连接有抽水装置，本发明装置通过结构设计为未采区煤储层瓦斯压力测试提供了能够稳定测量瓦斯气体压力的密闭测量空间，通过设置在密闭测量空间内的气体压力传感器完成气体压力的测量。本发明方法将排水与测量协同进行，通过在测量钻孔内保留一定的液面高度，实现对气体聚集区域的水封测试。

技术研发人员：庞涛,王海军,姜在炳,孙四清,范耀,杨建超,李浩哲,程斌,辛欣
受保护的技术使用者：中煤科工西安研究院（集团）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15