深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化

保压控制器作为深部煤炭原位保压取心器的核心部件,其密封设计对保压取心效果有着决定性作用。为了获取最优的密封结构方案,本文建立了保压控制器密封结构二维轴对称非线性接触模型,通过正交试验分析不同凹槽设计、锥角选型及摩擦因数对密封性能的影响,并研究不同闭合阶段、介质压力下密封圈各应力变化情况。结果表明：1.9 mm凹槽深度的30°锥角保压控制器密封效果最优;摩擦因数对密封性能的影响较小,应根据实际情况选择尽可能小的摩擦因数;室内打压试验结果表明保压控制器在较小预紧力作用下即可形成密封,且其密封性能随密封压力的升高仍维持稳定,该自适应密封特性保证了其密封能力与工作稳定性。研究成果提高了深部煤矿保压保瓦斯取心器的密封可靠性,对实现深部煤矿瓦斯精准测定具有重要工程意义。     

煤矿井下水平保压取心保压触发装置研制与试验研究

瓦斯含量是煤矿安全开采和煤层气资源开发利用的重要评价指标,而保压取心技术是提高煤层瓦斯含量精确测定的有效途径。针对煤矿水平保压取心特殊工况,基于煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术,为提高保压煤样的采取率,研制了保压触发装置,系统设计了装置的密封保压单元、液压驱动模块和捞矛头与水平打捞器连接-脱卡机构等关键部件。搭建了保压触发装置工作性能地面试验系统,对装置性能进行试验研究。结果表明：在保压控制器阀盖5个典型的翻转方向工况下,保压触发装置的各功能模块均稳定运行,保压控制器均完成了翻转闭合;同时,钢丝绳顺利从取心钻杆内取出,有效防止取心器从孔底提至孔口过程中钢丝绳缠绕,避免引起设备故障。采用电动试压泵对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试,结果表明：在最高压力为4.1 MPa条件下,压力表读数稳定,取心器保压舱内带压流体不发生泄漏,表明保压触发装置可触发取心器的密封保压功能。最后,在煤矿井下实际条件下对装置性能进行试验,结果表明：保压触发装置可在煤层实际工况下稳定实现取心器的密封保压功能,煤样采取率高达90%。保压触发装置的研发可促进煤矿水平保压取心技术的发展,对煤层瓦斯含量的精准测...     

3型天然气水合物保压取心装置

介绍了３型天然气水合物保压取心装置的结构、工作原理、主要技术参数及其在Ｓｉｔｅ５３３的使用情况。     

煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术

获取煤岩体原位物理力学参数是煤炭资源开发的首要任务,瓦斯原位参数精准测量是实现煤矿安全开采的基本保障。针对煤矿原位瓦斯参数测不准的技术难题,结合煤矿井下取心的技术特点,创新提出基于磁力控制的多向保压取心技术构想。基于复合磁场特性,自主设计了磁控自触发保压控制器,优化了取心触发及密封结构,关键保压构件实现磁控非接触式自触发及自密封,提升保压触发的容错率。自主研制了多向保压取心性能测试平台,基于该平台验证了保压控制器在不同取心角度的良好触发能力及自密封能力。集成磁控保压模块,形成多向保压取心装备,通过实验室测试验证了该装备可在多个方向实现保压取心,且保压能力可以达到6 MPa,满足煤矿保压取心条件。研究成果为深部煤矿多向保压取心提供了技术支持,为保压控制结构设计提供了全新思路。     

