煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型.pdf

煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型郭达1,2，张益玮1,3，王鼎铭1,3，方欣1,3，杨本高1,3，郭利花4，侯乐乐4，赵祥4(1.四川大学 深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065；3.四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；4.金石钻探股份有限公司，河北 唐山 063004)摘要: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。关键词：煤层气；保压取心；保压控制器；钻井液；地面井中图分类号：TU45；TD713 文献标志码：A 文章编号：1001-1986(2023)08-0098-09Closuretrajectorymodelofpressure-preservedcontrollerforcoringincoalseamsurfacewellGUO Da1,2,ZHANG Yiwei1,3,WANG Dingming1,3,FANG Xin1,3,YANG Bengao1,3,GUO Lihua4,HOU Lele4,ZHAO Xiang4(1.State Key Laboratory of Intelligent Construction and Healthy Operation and Maintenance of Deep Underground Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;2.School of Mechanical Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China;3.College of Water Resource and Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China;4.Jinshi Drilltech Co.Ltd.,Tangshan 063004,China)Abstract:The traditional method of coal exploration is to obtain coal samples using an open coring tool and estimate thegas loss through theoretical calculations.However,the measured gas content of these coal samples is generally low,sig-nificantly impeding the development and utilization of coalbed methane and compromising the safety of coal mining op-erations.To meet the demands of deep coal exploration,an innovative pressure-preserved coring tool was specificallydesigned for the coal seam surface wells.This tool has a total length of 6.7 m and can extract a 3 m long pressure-pre-served coal core sample at a single time.In order to enhance the reliability and success rate of pressure-preserved coringin deep coal seam,a closure trajectory model was constructed for the pressure-preserving controller operating in a down-hole fluid environment.Meanwhile,the variation curve of the elastic torque for the triggered shrapnel of the pressure-preserved controller was obtained through experiments and theoretical derivation.To validate the accuracy of the clos-收稿日期:2023-06-14；修回日期:2023-07-16基金项目:国家重大科研仪器研制项目(51827901)；四川省科技计划项目(2023NSFSC0004)第一作者:郭达，1997 年生，男，湖北洪湖人，博士，研究方向为深部原位保真取心.E-mail：通信作者:杨本高，1997 年生，男，安徽马鞍山人，博士，助理研究员，研究方向为岩土工程.E-mail： 第 51 卷 第 8 期煤田地质与勘探Vol.51 No.82023 年 8 月COAL GEOLOGY&EXPLORATIONAug.2023郭达，张益玮，王鼎铭，等.煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型J.煤田地质与勘探，2023，51(8)：98106.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0340GUO Da，ZHANG Yiwei，WANG Dingming，et al.Closure trajectory model of pressure-preserved controller for coring incoal seam surface wellJ.Coal Geology&Exploration，2023，51(8)：98106.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.06.0340ure trajectory model and gain insights into the flipping and closing process of the pressure-preserved control valve coverin a drilling fluid environment,laboratory experiments were conducted to trigger the closure of the pressure-preservedcontroller.The results indicate that the measured moving trajectory of valve bonnet in the experiments has a deviationless than 5%from the theoretical calculations,verifying the accuracy of the model.On this basis,the trigger system ofpressure-preserving controller within the pressure-preserved coring tool was optimized.Besides,eight bottom-pull trig-gering experiments were conducted in a test well with a deep of 30 m in the bentonite-based mud environment at a dens-ity of 1.1 g/cm and viscosity of 60 s.In all the experiments,the pressure-preserved controller can be closed stably with a100%success rate,and ensure no leakage for at least 350-min continuous operation at 14 MPa,thereby verifying the re-liability of the trigger system of pressure-preserved controller.The model presented in this paper can accuratelypredict the closure trajectory of the pressure-preserved controller in the downhole,enabling the design of customizedtriggering systems for different drilling mud systems to enhance the success rate of pressure-preserved coring in deepcoal seam.Keywords:coalbed methane;pressure-preserved coring;pressure-preserved controller;drilling fluid;surface well 煤层气，俗称瓦斯，属于一种煤层自生自储的非常规天然气，主要成分为甲烷1。按照其赋存状态，煤层气主要包括吸附在煤基质颗粒表面的吸附气、游离于煤孔隙中的游离气以及煤层水中的溶解气。按照测定方法，煤层气又可以分为损失气、解吸气和残余气2-6。