一种低负压引射深孔连续取样系统及取样方法

1.本发明涉及一种取样系统，具体是一种低负压引射深孔连续取样系统及取样方法，属于地质勘探及煤矿安全技术领域。


背景技术：

2.瓦斯灾害是高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井最主要的灾害之一，也是制约其生产的主要瓶颈之一。煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治、煤层瓦斯预抽效果评估、煤层气资源评价和开发等相关领域的重要基础参数。因此，如何通过煤层取样方法精准测算瓦斯含量成为一项亟待解决的难题。
3.煤层瓦斯含量通常采用解吸法直接测定，解吸法测定瓦斯含量包括损失气量、解吸气量和残余气量，解吸气量和残余气量可以通过解吸仪器实测获得，损失气量通过煤心初期解吸规律推算获得，煤心暴露时间越长，损失气量估算越不准确。因此，如何实现煤层快速取样、精准取样，同时在取样过程中尽量减少煤样瓦斯含量的解析损失是煤层瓦斯含量准确测量的关键。近年来，围绕着煤层负压取样，许多学者开展了一系列的研究，中国发明专利2014年8月6日公开的一种公开号为cn103967437a的“一种井下压风定点取样装置及取样工艺”，其是通过双壁钻杆配合钻头外壁的出风斜孔和钻头顶端的进风口，实现负压引射取样；中国专利2009年10月7日公开的一种公开号为cn201321859y的“一种钻孔引射取样装置”，其是通过在钻杆尾端设置引射器，将煤样直接吸入样品收集罐中，实现煤样收集，然而，现有技术均存在较大的负压加速排渣过程瓦斯解析损失量的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种低负压引射深孔连续取样系统及取样方法，能够实现在不退钻、不换钻杆的前提下，连续对多个采样点取样，同时保障各个取样点煤样不混杂；且能够根据取样量需求进行取样，减少取样过程中强负压气流扰动对煤样瓦斯解析的影响，从而实现煤层精准取样。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种低负压引射深孔连续取样系统，包括与钻杆前端连接的取样钻头、与钻杆尾端连接的配套水辫，钻杆整体安装在钻机上，还包括空气放大器、供气供水泵；所述取样钻头以及钻杆的内部均为中空结构，取样钻头内部沿轴心设置有取样孔，取样孔与钻杆的空心杆连通，且同轴设置；在取样钻头内部空腔体后侧壁设置有排风孔，取样钻头外壁均布有若干排风斜孔，所述排风斜孔均与排风孔相连通；为了实现正压排水气，负压取样，取样孔内设置有单向负压阀门，排风孔内设置有单向正压阀门；正常钻进时，尾部钻机提供高压水气，在正压气流的作用下，排风孔内的单向正压阀门开启，水气流经排风孔由钻头外壁的排风斜孔排出，实现正常钻进时供气供水的功能；取样时，尾部钻机向空气放大器提供压缩气流，在负压气流的作用下，取样孔内的单向负压阀门开启，煤样经取样孔吸入钻杆内部，由空气放大器的排气排渣口排除，实现正负压取样。
6.所述配套水辫内部为中空结构，且与钻杆的空心杆同轴贯通，配套水辫侧壁设置
有气水管路，气水管路与供气供水泵相连通，配套水辫尾部设置有直螺纹母接头，并通过直螺纹母接头与空气放大器相连接；为了实现正压供气，负压取样的功能，在与配套水辫连通的气水管路上设置有手动阀门ⅰ，和空气放大器连通的供气管路上设置有手动阀门ⅱ，通过调节手动阀门ⅰ、手动阀门ⅱ实现正、负压切换，气水管路与供气管路通过主气水管路相连通。