深部煤矿保压取心煤样自锁转移机构研制

保压取心技术能够将获取的深部煤层样品在孔底直接封存,以最大限度消除取心过程中瓦斯逸散;基于获取的保压岩心开展带压转移及测试是实现瓦斯含量精准测定的技术前提,而如何实现保压取心与带压转移测试的精准对接,已成为亟需解决的关键技术难点。围绕保压取心系统与测试系统对接转移的核心部件自锁转移机构开展研究,基于理论计算与室内试验,对自锁转移机构的装配关系、运动特性与承载能力等进行分析。首先,创新设计了可集成于保压取心系统内部的自锁转移机构,根据取心作业实际工况揭示了锁紧轴顺利通过与安全承载的临界条件;通过理论计算,获取了锁紧环与锁紧轴的最佳装配过盈量为0.1 mm,此时无论通过性还是抗拉承载特性均能保持良好的力学性能。其次,开展了室内锁紧轴通过性及拉伸承载测试,验证了5 kN拉伸载荷作用下锁紧机构的工作安全性。最后,完成了自锁转移机构的样机试制与装配,并进行了入井功能及带压转移动作测试,验证了自锁转移机构动作可靠性。研究成果为获取原位保压岩心并开展带压转移测试等提供了技术基础与装备支撑。     

基于保压取心的深部煤层原位压力计算原理及方法初探

准确获取煤层原位瓦斯压力是防治瓦斯灾害的关键环节,现阶段仍需探寻测量准确、经济投入小、测定周期短的瓦斯压力测定手段。基于深部煤层原位保压取心原理技术,提出了深部煤层原位瓦斯压力计算方法并形成其测定流程,构建了保压空间内瓦斯压力演化数值模型,对比理论与数值模拟结果验证方法的可靠性,进一步探究煤层不同原位瓦斯压力下保压空间内瓦斯压力演化规律。结果表明：保压空间中瓦斯压力示数并非煤层原位瓦斯压力,当保压空间中压力示数为0.3 MPa时,煤层原位瓦斯压力约0.38 MPa;保压空间中瓦斯压力平衡值越大,原位状态游离瓦斯占比越大,平衡后游离瓦斯质量占比也越大;随着保压空间中瓦斯由原位状态向新平衡态转换,游离瓦斯质量占比逐渐增加,吸附态瓦斯质量占比则相应减小;保压空间内瓦斯压力演化规律分为3个阶段,自取心完成后分别经历瓦斯压力快速增加、缓慢增加以及最终平衡阶段;基质内吸附态瓦斯压力缓慢衰减,游离态瓦斯压力快速衰减,保压空间内瓦斯压力先快速增加后趋于稳定最终达到压力平衡;煤心渗透率越大,保压空间中瓦斯压力达到平衡所需时间越短,但其保压空间中瓦斯压力最终平衡压力与煤心渗透率无关。     

煤层气调查评价钻探保压取心钻具设计与试制

目前煤层气勘探取样常采用普通的绳索打捞取心钻具获取样品,并通过获取的样品解析结果来评价目标层的储气量。在取样过程和煤心转移过程中,随着外界压力的降低,加快了煤心中煤层气的逸散,从而无法准确评价目标地层的储气量。针对这一问题,项目组研制了煤层气保压取心钻具,在获取煤心的过程中,保压筒始终保持取样处的压力,并且保压筒可直接与解析设备连接,避免常规取样过程中煤层气的逸散,提高解析数据的准确性,从而为煤层气储量评价提供精确的依据。通过取心钻具的结构设计、保压筒的耐压设计、加工试制和保压测试表明,保压取心钻具取心直径为85mm,最大耐压能力为20Mpa,保压两个小时压力损失不超过最大耐压值的7%,达到了设计和使用要求。     

适用于海底钻机的保压绳索取心钻具设计

以维持保压钻具内天然气水合物稳定性为研究目的,针对现有大口径保压钻具存在钻孔直径大、岩心样品直径小、钻具结构复杂、钻具质量重从而不适用于海底钻机使用工况要求的实际问题,对保压钻具的结构重新进行设计并进行了室内保压试验。结果表明：该小口径薄壁保压钻具的尺寸合理、结构紧凑,能够满足海底钻机使用工况要求;室内保压试验表明当压力维持在10 MPa以下的压力值时,6 h以内压力下降15%左右;而当压力维持在10 ~30 MPa之间的压力值时,6 h以内压力下降10%。该保压钻具在上述压力区间内使用满足设计和使用要求。     

煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型

传统煤层勘探方式采用开放式取心工具获取煤样,并通过理论估算的方式计算损失气。导致所测得的煤样含气量普遍偏低,严重制约煤层气开发利用,影响煤矿安全开采。为满足深部煤层勘探需要,创新设计了一款煤层地面井保压取心工具,工具总长6.7 m,单次可取保压煤心样品3 m。为提高深部煤层保压取心可靠性和成功率,构建了孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型,并通过实验测试和理论推导获取了控制器触发弹片弹力转矩的变化曲线。为验证闭合轨迹模型的准确性,了解保压控制阀盖在钻井液环境下的翻转闭合过程,进行了保压控制器触发闭合室内实验。结果显示,实验所测得阀盖运行轨迹与理论计算结果的偏差小于5%,验证了模型的准确性。在此基础上,优化了煤层地面井保压取心工具内保压控制器触发系统,并在深度为30 m的试验井下,密度1.1 g/cm³、黏度60 s的膨润土基泥浆环境中进行了8次孔底抽拉触发实验,保压控制器均能稳定闭合,成功率为100%,并能保证压力在14 MPa时连续工作至少350 min无泄漏,证实了保压控制器触发系统的可靠性。本文所建立模型可以实现井下保压控制器运行轨迹预测,进而可以针对不同钻...     

深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求,分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器,可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备,可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试,解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题,大大提高了瓦斯含量测定的准确性,为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑,以期降低瓦斯事故,提高高突矿井安全开采效率。     

深部岩盐取心钻探技术

利用水井钻机钻探,开展岩盐深孔取心,采用合理钻孔结构和优化钻具组合,并配以适宜的饱和盐水钻井液和取心钻探工艺,成功地实施了连续岩盐取心,收到了良好的效果。结合濮阳岩盐普查项目,介绍了深部岩盐取心钻探技术。     

深部岩体力学研究与探索

深部原位保压取心是深部流态资源(煤层气、页岩气等)储量评估的重要途径,其密封性能与承压能力受温压影响显著。然而目前研究鲜有考虑深部原位环境(温度、压力)对保压控制器极限耐压能力与保压效果的影响。围绕保压控制器在深部环境下承压性能关键问题开展研究,进行保压控制器运动分析,开展304钢高温拉伸实验,获取其材料力学特性。基于自主研发的保压取心实验室模拟测试平台与数值仿真研究手段,模拟深部原位环境下保压控制器结构变形与应力分布特征,提出保压控制器失效控制策略。结果表明：(1)随着温度增加,304钢的屈服强度呈降低趋势,25、50、100、150、200℃条件下,其平均屈服强度分别约为556.42、536.26、513.22、511.00、489.88 MPa;(2)其失效内因在于阀盖等效应力集中于底面中部,阀盖结构变形以短轴两翼向内部收缩为主,导致密封接触压强降低,无法形成有效密封;(3)为了提高保压控制器的承压性能,建议通过优化材料性能(选取弹性模量大的材料)来降低保压控制器的变形,或在阀座内置限位结构来控制阀盖弱侧变形,促使保压控制器处于“越压越紧”的良性状态。相关研究可为深部原位保压取心控制器结构优化与能力增强提供借鉴。

     

天然气水合物储层岩心保压转移与测试进展

掌握天然气水合物储层基础物性演化特征对提升天然气水合物资源勘查与试采综合实力具有重要意义。目前,天然气水合物储层基础物性模拟实验和测试仍然以人工制备的天然气水合物岩心样品为主,导致测试结果和模拟实验认识与天然气水合物资源勘查试采工程需求仍有一定的差距,亟需原位准原位物性测试数据进行对比校正。天然气水合物储层保压取心及其后续岩心保压转移与测试是积累准原位物性测试数据的有力手段。聚焦天然气水合物储层保压取心之后的岩心保压转移与测试,全面综述了国内外现有的天然气水合物储层岩心保压转移与测试系统的优缺点,深入分析了天然气水合物储层岩心保压转移与测试获得的基础性认识;综述国内天然气水合物储层保压取心系统研发现状,梳理与之配套的岩心保压转移与测试系统研发现状及其面临的挑战;针对面临的挑战,为发展中国海域天然气水合物储层保压转移与测试技术装备研发自主能力提出了建议。     

