技术领域
本发明涉及瓦斯含量测试技术领域，具体而言，涉及一种井下定向长钻孔密闭取芯方法。
背景技术
煤层瓦斯含量是进行突出危险性预测、抽采设计、瓦斯治理效果评判等的重要基础参数。多年来，煤矿井下和地面瓦斯(煤层气)含量均采用解吸法进行测定，其测定的气含量包括损失气、解吸气和残余气三部分。由于取芯装备未完全密闭，有大量的气体逸散，业界普遍认为采用目前的测试方法测试得到的煤层瓦斯(煤层气)含量结果偏低。因此设计了一种井下定向长钻孔密闭取芯方法。
发明内容
为了弥补以上不足，本发明提供了一种井下定向长钻孔密闭取芯方法，旨在改善上述背景技术中的问题。
本发明实施例提供了一种井下定向长钻孔密闭取芯方法，包括以下步骤：
S1.设置取样点：在煤层中，确定若干煤样取样点；
S2.煤层钻孔：通过钻孔设备对煤样取样点进行施工长钻孔，在施工长钻孔过程中，进行排渣处理，直到长钻孔完成；
S3.安装密闭取芯装置：在长钻孔施工到目标煤层后，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；
S4.取芯：利用所述密闭取芯装置进行取芯操作，据以获取测定煤样，采集并保存在所述密闭取芯装置内；
S5.煤层气含量测试：通过损失气估算方法对煤层气含量进行测试，提高煤层气含量测试结果的准确性。
在上述实现过程中，能够在取样过程中，避免水、压风及钻具研磨等对瓦斯解吸的影响，尽可能的保持煤样的原始状态，减少瓦斯解吸造成的含量损失，另外，密闭取芯装置可以缩短煤心的暴露时间，减少了取芯过程中的瓦斯逸散损失，简化瓦斯含量测试过程，提高测试精度。
在一种具体的实施方案中，所述煤样取样点包括从钻场起，数量为5个的取样点，所述煤样取样点中第一个取样点至钻场的水平距离为100m，第二个取样点至钻场的水平距离为150m，第三个取样点至钻场的水平距离为200m，第四个取样点至钻场的水平距离为250m，第五个取样点至钻场的水平距离为300m。
在一种具体的实施方案中，所述钻孔设备包括钻机、钻杆、钻头、封孔管、空压机、储气罐和孔口出渣机构，所述孔口出渣机构包括粉尘分离器、喷雾器和筒式除尘器。
在一种具体的实施方案中，所述排渣处理包括以下步骤：钻孔过程中，空压机工作产生的压缩空气通过储气罐后送入喷雾器，从喷雾器上部另外接入供水管路，进入喷雾器的水被压缩空气雾化后经过钻杆进入孔底，携带煤渣的空气通过孔壁与钻杆间的环空到达孔口，携带煤渣的空气中粒径大的颗粒在孔口处直接掉落，细小的粉尘通过筒式除尘器吸附除尘。
在一种具体的实施方案中，所述施工长钻孔中产生的钻屑颗粒的沉降速度包括以下公式：
式中ut-钻屑颗粒的沉降速度，单位m/s，g-重力加速度，单位m/s；ρs-钻屑的密度，单位kg/m；ρa-空气的密度，单位kg/m；ds-钻屑的平均粒径，单位m；
排出钻屑颗粒的最小风流速度包括以下公式为：
式中ua-排出钻屑颗粒的最小风流速度，单位m/s；ζ-钻屑与孔壁间的磨擦系数，取l；θ-钻孔倾角。
在一种具体的实施方案中，所述密闭取芯装置包括止回阀、回转給进油缸、驱动回转机构、取样筒和取样钻头。
在一种具体的实施方案中，所述S5中损失气估算方法的具体步骤包括：
S501.根据取芯煤样的实际轮廓形态构建煤样网格模型；
S502.采用贝叶斯自适应网格搜索算法，反复调整含气量数值，通过求解煤层气水两相耦合流动模型，模拟计算解吸气量；
S503.将模拟计算值与实测值进行对比，模拟计算值与实测值误差最小对应的含气量数值减去煤样在解吸罐中的累积自然解吸气量即为损失气量。
在一种具体的实施方案中，所述S501中构建煤样网格模型具体包括：
S5011.当取芯样品相对完整时，采用圆柱体模型近似表征样品轮廓；当取芯煤样碎裂严重、无规则形态时，采用球体模型近似表征样品轮廓，采用正交网格或三角网格对模型进行剖分；
S5012.初始化煤样属性参数，包括含水饱和度、压力、孔隙度、渗透率、吸附曲线、扩散系数、相对渗透率曲线、含气量；
S5013.将煤样外边界网格中设置模拟井，通过控制井底压力以模拟煤样泄压/排气过程，将模拟井产出气量等效为煤样的解吸气量。