7.空气放大器内部为中空结构，且通过进气口与配套水辫内部的中空结构同轴贯通，空气放大器侧壁设置有压缩空气进气嘴，压缩空气进气嘴的进气端与供气管路连通，供气管路与供气供水泵相连通，压缩空气进气嘴的出气端与空气放大器相连通；所述空气放大器尾端设置有排气排渣口，煤样经排气排渣口排出。
8.为了实现更好的取样效果，空气放大器尾部的排气排渣口截面直径大小和进气口截面直径大小，均可根据取样深度进行调节。
9.钻杆设置为至少一个，在第一个钻杆的前端设置锥形螺纹公接头，并通过锥形螺纹公接头与取样钻头尾端相连接；在最后一个钻杆的尾端设置锥形螺纹母接头，并通过锥形螺纹母接头与配套水辫相连接，相邻钻杆之间通过锥形螺纹公接头、锥形螺纹母接头适配连接。
10.为了防止空气放大器和配套水辫间因气密性不严而产生的漏气影响，本发明采用直螺纹母接头配合密封垫片、直螺丝与空气放大器相连接。
11.一种低负压引射深孔连续取样方法，包括以下步骤：
12.s1、正常钻进过程：
13.开启手动阀门ⅰ，关闭手动阀门ⅱ，供气供水泵提供正压风流和高压水流，正压风流和高压水流经气水管路和钻杆流至取样钻头，在正压的作用下，单向正压阀门打开，正压风流和高压水流经钻头外壁的排风斜孔排出；
14.s2、取样步骤：
15.①
当取样钻头钻进至取样点a时，关闭手动阀门ⅰ，开启手动阀门ⅱ，供气供水泵提供压缩风流，压缩风流经供气管路流至空气放大器内部形成负压风流，负压风流经钻杆流至取样钻头，在负压的作用下，单向负压阀门打开，煤样经取样孔吸入，由排气排渣口排出，经na时间取样结束后，开启手动阀门ⅰ，关闭手动阀门ⅱ，供气供水泵切换正压风流和高压水流，标记取样品为a；
16.②
当取样钻头钻进至取样点b时，关闭手动阀门ⅰ，开启手动阀门ⅱ，供气供水泵提供压缩风流，按照步骤
①
的操作过程开始取样，经nb时间取样结束后，开启手动阀门ⅰ，关闭手动阀门ⅱ，供气供水泵切换正压风流和高压水流，标记取样品为b；
17.③
重复上述步骤
①
和
②
，直至每个取样点均取样完成，深度取样结束；
18.s3、取样结束：
19.关闭手动阀门ⅰ、手动阀门ⅱ、供气供水泵以及钻机，停止钻进，停止取样。
20.取样时供气供水泵提供的压缩风量q
缩
与排气排渣口截面和取样孔截面压力差的关系为：
21.排气排渣口的排气风量q
出
满足公式(1)：
22.q
出
＝nq
缩
23.q
进
＝(n-1)q
缩
ꢀꢀ
(1)
24.式中：q
进
为空气放大器进气口的进气风量，m3/min；
25.注：公式(1)是根据科恩达效应原理，n值根据井下现场实验进行确定；
26.排气排渣口截面的风速v
出
满足公式(2)：
[0027][0028]
式中：t为风流流经排气排渣口截面的时间，s；
[0029]r出
为排气排渣口截面的半径，m；
[0030]
通过取样孔的风量q
取
满足公式(3)
[0031]q取
＝k(n-1)q
缩
ꢀꢀ
(3)
[0032]
式中：k为风量损失系数；
[0033]
注：考虑到风流由取样孔流至空气放大器进气口会因钻杆漏风等原因造成风量流动损失，引入风量损失系数k进行修正；
[0034]
取样孔截面的气体流速v
取
满足公式(4)：
[0035][0036]
式中：r
取
为取样孔截面半径，m；
[0037]
取样孔截面的风压p
取
满足公式(5)：
[0038][0039]
式中：ρ为井下空气密度，kg/m3；
[0040]
δh为取样孔截面至排气排渣口截面的垂直距离，m；
[0041]
l为取样孔截面至排气排渣口截面的长度，m；
[0042]
g取9.8m/s2；
[0043]
排气排渣口截面的风压p
出
满足公式(6)：
[0044]
p
出
＝0.5ρv
出2
ꢀꢀ
(6)
[0045]