其中，解吸气和残余气含量可以通过煤样的解吸试验测定，而在孔底提升和地面暴露过程中逸散的损失气则无法直接测定，往往只能通过理论进行大致估算，例如行业内普遍应用的美国矿业局(USBM)直接法7-9。然而，据生产实践验证，理论估算的损失气含量往往远低于实际值，造成煤层气储量评估与实际情况存在较大偏差，严重影响煤层气开发策略制定和煤矿安全5,10。精准测定煤层瓦斯含量的重要前提之一即为尽可能减少气体在取心过程的逸散。保压取心技术通过在孔底形成的封闭腔体，可将岩心维持在原位压力并回收至地表，因此，极大减少了由于提心和地面装样过程中压力变化引起的岩心内部流体逸散11-14。由其原理可见，此技术可以减少甚至避免煤样内气体逸散，提高煤层气(瓦斯)含量评估的准确性15。从 20 世纪70 年代开始，国内外学者对保压取心技术进行了大量的研究工作。针对海上可燃冰勘探，国际深海钻探计划(Deep Sea Drilling Project，DSDP)研发了保压取心工具 PCB(Pressure Core Barrel)，此工具基于绳索取心工艺，最大保压能力约 35 MPa16。国际大洋钻探计划(Ocean Drilling Program，ODP)研发的保压取心器(Pressure Core Sampler，PCS)，最高设计密封压力达到 70 MPa17-18。欧盟设计了冲击式采样器 FPC(Fu-gro Pressure Corer)和孔底动力旋转式采样器 HRC(HY-ACE Rotary Corer)，最大保压能力小于 25 MPa19-20。此外，日本研制的 PTCS(Pressure Temperature CoreSampler)21-22，国内浙江大学研发的重力活塞式可燃冰保真取心器(the pressure tight piston corer，PTPC)等也是极具代表性的保压取心工具23-24。针对深部煤层勘探需求，中国石油长城钻探工程有限公司研制了GW-CP194-80M 型煤层气双保压取心工具，额定保压能力为 15 MPa25。中国石油大学设计了一款深层、超深层煤层气保压取心工具，设计保压能力 30 MPa，单次可取 4.5 m 岩心26。四川大学、深圳大学谢和平院士团队研制了一款保压保瓦斯取心工具，并进行了现场应用，连续 3 次取得了保压样品15。综上可知，现阶段对于保压取心而言，学界和工程界已取得了一些有价值的研究成果，但是目前保压取心技术仍然存在保压稳定性差、成功率低的问题。PCS项目报告显示：密封面碎屑、保压阀门腐蚀导致的球阀闭合失败、密封失效等多种问题一直困扰着水合物保压取心成功率。ODP 项目的技术报告Design andoperation of a wireline pressure core sampler(PCS)明确指出，最重要也是最基础的难题是在获取岩心后如何安全地关闭阀门(close the door)17。PCS 等取心器常用的球阀占用空间大，关闭时极易卡死，且受其结构特点约束，保压能力有限；而翻板阀可以实现自紧式密封，稳定性高。在翻板阀的基础上，谢和平院士团队基于牟和方盖原理，创新设计了一款全新的保压控制器，其耐压能力已可达到100 MPa27。然而，对于保压控制器的研究，主要集中在其耐压或密封性能，对其触发闭合问题关注较少，导致实际作业时仍然存在不能稳定闭合的情况，保压取心成功率仍有待提高27-29。为此，笔者针对深部煤层地面井保压取心的应用需求，围绕保压取心控制器的触发闭合问题，构建孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型，通过室内实验验证模型的准确性。进一步设计煤矿地面井保压取心装置，并进行了数次孔底抽拉触发实验，以验证保压控制器的触发闭合效果，为保压取心提供硬件支撑。研究成果有望助力深部煤炭资源安全高效开采。第 8 期郭达等：煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型 99 1煤层地面井保压取心器设计针对煤层地面井保压取心需求，自主设计了一款保压取心器。取心器的结构如图 1 所示。取心器总长(6.70.1)m，其中差动机构长 1.6 m，原位岩心保真舱总长 4.3 m，其内部主要由岩心筒、弹簧套筒、保压控制器等组件组成，设计单次可取 3 m 煤心样品。差动机构原位岩心保真舱防转总成扶正器钻头6.7 m4.3 m1.6 m取心器下放及钻进取心状态保压控制器弹簧套筒岩心筒取心结束后状态煤心样品保压控制器关闭图 1 煤层地面井保压取心器Fig.1 Coal seam pressure-preserved coring tool 保压取心时，首先将取心工具顶部连接钻杆下放到孔底，并进行钻进取心。当煤心完全进入原位保真舱内部岩心筒后投球；当泥浆泵压力上升 25 MPa 后，差动机构启动，提升取心器原位岩心保真舱内部岩心筒，此时弹簧套筒上移解除保压控制器限制，保压控制器关闭实现孔底压力的维持。在保压取心作业结束后，通过提钻的方式将取心工具回收至地面。