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定具有重要意义。

海域天然气水合物保压取心钻具的研制与试验

天然气水合物的勘探和开发需要从地层中获取保压岩心进行地层的物化性测试、储量评估以及开采工艺等方面的研究。然而,钻探过程中,伴随温度和压力的改变,天然气水合物很容易发生分解,这给水合物钻探取心工作带来了很大的困难。为了解决天然气水合物保压取心钻具的保压可靠性问题,开展了一种新型齿轮-齿条关闭球阀式水合物保压取心钻具的研制,采用绳索打捞的提拉力驱动球阀工作。详细介绍了该保压取心钻具的结构和工作原理;计算了球阀的工作密封比压及打捞内管所需的提拉力;介绍了该保压取心钻具的室内试验和海试情况。研究表明:该水合物保压取心钻具的取心工艺简单、球阀翻转和密封性能良好、取心成功率高,各项功能和性能指标均达到了设计的要求。

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。

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。

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。

TKP194-80型密闭保压取心工具的研制与应用

密闭保压取心是一种能够保持或接近地层压力的特殊取心技术,可使岩心中流体、气体保持在原始状态。这种技术对于正确认识地质情况、计算油田可采储量、分析页岩气藏和煤层气藏机理,制定勘探开发方案有着十分重要的意义。研制TKP194-80型密闭保压取心工具,采用大通径高压球阀密封、密闭液封堵、液压差动、活塞压力补偿等关键技术,配有岩心冷冻、切割、集气等岩心后处理工艺,钻头外径215 mm,保压能力50 MPa,岩心直径80mm。在山西晋中某煤层气资源地质探井开展保压取心应用,共进行保压取心8筒,总进尺37.51 m,岩心采取率84.4%,保压成功率87.5%。研究结果表明,该取心工具保压性能可靠,技术方案可行,可为常规油气及非常规油气藏勘查开发提供技术装备支撑。

保压取心球阀设计与有限元分析

现行保压取心球阀一般为销槽结构,即外部固定销和球体表面槽孔配合,通过固定销不动球体上行的过程实现球阀关闭,结构单一,可靠性低。为解决以上问题,提出了一种梅花轮式球阀结构方案。采用梅花轮和齿键配合方式实现球阀启闭,梅花轮端面和内衬套接触面为面接触,球阀开启前和关闭后,内管柱上下活动时梅花轮不会发生转动,提高了密封可靠性。分别对球阀中球体、弹簧、梅花轮及齿键的选型和计算过程进行了说明,对球体和阀座受力情况进行了有限元模拟分析,计算和分析结果符合结构设计要求。研究结果为提高保压取心球阀密封稳定性提供了一条新途径。

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/cm^(3)、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井液体系设计、优化触发系统,从而提高深部煤层保压取心成功率。

温压荷载作用下深部原位保压取心控制器承压特性研究

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。

深部煤矿保压取心触发装置仿真优化及应用

保压控制器是深部煤矿保压保瓦斯取心装备的核心部件,其保压能力与密封性能是保压保瓦斯取心技术的关键。针对保压控制器仅由重力提供初始密封力时,初始密封比压较小、密封性能差的问题,设计了一种保压取心触发装置,以期为保压控制器实现密封提供初始密封比压。采用动力有限元对该触发装置工作过程进行数值仿真,并根据仿真结果对保压取心触发装置进行优化,之后对优化后的保压取心触发装置进行室内实验。结果表明:优化后的保压取心触发装置可为保压控制器实现密封提供足够的初始密封比压,且不影响保压控制器的保压能力,可满足井下瓦斯压力的维持。同时,为了检验保压取心触发装置在整套装备中的应用效果,开展了保压保瓦斯取心现场试验,试验测试过程中保压取心触发装置运行平稳,并成功取得保压煤心样品,验证了保压取心触发装置功能的可靠性。

原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响

基于保压取心工艺测定煤层瓦斯压力和含量,是实现瓦斯参数快速精准测定的有效方法。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分混合气体,煤对于不同气体的吸附能力不同,混合气体中各组分气体分压也存在差异,不同气体组分占比将影响煤层瓦斯含量和压力的测算结果。为实现保压取心煤层原位瓦斯压力的精准测算,采用数值模拟和理论计算相结合,研究气体组分对瓦斯压力测算的影响。通过分析取心器内煤心瓦斯压力演化过程,将多组分气体吸附模型引入瓦斯运移理论,建立考虑多组分气体的双重介质瓦斯压力演化方程,并应用于数值仿真。模拟结果显示,煤心进入岩心筒后裂隙瓦斯压力初始先迅速下降而后逐渐上升,基质瓦斯压力一直缓慢下降,岩心筒内自由空间的瓦斯压力由初始0.1 MPa缓慢上升,数小时后3个压力平衡,平衡压力远小于煤心原始瓦斯压力;CO_(2)组分对平衡瓦斯压力值的影响最大,当气体为纯CH_(4)时平衡压力最小。同时,推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式,根据设定的平衡压力反算煤层瓦斯压力,理论计算煤层瓦斯压力值与数值模拟数据的对比结果吻合较好,Pearson相关系数为99.89%;利用取心器平衡压力反算煤层瓦斯压力时,计算结果随CO_(2)、CH_(4)组分增加和N_(2)组分减少而减小,气体为纯CH_(4)时反算的煤层瓦斯压力值最小。利用保压取心测算煤层原位瓦斯压力时,若不考虑气体组分而以纯CH_(4)计算,可能会低估煤层瓦斯压力值,尤其是煤层瓦斯压力较大且CO_(2)气体组分占比高时,误差更大,为准确测算煤层瓦斯压力,应考虑瓦斯气体组分的影响。

