本發(fā)明屬于煤層含氣性測氣技術領域，尤其涉及一種模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置與方法。

背景技術：

煤層含氣性對于評價煤層氣資源潛力及有利區(qū)優(yōu)先是至關重要的直接參數(shù)，但是目前低階煤含氣量的取樣測試技術不夠完備?，F(xiàn)有的評價煤層氣含氣量的方法是利用煤層氣等溫吸附解吸實驗裝置，此方法是將鉆井過程中返上來的煤芯進行等溫吸附解吸，通過解吸所得的甲烷含量來評估煤層氣儲層的含氣量。此方法在游離氣含量比較低的煤層如中高煤階煤層在一定程度上是有效的，但對于低階煤而言，雖然其整體含氣量低于中高階煤，單由于其游離氣含氣量普遍較高，在鉆頭鉆進過程中由于煤樣破碎所逸散的氣量相對較高，對于含氣性本來就較差的低階煤而言，該部分逸散氣量的準確測定顯得尤為重要。基于這種情況，若將鉆井過程中損失的氣量測出，再結合煤層氣等溫吸附解吸法，將更加準確的評價低煤階煤層儲層的含氣性。目前，尚未有類似的能夠測量在鉆井過程中由于煤體破碎而導致的氣體散失量的裝置。由于低階煤裂縫不發(fā)育但大孔發(fā)育，煤體本身的密閉程度較好，在鉆進過程中，只有煤體被破壞的部分的氣體散失，而其內部的氣體基本保存完好，為煤芯鉆取過程損失氣量模擬試驗方法提供了基礎條件。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術中的不足之處，提供一種模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置與方法，其是在認定致密低煤階煤樣最中心的部位氣體沒有逸出的情況下，對此類煤芯進行密封處理，再用實驗室中模擬地下的物理條件下，對煤芯進行再次鉆進，測出鉆進過程中由于低煤階煤樣破碎而損失的氣量。

為解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案：一種模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置，包括支腿，支腿上水平設置有臺板，臺板上固定設有取芯筒，取芯筒的中心線沿垂直方向設置，取芯筒內壁上固定設有低階煤樣柱定位結構和位于低階煤樣柱定位結構上方的低階煤樣柱限位頂壓結構，取芯筒頂部可拆卸連接有筒蓋，筒蓋上設有下端均與取芯筒內部連通的注水管、放空管和計量管，注水管上端連接有水箱，水箱底部與筒蓋頂部之間設有支桿，注水管上設有注水閥，放空管上設有放空球閥，計量管上端連接有真空儲氣球；臺板底部設有上端與取芯筒內部連通的排水管，排水管上設有排水閥；

臺板上固定設有兩個關于取芯筒中心線對稱的驅動電機，每個驅動電機的主軸均垂直向下穿過臺板并同軸向傳動連接有一根絲桿，每根絲桿上均螺紋連接有一個內螺紋套管，兩個內螺紋套管之間通過一塊安裝板連接，臺板下表面中部設置有密封導向套，臺板上開設有與密封導向套對應的通孔，安裝板的中部下表面固定設有一個取芯電機，取芯電機的主軸垂直向上穿過安裝板并同軸向傳動連接有鉆筒，鉆筒上端圓周邊沿開設有齒狀的金剛石鉆削刃，鉆筒自下而上依次穿過密封導向套和通孔伸入到取芯筒內，密封導向套內壁設有與鉆筒外壁密封配合的下密封圈；臺板下表面沿垂直方向固定設有兩根關于取芯筒中心線對稱的導桿，安裝板上連接有分別對應套設在一根導桿上的連桿；

臺板上設置有用于控制驅動電機和取芯電機啟閉及轉速的操控裝置。

取芯筒上端邊沿外圓周設有環(huán)形固定板，環(huán)形固定板通過緊固螺栓與筒蓋可拆卸連接，筒蓋下表面與環(huán)形固定板上表面之間上密封圈。

低階煤樣柱定位結構設置有兩層，每層的低階煤樣柱定位結構均包括四根沿取芯筒徑向設置的定位桿，四根定位桿沿取芯筒的中心線方向圓周陣列布置，每根定位桿的外端均固定設在取芯筒內壁上，每根定位桿內端均固定設有一塊弧形板，四塊弧形板的中心線與取芯筒的中心線重合。

低階煤樣柱限位頂壓結構包括限位環(huán)板和三塊固定板，限位環(huán)板的圓周外壁固定設有三塊連接板，三塊沿取芯筒中心線圓形陣列布置的固定板，固定板固定設在取芯筒內壁上，三塊連接板上分別對應與一塊固定板通過定位螺栓連接。

