煤巖芯制取裝置的研發(fā)和優(yōu)化

【摘要】傳統(tǒng)制取煤巖芯方案的缺點(diǎn)是：液氮冷凍取回巖石樣的方案，成本高且操作復(fù)雜，液氮浪費(fèi)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(yōu)化傳統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性和較大的市場應(yīng)用前景。

【關(guān)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(guī)天然氣資源，在我國已初步實(shí)現(xiàn)地面工業(yè)生產(chǎn)。勘探開發(fā)實(shí)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(yīng)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(yùn)移，導(dǎo)致煤層氣產(chǎn)能較低。因此改善煤層滲透性，增強(qiáng)煤儲層中孔、裂隙的連通性，是我國煤層氣勘探開發(fā)中重點(diǎn)關(guān)注、重點(diǎn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性起到至關(guān)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(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生，是本設(shè)備研制的主要目的。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

目前，國內(nèi)外制取煤、巖芯的方法主要有以下幾種方法，一種辦法是現(xiàn)場鉆機(jī)直接鉆取，一種是通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過鉆床內(nèi)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(xué)溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質(zhì)地巖層）。

第一種現(xiàn)場鉆機(jī)直接鉆取，操作人員可根據(jù)巖石的可鉆性、研磨性、完整程度、硬度，來選擇磨料和鉆進(jìn)方法，此方法運(yùn)用的設(shè)備較多且搬運(yùn)量較大，針對不同煤、巖芯使用不同的鉆頭。

第二種通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過鉆床內(nèi)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(xué)溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質(zhì)地巖層）。

3、研究內(nèi)容

現(xiàn)有的三種技術(shù)中，現(xiàn)場鉆取煤、巖芯對操作人員的技術(shù)要求高，設(shè)備現(xiàn)場安裝繁瑣，液氮等罐體搬運(yùn)量大。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過鉆床內(nèi)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(xué)溶劑通過磨具澆制煤、巖芯（軟質(zhì)地巖層），配置溶劑較困難，操作難度大。

本項(xiàng)目研發(fā)的新型設(shè)備克服了原設(shè)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(diǎn)不足，在原有鉆頭的基礎(chǔ)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(jīng)常出現(xiàn)煤、巖芯碎裂的情況，造成無用之功，采用新型設(shè)備只需將張力器上到鉆桿兩側(cè)的螺絲上扳動絲桿即可將鉆桿壁向兩側(cè)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(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生概率。

新型設(shè)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(cè)的螺絲上扳動絲桿即可將鉆桿壁向兩側(cè)拉開一定的間隙，在沒有增加更復(fù)雜的部件和原材料的基礎(chǔ)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(shí)驗(yàn)事故的概率，做到了從根本上保證實(shí)驗(yàn)全程的安全。

為了解決傳統(tǒng)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(cè)的絲桿2上板動張力器7絲桿，此時鉆桿內(nèi)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(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：1、創(chuàng)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(nèi)壁與煤、巖芯分離，可輕松取出煤、巖芯。

4、總結(jié)

通過本次對煤巖芯制取方法和裝置研發(fā)和優(yōu)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(fā)設(shè)備已經(jīng)于2016年7月13日申請了國家實(shí)用新型設(shè)備專利一項(xiàng)，《一種制取煤、巖芯鉆頭的裝置》，并于2016年12月07日獲授權(quán)。

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[3]范云林. 淺部煤層水力壓裂縫態(tài)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(xué)院安全工程系，從事礦井通風(fēng)安全教學(xué)與研究。