煤巖芯制取裝置的研發和優化

【摘要】傳統制取煤巖芯方案的缺點是：液氮冷凍取回巖石樣的方案，成本高且操作復雜，液氮浪費較大，還有一定的危險；注水方案則污染較大，制取煤、巖芯易碎。針對優化傳統方案中的不足，采用新型裝置保證取芯樣本的完整性，同時保證了易用性、安全性和經濟性，具有較強的創新性和較大的市場應用前景。

【關鍵詞】煤巖芯；制取；完整性；安全性

1、研究目的

煤層氣作為一種重要的非常規天然氣資源，在我國已初步實現地面工業生產。勘探開發實踐表明，煤儲層滲透率可以直接影響煤層氣井采收率，而我國煤儲層因受原地應力等因素影響，滲透率普遍偏低，影響了煤層氣在煤層裂隙中的運移，導致煤層氣產能較低。因此改善煤層滲透性，增強煤儲層中孔、裂隙的連通性，是我國煤層氣勘探開發中重點關注、重點研究的問題[1-3]。煤層氣的滲透性對煤巖芯的制取工作提出了更高的要求。煤巖芯樣本的完整性對煤層氣的滲透性研究實驗結果的有效性起到至關重要的作用。因此，最大限度的保證煤巖芯的完整性同時降低實驗事故的發生，是本設備研制的主要目的。

2、國內外研究現狀和發展動態

目前，國內外制取煤、巖芯的方法主要有以下幾種方法，一種辦法是現場鉆機直接鉆取，一種是通過在實驗室內通過鉆床內注液氮（或注水）等方法制取煤、巖芯，一種是通過配置一定的化學溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質地巖層）。

第一種現場鉆機直接鉆取，操作人員可根據巖石的可鉆性、研磨性、完整程度、硬度，來選擇磨料和鉆進方法，此方法運用的設備較多且搬運量較大，針對不同煤、巖芯使用不同的鉆頭。

第二種通過在實驗室內通過鉆床內注液氮（或注水）等方法制取煤、巖芯。

第三種通過配置一定的化學溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質地巖層）。

3、研究內容

現有的三種技術中，現場鉆取煤、巖芯對操作人員的技術要求高，設備現場安裝繁瑣，液氮等罐體搬運量大。實驗室內通過鉆床內注液氮（或注水）等方法制取煤、巖芯，液氮損耗大、成本高，且不易操作，配置一定的化學溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質地巖層），配置溶劑較困難，操作難度大。

本項目研發的新型設備克服了原設備的難以操作、能量損耗大、耗材損耗增大、煤、巖芯的制取成效率低，有一定安全隱患（液氮噴濺造成凍傷）等幾點不足，在原有鉆頭的基礎上作了較大幅度的改變，原有鉆頭在鉆取煤、巖芯的操作中步驟繁瑣且需兩人操作，在取煤、巖芯時，煤、巖芯與鉆頭及鉆桿壁過緊需用輔助鐵棒震打才能取出煤、巖芯，經常出現煤、巖芯碎裂的情況，造成無用之功，采用新型設備只需將張力器上到鉆桿兩側的螺絲上扳動絲桿即可將鉆桿壁向兩側拉開一定的間隙，煤、巖芯可輕松的取出，大大的提高了制取煤、巖芯的完整性同時降低了實驗事故的發生概率。

新型設備在煤、巖芯制取后，利用自制的張力器取代采用振打的方法，使得煤巖芯在上到鉆桿兩側的螺絲上扳動絲桿即可將鉆桿壁向兩側拉開一定的間隙，在沒有增加更復雜的部件和原材料的基礎上，極大地精簡了操作過程，提高了煤巖芯的完整性，降低了實驗事故的概率，做到了從根本上保證實驗全程的安全。

為了解決傳統鉆頭在鉆取時煤、巖芯難以從鉆桿中取出的問題，所以新研制的鉆頭是將鉆桿分為兩部分，如圖1所示，由螺桿帽1和鉆桿4及合金鉆頭部分組成，在鉆取煤、巖芯時將鉆桿縫隙墊片6放置鉆桿縫隙3中，上緊螺桿帽上到鉆床上，鉆去煤、巖芯完畢將鉆桿帽1擰下，將張力器7上到鉆桿兩側的絲桿2上板動張力器7絲桿，此時鉆桿內壁與煤、巖芯分離即可輕松將煤、巖芯取出，即便是較為松軟的煤、巖芯也可輕松的完整取出。

本次研發的關鍵點在于：1、創新性的將鉆頭分為兩部分鉆桿帽1和鉆桿4；2、在鉆桿中心開一條鉆桿縫隙3；3、采用張力器7將鉆桿內壁與煤、巖芯分離，可輕松取出煤、巖芯。

4、總結

通過本次對煤巖芯制取方法和裝置研發和優化，不但解決了制取煤巖芯過程中的安全問題，同時也提高了效率和成品率，具有極高的改造和推廣價值。本次研發設備已經于2016年7月13日申請了國家實用新型設備專利一項，《一種制取煤、巖芯鉆頭的裝置》，并于2016年12月07日獲授權。

參考文獻：

[1]蔡記華，袁野.可降解鉆井液對煤巖滲透率的影響評估[J].煤炭學報，2013，11：1993-1998.

[2]李瑞，王坤. 提高煤巖滲透性的酸化處理室內研究[J]. 煤炭學報，2014，05：913-917.

[3]范云林. 淺部煤層水力壓裂縫態研究[J]. 甘肅科技，2014，06：63-65+89.

作者簡歷：作者簡介：韋剛（1987-），男，漢族，河北邢臺人，助教，新疆工程學院安全工程系，從事礦井通風安全教學與研究。