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。

80 MPa保压取心工具的研制与应用

为充分认识深井、高温井区块原始地层条件下岩心的油气组分物性和结构构造,真实评价该区块油气储量,文章以现有保压取心技术为基础,通过优化设计、技术创新成功研制出80 MPa保压取心技术。该技术设计的氟素橡胶密封件可以长时工作在井下150℃高温环境中并保持良好的橡胶性能,满足高温环境中静、动高压差密封;球端活塞承高压金属密封、承低压胶环的双密封设计;优选7075型硬质铝合金内筒,优化设计工具壁厚及增强丝扣强度实现内筒总成承压差80 MPa;通过表面镀层及涂层处理应对井下长时间高温、高循环压耗的工作环境,提高保压取心工具安全性。现场应用表明,80 MPa保压取心技术可以满足深井、高温井保压取心的技术需求,对于深井、高温井地质勘探开发及储量评价具有重要意义。

保压取心储层流体饱和度分析方法——以柴达木盆地台南气田第四系生物成因气藏为例

为了准确获取柴达木盆地台南气田第四系疏松泥质粉砂岩储层原始流体饱和度,在其区内两口气井中应用保压密闭取心及其配套分析技术,对储层温压条件下所含流体含量进行了测定。具体方法是,运用保压密闭取心技术保证岩心从井筒提升到地面后仍保持地层压力,冷冻截取过程中系统收集游离气和游离水,并对岩样开展束缚水、可动水及残余气饱和度等实验分析研究,依据岩心孔隙体积最终按照地面实际收集的流体体积通过校正得到地层温压条件下储层孔隙内的原始气、水总饱和度和可动流体饱和度等参数。在此基础上,对比测井解释储层流体饱和度后发现,测井求取值偏大、物性好的气层平均相差17.89%,物性中等的气层平均相差为20.79%,物性差的气层平均相差36.64%。结论认为,只有采用保压密闭取心才能够准确获取储层的真实原始流体饱和度,其对测井解释计算方法具有修正作用。

保压取心技术在吐哈油田陵检14-241井的应用

大庆油田在陵检14-241井保压取心过程中,采取了一系列技术措施,包括采用六翼刮刀式PDC钻头、改善压力补偿系统的密闭性能、采用抗高温DSM密闭液、采用液氮冷冻技术、优化工艺流程等,使该井岩心收获率达93.6%,密闭率82.1%,保压率93.1%,为探区储量计算、残余油动态预测、水淹层测井等提供了重要的基础资料和解释依据。

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。

基于保压取心的页岩含气量测试新方法

含气量是页岩气储层评价和储量计算中的关键参数,其准确测试是计算地质储量和确定开发方案的基础。目前常用的现场测试方法,由于需估算损失气量,导致其数据可信度不高。为了明确我国四川盆地南部龙马溪组页岩的真实含气能力,开展了我国首口海相页岩气保压取心井的现场含气量测试。保压取心技术可以使取出的岩心保持在原始地层压力状态,能最大限度地减少页岩中气体的散失。考虑保压取心过程的特殊性,针对性地研发了页岩含气量现场测试设备,建立完整的测试流程和方法,实现了页岩含气量的带压测试。新方法需分段测试降压阶段解吸气量和常压阶段加热解吸气量,将两部分测试结果直接相加即可得到页岩总含气量,无需再估算取心过程中的损失气量。测试结果表明,该井常规取心段页岩总含气量平均仅为1.26 m^(3)/t,保压取心段页岩总含气量平均达3.77 m^(3)/t,明显高于常规取心段页岩含气量。此外,还建立了页岩吸附气量和游离气量直接测试方法,发现龙马溪组页岩游离气量均大于吸附气量,游离气量所占比例平均为64.48%,底部游离气量所占比例可达75%左右。与邻井同层位页岩气井的总含气量对比认为,采用目前的损失气计算方法明显低估了页岩的含气量,需结合保压取心结果进一步标定和建立新的损失气计算方法。建议未来增加页岩气保压取心井的试验井次,进一步明确页岩气储层的真实含气能力和储集能力。特别是对于深层页岩气、海陆过渡相页岩气等新区新领域的勘探,可优先试验保压取心。

保温保压取心工具球阀工作力学的有限元分析

运用ANSYS和Pro/E的交互式无缝连接技术,对现行GW194-70BYM型保温保压取心工具的球阀进行了有限元力学分析。分析结果表明,球阀仓的应力和变形数值分析计算结果与实物在40 MPa工作内压下实测数据非常接近;转轴在轴径变化的地方存在着较严重的局部应力集中现象,宜采用渐变过渡连接方式或适当增粗直径的方法进行解决;球阀仓在转轴的支撑处因结构不对称,在左上耳和右上耳部位的局部应力远大于材料抗拉强度极限,出现局部屈服的现象,降低了总体强度,建议增大左上耳和右上耳部位的几何尺寸。该项研究结果对于指导球阀机构的优化设计及提高其工作安全性具有重要意义。

保压取心工具连续割心系统设计

现行保压取心工具割心系统投球式差动总成响应速度慢,割心位置误差较大;自锁式岩心爪不能有效抱紧下行岩心、岩心易滑脱,针对这些问题,提出一套可用于保压取心装置的智能割心系统设计构想;基于保压取心技术要求,采用数值仿真及理论计算,研发连续可控割心技术,创新性地引入传感器等电子元件,与所设计的活塞式可控差动机构配合。结果表明:所设计的保压取心工具连续割心系统能够实现割心动作的智能控制,可以有效降低投球割心位置误差;设计的杠杆加压自锁式岩心爪采用预紧力+杠杆结构双重加压方式增大与岩心的摩擦力,可以有效提升割心成功率;岩心爪强度设计满足要求。