取心工具回收至地面后，首先拆卸外管总成，将原位岩心保真舱通过卸压集气开关连接至气体收集计量装置，收集煤层游离气体，降低原位岩心保真舱内部压力，如图 2 所示。待游离气体收集完成后，使用液氮对岩心筒进行冷冻处理。最后，将煤样切割并装罐，进行后续吸附气体测定，最终获得精准的含气量数据。原位岩心保真舱卸压开关图 2 卸压集气开关Fig.2 The switch used for pressure relief and gas collector 煤层地面井保压取心器保压的关键在于保压控制器的触发闭合，保压控制器触发系统工作原理如图 3所示。钻进取心结束后，利用差动机构所产生的拉力抽拉提升岩心筒及弹簧套筒，此时弹簧受到压缩。待弹簧套筒越过保压控制器后，控制器限制解除，受到保压控制器阀盖背部弹片及自身重力作用开始翻转闭合。弹簧套筒上提到一定位置后，不再继续向上运动，转而在压缩弹簧的弹力作用下向下回弹，最终精准压在已经闭合的保压控制器上，以提供初始的密封比压。由此可见，煤层地面井保压取心的成功依赖保压控制器触发系统中控制器闭合与弹簧套筒回弹过程的协调配合。若弹簧套筒回弹过快，如图 4 所示，会导致控制器 保压控制器弹簧套筒回弹提供初始密封比压抽拉弹簧弹片图 3 保压控制器触发系统工作原理Fig.3 Working principle of the pressure-preservedcontroller trigger system 弹簧套筒弹簧套筒保压控制器保压控制器阀盖图 4 保压控制器阀盖运动干涉Fig.4 Motion interference of the valve cover of thepressure-preserved controller 100 煤田地质与勘探第 51 卷运动干涉，而通过设置较小弹性系数的弹簧减小弹簧套筒的回弹速度则有可能导致无法形成足够的初始密封比压。然而，由于井下环境复杂，保压控制器阀盖在井下钻井液环境的运动过程无法直接观测，且可能与地面理想大气环境下存在较大差别，无法有针对性地配套设计保压控制器触发系统。为提高保压取心成功率，必须深入分析其触发闭合过程，建立闭合轨迹模型。2保压控制器闭合轨迹模型井下真实钻井液环境与理想空气环境存在较大差别，保压控制器在井下环境触发运动时，需克服浮力以及极大的液体阻力。保压控制器在触发过程中控制器与弹簧套筒的干涉现象时有发生，极大降低了深部煤炭保压取心成功率。为此，需建立保压控制器闭合轨迹预测模型，进而有针对性地设计保压控制器触发系统，提高深部煤矿地面井保压取心成功率。2.1数学模型图 5 为真实钻井液环境下，保压控制器旋转闭合过程，在弹簧套筒限制解除后，保压控制器阀盖在弹簧弹力和重力的驱动下旋转闭合。在此期间，保压控制器阀盖受到的浮力与重力的合力为：FB=m(vf)gV(1)式中：FB为保压控制器阀盖所受浮力与重力的合力，N；m 为保压控制器阀盖的质量，kg；v和 f 分别为阀盖密度以及钻井液的密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；V 为阀盖的体积，m3。阀座阀盖水平轴竖直轴转矩 MFBFR图 5 钻井液环境保压控制器旋转闭合过程Fig.5 The rotation closure process of the pressure-preservedcontroller in the drilling fluid 阀盖在钻井液环境下运动时，其所受流体阻力30满足：FR=c1sq+c2fsv22(2)式中：FR为阀盖运动过程中所受流体阻力，N；c1为压差阻力系数；c2为黏性阻力系数，c1、c2均为无量纲数；s 为保压控制器阀盖的投影面积，m2；v 为阀盖在钻井液环境下的运动线速度，m/s；q 为阀盖所受钻井液动压力，kg/(ms2)。q 满足：q=fv22(3)阀盖旋转闭合过程中各位置角速度相等，将线速度换算为角速度，则：FR=c1fsr222+c2fsr222=c1+c22(fsr22)(4)式中：为阀盖运行角速度，rad/s；r 为阀盖的旋转轴长，m。令：c=r2c1+c22(5)则阀盖在运动过程中所受阻力公式可简化为：FR=cfs2(6)本文作者前期研究显示，阀盖闭合运动过程可分为弹力加速区和重力加速区，阀盖在运动角度小于/18 rad 时会持续受到阀盖背部弹片施加的弹力作用，而当在运动角度大于/18 rad 后，其完全在重力的作用下实现闭合31。即阀座运动到某一角度时所受转矩满足：M=Me+FBasinFRa(18)FBasinFRa(18)(7)式中：M 为阀盖所受到的总转矩，Nm；Me 为阀盖受到的弹力转矩，Nm；a 为阀盖的半长轴长，m；为阀盖运动角度，rad。将式(6)代入式(7)中，则有：M=Me+FBasincfs2a(18)FBasincfs2a(18)(8)将阀盖运行轨迹数值化为 n 步，由式(6)可以推导第 i 步时：FR(i)=c(i)fs2(i)(9)第 i+1 步时，阀盖运行角度、角速度以及角加速度30-31分别满足：(i+1)=(i)+(i)t(10)(i+1)=(i)+(i)t(11)(i+1)=M(i+1)I(12)t式中：I 为阀盖的转动惯量，kgm2；为每步时长，s。