注：v
出
值根据井下现场实测进行确定，m/s；
[0046]
考虑到风流在钻杆内流通时，受钻杆内壁粗糙程度的影响，存在沿程阻力hf，单位为pa，受钻杆弯曲的影响，存在局部阻力h
l
，单位为pa；空气放大器吸气口产生变径影响，存在局部阻力h
l
′
，单位为pa；取样孔截面至排气排渣口截面的风流压力差δp满足公式(7)：
[0047][0048]
注：钻杆内部通道截面直径相等，不考虑因变径产生的局部阻力。
[0049]
与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：
[0050]
1、本发明系统在取样钻头内部设置了排气孔和取样孔，在排气孔内设置有单向正压阀门，保证正压气流、水流通过；在取样孔内设置有单向负压阀门，保证负压气流通过；单向正压阀门和单向正压阀门的设置，使取样和排气独立配合，排气孔小，流量大，适合孔外排渣；取样孔大，流速小，能够吸入大块煤渣颗粒，同时降低孔内负压，减少瓦斯负压解吸
10，供气管路4.2上设置有手动阀门ⅱ11，气水管路3.1与供气管路4.2通过主气水管路相连通；
[0063]
空气放大器4内部为中空结构，且通过进气口4.4与配套水辫3内部的中空结构同轴贯通，空气放大器4侧壁设置有压缩空气进气嘴4.1，压缩空气进气嘴4.1的进气端与供气管路4.2连通，供气管路4.2与供气供水泵12相连通，压缩空气进气嘴4.1的出气端与空气放大器4相连通；所述空气放大器4尾端设置有排气排渣口4.3，煤样经排气排渣口4.3排出。
[0064]
进气口4.4和排气排渣口4.3的截面直径能够根据取样深度进行调节。
[0065]
钻杆2设置为至少一个，在钻杆2的前端设置锥形螺纹公接头2.1，并通过锥形螺纹公接头2.1与取样钻头1尾端相连接；在钻杆2的尾端设置锥形螺纹母接头2.2，并通过锥形螺纹母接头2.2与配套水辫3相连接，相邻钻杆2之间通过锥形螺纹公接头2.1、锥形螺纹母接头2.2适配连接。
[0066]
直螺纹母接头3.2配合密封垫片4.5、直螺丝4.6与空气放大器4相连接。
[0067]
一种低负压引射深孔连续取样方法，包括以下步骤：
[0068]
s1、正常钻进过程：
[0069]
开启手动阀门ⅰ10，关闭手动阀门ⅱ11，供气供水泵12提供正压风流和高压水流，正压风流和高压水流经气水管路3.1和钻杆2流至取样钻头1，在正压的作用下，单向正压阀门9打开，正压风流和高压水流经钻头1外壁的排风斜孔6.1排出；
[0070]
s2、取样步骤：
[0071]
①
当取样钻头1钻进至取样点a时，关闭手动阀门ⅰ10，开启手动阀门ⅱ11，供气供水泵12提供压缩风流，压缩风流经供气管路4.2流至空气放大器4内部形成负压风流，负压风流经钻杆2流至取样钻头1，在负压的作用下，单向负压阀门8打开，煤样经取样孔5吸入，由排气排渣口4.3排出，经na时间取样结束后，开启手动阀门ⅰ10，关闭手动阀门ⅱ11，供气供水泵12切换正压风流和高压水流，标记取样品为a；
[0072]
②
当取样钻头1钻进至取样点b时，关闭手动阀门ⅰ10，开启手动阀门ⅱ11，供气供水泵12提供压缩风流，按照步骤
①
的操作过程开始取样，经nb时间取样结束后，开启手动阀门ⅰ10，关闭手动阀门ⅱ11，供气供水泵12切换正压风流和高压水流，标记取样品为b；
[0073]
③
重复上述步骤
①
和
②
，直至每个取样点均取样完成，深度取样结束；
[0074]
s3、取样结束：
[0075]
关闭手动阀门ⅰ10、手动阀门ⅱ11、供气供水泵12以及钻机，停止钻进，停止取样。
[0076]
本发明取样时供气供水泵12提供的压缩风量q