绳索定向造斜及取心技术应用

绳索取心技术因其钻进效率高而广泛应用,但其无法实施定向作业。本项目可在采用绳索取心的同时,不需要采用井底螺杆钻具进行定向勘探,该技术是近几年才发展起来的高新技术。目前在世界范围内,仅有少数几个国家掌握该技术,其中以挪威和美国取得世界领先地位。简要介绍了绳索定向造斜和取心技术的原理及技术参数,并介绍了云南华泽矿区的施工应用实例。     

保压取样钻具内岩心温压采集器的研制与应用

在绳索取心钻探过程中,井底温度与压力的实时测量,有助于改进取心工艺,提高岩心采取率;同时岩心在井底的原位测量数据对于了解岩心的物理特性有着重要意义,这一点在海域天然气水合物勘探中尤为明显。本文主要介绍了一种内置于保压取样钻具中的温压采集器的结构及其工作原理。该采集器采用干电池供电,单次工作时间>72 h,能够采集与存储整个取样过程中岩心管内的温度与压力参数,与电脑端连接后就能得到全部数据。通过搭载海洋地质十号钻探船,该采集器完成了一个回次的海试试验,得到了整个绳索取心钻进过程的温度与压力数据。经过分析,收集到的数据与实际取心工艺过程相符,数据平稳可靠。     

电动机械取心钻具反扭装置实验台设计及实验

大扭矩反扭装置是研制铠装电缆冰下基岩电动机械取心钻具的主要部分之一,该装置的失效将导致钻进无法进行,甚至将造成钻具脱落等严重的孔内事故。设计了铠装电缆钻具反扭装置实验台,并就实验装置的设计思想、设计原则、主要结构参数及初步实验结果进行了详细介绍。该实验台可以测试反扭装置在不同温度冰层和不同孔径任意组合下所能提供的反扭矩大小以及产生的下滑阻力。初步实验验证,该实验台工作性能良好,可以为更好的选择反扭装置类型及最优的使用参数提供重要依据。     

基于RecurDyn的极地冰下基岩取心钻具反扭装置的运动仿真及运动分析

在极地钻探技术领域中,铠装电缆式电动机械取心钻具应用广泛,优化、设计可靠的反扭装置,提高其反扭力矩,是冰下基岩电动机械取心钻具钻进成功的关键所在。为了分析反扭装置的全部性能,提出了基于数字化虚拟样机RecurDyn的仿真方法。反扭装置的组成机构是平面六杆机构,在RecurDyn中导入由inventor软件建立的反扭装置几何模型进行运动仿真及分析。介绍了利用RecurDyn软件来实现平面六杆机构（反扭装置）运动仿真及分析的方法和步骤。以反扭装置作为研究对象,在RecurDyn/post模块中,用动画来表现反扭装置的运动过程,用图表来反映运动仿真的结果。仿真的结果证明反扭装置设计的科学性、合理性以及实用性,可以实现预定位置变化,满足极地钻探中平衡钻进的要求。     

“双孔方案”在沧州盐矿深部取心钻探的应用

在沧州深部盐矿普查项目中,施工完成的ZK002孔,500～3290 m孔段进行取心工作。钻探过程中,设计了深、浅“双孔方案”,分别采用地质和石油钻探设备,将常规岩心钻探技术与钻井取心技术组合,实现了两类设备、不同取心工艺之间的优势互补,最终降低了施工风险、确保了钻孔质量、节约了施工成本、缩短了工期。