进一步，根据式(8)，第 i+1 步时阀盖运动转矩满足：M(i+1)=Me(i+1)+FBasin(i+1)aFR(i)2(18)FBasin(i+1)aFR(i)2(18)(13)第 8 期郭达等：煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型 101 根据式(10)式(13)，可以构建保压控制器阀盖闭合轨迹模型：(i+1)=(i)+(i1)t+Me(i)(t)2I+FBasin(i)(t)2IaFR(i1)(t)22(18)(i)+(i1)t+FBasin(i)(t)2IaFR(i1)(t)22(18)(14)2.2弹力转矩确定图 6a 为高速照相机记录的阀盖背部弹片释放过程，可以看出，当阀盖约束解除后，阀盖背部弹片迅速释放，驱动保压控制器阀盖闭合。为获取其弹力值的变化，如图 6b 所示，首先使用笔者团队自主搭建的保压控制器稳定性测试平台对其初始弹力进行测量，将保压控制器安装在测试平台上，打开阀盖，使其弹片面与压力传感器接触，利用弹簧套筒施加约束，之后释放弹簧套筒，记录压力传感器示数。总共进行 5 次测试，测得初始弹力值分别为 19.8、20.0、20.0、20.1、20.1 N。根据经典胡克定律32，弹片在释放过程中弹力与其变形量成正比，即有：Fe(15)弹片的弹力与其初始弹力满足如下关系式：FeiFe=li=lilil(16)如图 6c 所示，弹片最高点的垂足到保压控制器阀盖旋转中心的距离为 0.03 m，则弹片释放驱动阀盖旋转过程中弹力满足：弹片弹力变形量 满足:=lil=li0.03tanlill弹片变形水平轴Fe 为弹片释放的弹力大小，N；为弹片释放过程中的变形量，m；Fei 为弹片的初始弹力，N；li 为弹片完全松弛状态下最高点的垂高，m；l 为弹片变形过程中最高点的垂高，m阀盖竖直轴0.03 mMeFe 0.03tanliFe=Fei(1 )0.03tanliMe=0.03Fei(1 )=Fei li li lilFe(c)弹力力矩推导弹片(a)高速照相机捕捉的阀盖背部弹片的释放过程压力传感器压力传感器阀盖阀盖弹片(b)初始弹力的测量图 6 弹力力矩获取过程Fig.6 The process of obtaining the elastic moment 102 煤田地质与勘探第 51 卷Fe=Fei(10.03tanli)(17)弹片释放过程中，弹片施加在阀盖上的转矩满足：Me=0.03Fei(10.03tanli)(18)根据式(18)，结合保压控制器阀盖的几何尺寸特征，可确定在阀盖所受弹力力矩与旋转角度的关系，如图 7 所示，弹力转矩与阀盖角度呈线性递减关系，随着旋转角度增加，弹力转矩逐渐降低，直至完全消失。00.050.100.150.2000.10.20.30.40.50.60.7弹力转矩/(Nm)旋转角度/rad弹力驱动阀盖运动图 7 弹力转矩与阀盖旋转角度的关系曲线Fig.7 Relation curve between the elastic moment and the rotationangle of the valve cover 3阀盖翻转运动实验3.1实验方法为了解阀盖在钻井液环境下的翻转运动过程，验证前文所建立的保压控制器闭合轨迹模型的准确性，分别在理想空气环境和模拟井下流体环境下进行了阀盖翻转运动实验研究。实验过程如图 8 所示，将保压控制器安装在透明亚克力外管内，向外管内倒入制备的模拟钻井液，此后提拉弹簧套筒解除阀盖约束，阀盖在背部弹片弹力及重力的作用下实现闭合。此过程中，使用高速相机实时捕捉阀盖的运行轨迹。使用直线算法处理阀盖轨迹图片，并将其转化为阀盖翻转角度输出。3.2液体环境构建煤层保压取心与传统油气钻井取心不同，钻井液密度、黏度不高，甚至直接使用清水作为钻井液。为便于识别阀盖运动轨迹，有效反映井下真实状况，分别使用清水和质量分数为 36%甲酸钾溶液模拟深部煤层保压钻井环境。使用六速旋转黏度计测量获得实验所配置的甲酸钾溶液的流变曲线，如图 9 所示，可以看出，甲酸钾溶液为典型牛顿钻井液，其表观黏度为 1.7 mPas。此外，使用平衡密度计测得其密度为 1.186 g/cm3。02004006008001 0001 2000.20.40.60.81.01.21.436%甲酸钾溶液1.61.82.0=0.365+0.013 9剪切率/s1剪切应力/Pa图 9 36%甲酸钾溶液流变曲线Fig.9 Rheological curve of the 36%potassium formate solution 3.3实验结果为分析井下真实钻井液环境与理想大气环境下保压控制器阀盖的旋转触发运动过程的差异，首先分析理想大气环境下阀盖的运动轨迹，由图 10 可以看出，在理想大气环境，由于无液体阻力和浮力作用，阀盖角度呈指数型增长，可以在 0.17 s 内迅速闭合，不会产生干涉风险。图 11 为保压控制器阀盖在模拟钻井液环境下的运动轨迹。