缩
与排气排渣口4.3截面和取样孔5截面压力差的关系为：
[0077]
排气排渣口4.3的排气风量q
出
满足公式(1)：
[0078]q出
＝nq
缩
[0079]q进
＝(n-1)q
缩
ꢀꢀ
(1)
[0080]
式中：q
进
为空气放大器进气口的进气风量，m3/min；
[0081]
注：公式(1)是根据科恩达效应原理，n值根据井下现场实验进行确定；
[0082]
排气排渣口4.3截面的风速v
出
满足公式(2)：
[0083]
[0084]
式中：t为风流流经排气排渣口截面的时间，s；
[0085]r出
为排气排渣口截面的半径，m；
[0086]
通过取样孔5的风量q
取
满足公式(3)
[0087]q取
＝k(n-1)q
缩
ꢀꢀ
(3)
[0088]
式中：k为风量损失系数；
[0089]
注：考虑到风流由取样孔5流至空气放大器进气口4.4会因钻杆漏风等原因造成风量流动损失，引入风量损失系数k进行修正；
[0090]
取样孔5截面的气体流速v
取
满足公式(4)：
[0091][0092]
式中：r
取
为取样孔截面半径，m；
[0093]
取样孔5截面的风压p
取
满足公式(5)：
[0094][0095]
式中：ρ为井下空气密度，kg/m3；
[0096]
δh为取样孔截面至排气排渣口截面的垂直距离，m；
[0097]
l为取样孔截面至排气排渣口截面的长度，m；
[0098]
g取9.8m/s2；
[0099]
排气排渣4.3截面的风压p
出
满足公式(6)：
[0100]
p
出
＝0.5ρv
出2
ꢀꢀ
(6)
[0101]
注：v
出
值根据井下现场实测进行确定；
[0102]
考虑到风流在钻杆内流通时，受钻杆内壁粗糙程度的影响，存在沿程阻力hf，单位为pa，受钻杆弯曲的影响，存在局部阻力h
l
，单位为pa；空气放大器吸气口产生变径影响，
[0103]
′
[0104]
存在局部阻力h
l
，单位为pa；取样孔5截面至排气排渣口4.3截面的风流压力差δp满足公式(7)：
[0105][0106]
注：钻杆内部通道截面直径相等，不考虑因变径产生的局部阻力。
[0107]
实施例
[0108]
①
当取样钻头1钻进至取样点a时，关闭手动阀门ⅰ10，开启手动阀门ⅱ11，供气供水泵12提供压缩风流，压缩风流经供气管路4.2到压缩进气嘴4.1后流至空气放大器4内部形成负压风流，压缩风量q
缩
为100l/min，空气放大器4的排气排渣口4.3直径d
出
为0.1m，空气放大器的进气口4.4直径d
进
为0.15m，经井下现场试验测得q
出
为q
缩
的20倍为2
×
104l/min，n值等于10，排气排渣口4.3的气流流速v
出
为4.24
×
103m/s；
[0109]
②
在空气放大器4的作用下，钻杆2内形成负压环境，负压风流流至取样钻头1的取样孔5内，在负压风流的作用下，单向负压阀门8开启，经计算此时取样孔5截面的风量q
取
为
1.52
×
104l/min，风量损失系数k值取0.8，取样孔5截面的气流流速3.22
×
103m/s，取样孔截面直径d
取
为0.15m；
[0110]
③
经计算钻杆2内形成负压差δp约为5mpa，钻孔深度约50m，钻进点至取样点高差δh约为5m，煤样经取样孔5进入钻杆2，由排气排渣口4.3排出，经2min完成a点取样，取样质量约45kg，开启手动阀门ⅰ10，关闭手动阀门ⅱ11，钻机继续向b点钻进取样；
[0111]
④
经ns时间后取样结束，关闭手动阀门ⅰ10，关闭手动阀门ⅱ11，关闭供气供水泵12，退回钻杆2，关闭钻机7，停止钻进，停止取样。