在一种具体的实施方案中，所述S5之后还包括密闭取芯测试结果可靠性验证，所述验证具体为：在取样点下方岩巷中，分别施工短钻孔，利用短钻孔在对应的取样点进行取样，分别对各煤样进行瓦斯含量测定，如果长钻孔所取煤样的瓦斯含量不低于短钻孔所取煤样的瓦斯含量，则证明密闭取芯测试结果可靠。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过研发一种井下定向长钻孔密闭取芯技术，能够在取样过程中，避免水、压风及钻具研磨等对瓦斯解吸的影响，尽可能的保持煤样的原始状态，减少瓦斯解吸造成的含量损失，另外，密闭取芯装置可以缩短煤心的暴露时间，减少了取芯过程中的瓦斯逸散损失，简化瓦斯含量测试过程，提高测试精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施方式提供的井下定向长钻孔密闭取芯方法的流程图；
图2为本发明实施方式提供的密闭取芯装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种井下定向长钻孔密闭取芯方法，包括以下步骤：
S1.设置取样点：在煤层中，确定若干煤样取样点；
S2.煤层钻孔：通过钻孔设备对煤样取样点进行施工长钻孔，在施工长钻孔过程中，进行排渣处理，直到长钻孔完成；
S3.安装密闭取芯装置：在长钻孔施工到目标煤层后，退钻安装密闭取芯装置送入孔底；
S4.取芯：利用所述密闭取芯装置进行取芯操作，据以获取测定煤样，采集并保存在所述密闭取芯装置内；
S5.煤层气含量测试：通过损失气估算方法对煤层气含量进行测试，提高煤层气含量测试结果的准确性。
具体的，所述煤样取样点包括从钻场起，数量为5个的取样点，所述煤样取样点中第一个取样点至钻场的水平距离为100m，第二个取样点至钻场的水平距离为150m，第三个取样点至钻场的水平距离为200m，第四个取样点至钻场的水平距离为250m，第五个取样点至钻场的水平距离为300m。
在具体设置时，所述钻孔设备包括钻机、钻杆、钻头、封孔管、空压机、储气罐和孔口出渣机构，所述孔口出渣机构包括粉尘分离器、喷雾器和筒式除尘器。
需要说明的是，所述排渣处理包括以下步骤：钻孔过程中，空压机工作产生的压缩空气通过储气罐后送入喷雾器，从喷雾器上部另外接入供水管路，进入喷雾器的水被压缩空气雾化后经过钻杆进入孔底，携带煤渣的空气通过孔壁与钻杆间的环空到达孔口，携带煤渣的空气中粒径大的颗粒在孔口处直接掉落，细小的粉尘通过筒式除尘器吸附除尘。
在一些具体的实施方案中，所述施工长钻孔中产生的钻屑颗粒的沉降速度包括以下公式：
式中ut-钻屑颗粒的沉降速度，单位m/s，g-重力加速度，单位m/s；ρs-钻屑的密度，单位kg/m；ρa-空气的密度，单位kg/m；ds-钻屑的平均粒径，单位m；
排出钻屑颗粒的最小风流速度包括以下公式为：
式中ua-排出钻屑颗粒的最小风流速度，单位m/s；ζ-钻屑与孔壁间的磨擦系数，取l；θ-钻孔倾角。
在其他一些实施方案中，所述密闭取芯装置包括止回阀、回转給进油缸、驱动回转机构、取样筒和取样钻头。
在本发明中，所述S5中损失气估算方法的具体步骤包括：
S501.根据取芯煤样的实际轮廓形态构建煤样网格模型；
S502.采用贝叶斯自适应网格搜索算法，反复调整含气量数值，通过求解煤层气水两相耦合流动模型，模拟计算解吸气量；
S503.将模拟计算值与实测值进行对比，模拟计算值与实测值误差最小对应的含气量数值减去煤样在解吸罐中的累积自然解吸气量即为损失气量。
可以理解，在其他实施例中，所述S501中构建煤样网格模型具体包括：
S5011.当取芯样品相对完整时，采用圆柱体模型近似表征样品轮廓；当取芯煤样碎裂严重、无规则形态时，采用球体模型近似表征样品轮廓，采用正交网格或三角网格对模型进行剖分；
S5012.初始化煤样属性参数，包括含水饱和度、压力、孔隙度、渗透率、吸附曲线、扩散系数、相对渗透率曲线、含气量；
S5013.将煤样外边界网格中设置模拟井，通过控制井底压力以模拟煤样泄压/排气过程，将模拟井产出气量等效为煤样的解吸气量。
在本实施例中，所述S5之后还包括密闭取芯测试结果可靠性验证，所述验证具体为：在取样点下方岩巷中，分别施工短钻孔，利用短钻孔在对应的取样点进行取样，分别对各煤样进行瓦斯含量测定，如果长钻孔所取煤样的瓦斯含量不低于短钻孔所取煤样的瓦斯含量，则证明密闭取芯测试结果可靠。
该井下定向长钻孔密闭取芯方法的工作原理：
本发明通过研发一种井下定向长钻孔密闭取芯技术，能够在取样过程中，避免水、压风及钻具研磨等对瓦斯解吸的影响，尽可能的保持煤样的原始状态，减少瓦斯解吸造成的含量损失，另外，密闭取芯装置可以缩短煤心的暴露时间，减少了取芯过程中的瓦斯逸散损失，简化瓦斯含量测试过程，提高测试精度。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。