钻井液环境下，保压控制器阀盖的运动轨迹与理想大气环境存在较大差异。阀盖在清水中和36%甲酸钾溶液中的闭合时间分别是理想大气环境的 2.35 倍和 2.94 倍。由此可见，井下环境下保压控制器闭合较慢，需配套设计保压触发机构，降低弹簧套筒回弹速度，提高保压取心成功率。此外，使用第 2 章中所构建的理论模型对阀盖在模拟钻井液环境下的轨迹进行了计算，可以看出理论计算结果与实验拟合数据偏差率小于 5%，由此可以证明阀盖闭合运动模型的正确性。弹簧套筒保压控制器高速照相机阀盖模拟钻井液(a)翻转闭合实验过程(b)阀盖轨迹捕捉过程图 8 钻井液环境保压控制器阀盖翻转运动实验Fig.8 Closing experiment of the valve cover of the pressure-preserved controller in the drilling fluid environment第 8 期郭达等：煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型 103 通过构建保压控制器闭合轨迹模型、实验模拟钻井液环境下保压控制器运动轨迹，可以有针对性地优化保压控制器触发系统。如图 12 所示，分析了保压控制器阀盖翻转闭合过程中，有可能与弹簧套筒发生干涉的临界位置，由图中的几何关系可以计算，保压控制器阀盖在翻转角度为 01.186 rad 的位置，易受到弹簧回弹影响而导致闭合保压失败。当阀盖翻转角度超过 1.186 rad 后，即使受到回弹的弹簧套筒的冲击，也不会影响其最终的闭合。而在保压控制器触发闭合系统中，弹簧的作用主要是为保压控制器提供密封所需的初始密封比压，若选用弹力过大的弹簧，虽然可以提供充分的密封比压，但弹簧套筒会回弹过快，导致其与保压控制器发生干涉的风险增大，因此弹簧套筒的选用原则遵循：在满足能提供充分的初始密封比压的基础上，选用弹力尽可能小的弹簧，保证其在阀盖翻转角度为 01.186 rad 的区间内不发生干涉，进而增大保压取心的成功率。针对此原则，优化了保压控制器触发系统，并将优化后的触发系统集成至煤层地面井保压取心器内，进行性能测试。79 mm60 mm75 mm弹簧套筒保压控制器计算可得临界角度为1.186 rad图 12 保压控制器与弹簧套筒空间干涉临界位置Fig.12 The critical position where the pressure-preservedcontroller interferes with the spring barrel in space 4煤层地面井保压取心器井下动作测试由阀盖运动轨迹特点，优化了保压控制器触发系统，设计了适用于深部煤层的保压取心工具，在河北唐山一口试验井内进行了多次井下保压动作测试。首先，将保压取心工具连接钻杆，下放到深度为 30 m 的井下。其次，通入泥浆循环，使工具完全浸泡在密度 1.1 g/cm3,黏度 60 s 的膨润土基泥浆中。再次，通过液力差动机构抽拉弹簧套筒进而启动保压控制器翻转闭合。最后，提出保压取心工具，查看保压控制器阀盖是否闭合。总共进行 8 次井下保压取心测试，保压控制器阀盖均成功闭合，闭合成功率为 100%。闭合照片如图 13 所示。煤层地面井保压取心器提出井口后，立即连接高压泵进行加压，查看压力是否能维持，进而判断保压控制器是否在井下完成密封。加压测试如图 14 所示，保压取心器放入保护罩内，通过高压管线与高压泵连接，高压泵泵入压力，压力值达到设置压力后，停止压力泵 00.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.1800.20.40.60.81.01.21.41.61.8角度/rad理想大气环境时间/s图 10 理想大气环境下保压控制器阀盖运动轨迹Fig.10 Motion track of the valve cover of the pressure-preservedcontroller under the ideal atmospheric environment 00.10.2(a)清水环境(b)36%甲酸钾环境0.30.40.500.20.40.60.81.01.21.41.60.250.350.451.01.21.41.6照相机记录轨迹实验拟合轨迹理论计算轨迹00.10.20.30.40.50.600.20.40.60.81.01.21.41.60.350.450.551.01.11.21.31.41.5角度/rad角度/rad时间/s时间/s照相机记录轨迹 实验拟合轨迹 理论计算轨迹图 11 钻井液环境下保压控制器运动轨迹Fig.11 Motion track of the valve cover of the pressure-preservedcontroller in the drilling fluid environment 104 煤田地质与勘探第 51 卷入。定期读取并记录高压泵上压力表数据，判断保压取心器内是否存在泄漏。加压测试的结果如图 15 所示，5 min 内，保压取心器内部的压力被迅速加到 14 MPa，之后停止向取心器内部泵入压力。压力在 14 MPa 维持了超过 350 min无泄漏，之后打开高压泵卸压阀，结束加压试验。由此可以推断取心器内部保压控制器触发系统不仅完成了闭合，还形成了稳定的密封腔体，可以有效维持原位压力。05010015020025030035040002468101214压力/MPa14 MPa时间/min图 15 加压测试曲线Fig.15 Pressure test curve 5结论a.创新设计了一套深部煤层地面井保压取心器，工具总长 6.7 m，设计单次可取 3 m 岩心样品，采用提钻作业方式，极大增加了煤层气含量测试的准确性。b.构建了孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型，采用自主设计的保压控制器稳定性测试平台和理论推导的方式获取了控制器弹力转矩的变化曲线，结果显示，弹力转矩与阀盖角度呈线性递减关系。c.阀盖在水中和 36%甲酸钾溶液中的闭合时间分别是理想大气环境的 2.35 倍和 2.94 倍，实验测得阀盖运动轨迹与理论计算结果偏差率小于 5%，证明了阀盖闭合轨迹模型的准确性。d.根据阀盖闭合特性，优化了保压控制器触发系统，进行了 8 次井下抽拉动作测试，保压控制器均成功闭合，通过加压测试，保压取心器能维持压力在 14 MPa约 350 min 不泄漏。e.本文设计的深部煤层地面井保压取心器尚未在煤矿井下进行试验，团队将进一步攻关，进行实际煤层取心试验，进一步验证保压取心器的有效性。参考文献(References)张群，冯三利，杨锡禄.试论我国煤层气的基本储层特点及开发策略J.煤炭学报，2001，26(3)：230235.ZHANG Qun，FENG Sanli，YANG Xilu.Basic reservoir charac-teristics and development strategy of coalbed methane resourcein ChinaJ.Journal of China Coal Society，2001，26(3)：230235.1 张群，范章群.煤层气损失气含量模拟试验及结果分析J.煤炭学报，2009，34(12)：16491654.ZHANG Qun，FAN Zhangqun.Simulation experiment and resultanalysis on lost gas content of coalbed methaneJ.Journal ofChina Coal Society，2009，34(12)：16491654.2 范章群.煤层气解吸研究的现状及发展趋势J.中国煤层气，2008，5(4)：610.FAN Zhangqun.Current status and developing trend of CBM de-sorption studyJ.China Coalbed Methane，2008，5(4)：610.3 孙四清.煤层气含量地面井密闭取心与快速测定技术研究D.北京：煤炭科学研究总院，2018.SUN Siqing.Study on surface well sealed coring and fast meas-urement for coal seam gas contentD.Beijing：China Coal Re-search Institute，2018.4 孙四清，张群，龙威成，等.煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试技术及装置J.煤田地质与勘探，2019，47(4)：15.SUN Siqing，ZHANG Qun，LONG Weicheng，et al.Accuratetest technology and device for coal seam gas content in longboreholes in underground coal minesJ.Coal Geology&Explor-ation，2019，47(4)：15.5 周胜国.煤层含气量模拟试验方法及应用J.煤田地质与勘探，2002，30(5)：2528.ZHOU Shengguo.Coalbed gas content simulation test and ap-plicationJ.Coal Geology&Exploration，2002，30(5)：2528.6 郑凯歌，孙四清，龙威成，等.地面钻井煤层气含量样品原位密闭取心装置及工艺研究J.煤炭工程，2022，54(10)：141145.7 阀盖闭合阀盖闭合图 13 阀盖闭合照片Fig.13 Valve cover closed photos 保护罩保压取心器高压管线高压泵监控照相机电源保护罩高压泵(a)系统布置(b)加压测试照片保压取心器图 14 加压测试系统Fig.14 The pressure test system第 8 期郭达等：煤层地面井