模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置的模擬試驗方法，包括以下步驟：

（1）先在實際工程地點制備低煤階煤樣柱，低煤階煤樣柱采用致密煤層氣層最中心的部位，在氣體沒有逸出的情況下，對低煤階煤樣柱進行密封處理，運送到實驗室內；

（2）將制備好的低階煤樣柱放入取芯筒中，采集的低階煤樣柱的外徑等于或稍小于弧形板的內徑，上下兩層共8塊弧形板的內弧面與低階煤樣柱外弧面貼合對低階煤樣柱進行徑向限位，然后將限位環(huán)板放置到低階煤樣柱上端，使用定位螺栓連接固定板和連接板，限位環(huán)板與低階煤樣柱壓接配合，對低階煤樣柱起軸向限位；

（3）打開放空閥及注水閥，關閉排水閥，水箱中的水在高度差作用下經(jīng)注水管流入到取芯筒體中，隨著取芯筒內水面的升高，空氣由放空管排出，下密封圈和上密封圈起到避免漏氣和漏水的作用，當取芯筒體中排完空氣充滿水后，關閉放空閥和注水閥；

（4）將真空儲氣球捏扁后與計量管通過橡皮筋進行連接，連接過程中保證無空氣進入真空儲氣球內；

（5）啟動取芯電機及兩個驅動電機，兩個驅動電機的轉速相同，驅動電機帶動絲桿轉動，由于連桿套設在導桿上限定內螺紋套管隨絲桿轉動，隨著絲桿的轉動，內螺紋套管沿絲桿向上運動，兩個內螺紋套管之間的安裝板帶動取芯電機實現(xiàn)向上軸向進給運動，取芯電機帶動鉆筒旋轉，鉆筒上端的金剛石鉆削刃切割低階煤樣柱進行取芯；

（6）鉆筒在旋轉切割低階煤樣柱的過程中，低階煤樣柱內部破碎煤體會釋放氣體，所釋放氣體由于壓差作用進入真空儲氣球內，從而實現(xiàn)在取芯過程中對低階煤樣柱所釋放的氣體進行收集；

（7）待真空儲氣球內收集氣體結束后，將真空儲氣球進氣口進行捆綁后從計量管取下并進行稱重，真空儲氣球收集氣體后稱重重量減去真空氣球自重就可得到采集到的所釋放氣體的重量；

（8）打開排水閥，取芯筒內的水通過排水管排出，然后將切割分離的煤芯取出。

采用上述技術方案，本發(fā)明能夠模擬在取低煤階煤芯過程中采集煤樣所釋放的氣量，本發(fā)明通過模擬實現(xiàn)取芯過程，同時采集計量在取芯過程中破碎煤芯時煤芯所釋放的氣量。本發(fā)明是在認定致密低煤階煤樣最中心的部位氣體沒有逸出的情況下，對此類低煤階煤芯進行密封處理，再用實驗室中模擬地下的物理條件下，對低煤階煤芯進行再次鉆進，測出鉆進過程中由于低煤階煤樣破碎而損失的氣量。本發(fā)明與傳統(tǒng)的含氣量評估方法的結合，將更加準確的解決低煤階煤芯含氣性的問題，更加有利于低煤階煤氣層的評價。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的外型立體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的內部結構示意圖；

圖3是圖2中鉆筒的立體結構示意圖；

圖4是本發(fā)明在取下筒蓋后在俯視狀態(tài)下的立體結構示意圖。

具體實施方式

如圖1-圖4所示，本發(fā)明的一種模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置，包括支腿1，支腿1上水平設置有臺板2，臺板2上固定設有取芯筒3，取芯筒3的中心線沿垂直方向設置，取芯筒3內壁上固定設有低階煤樣柱定位結構和位于低階煤樣柱定位結構上方的低階煤樣柱限位頂壓結構，取芯筒3頂部可拆卸連接有筒蓋4，筒蓋4上設有下端均與取芯筒3內部連通的注水管5、放空管6和計量管7，注水管5上端連接有水箱8，水箱8底部與筒蓋4頂部之間設有支桿9，注水管5上設有注水閥10，放空管6上設有放空球閥11，計量管7上端連接有真空儲氣球12；臺板2底部設有上端與取芯筒3內部連通的排水管13，排水管13上設有排水閥14。

臺板2上固定設有兩個關于取芯筒3中心線對稱的驅動電機15，每個驅動電機15的主軸均垂直向下穿過臺板2并同軸向傳動連接有一根絲桿16，每根絲桿16上均螺紋連接有一個內螺紋套管17，兩個內螺紋套管17之間通過一塊安裝板18連接，臺板2下表面中部設置有密封導向套19，臺板2上開設有與密封導向套19對應的通孔，安裝板18的中部下表面固定設有一個取芯電機20，取芯電機20的主軸垂直向上穿過安裝板18并同軸向傳動連接有鉆筒21，鉆筒21上端圓周邊沿開設有齒狀的金剛石鉆削刃22，鉆筒21自下而上依次穿過密封導向套19和通孔伸入到取芯筒3內，密封導向套19內壁設有與鉆筒21外壁密封配合的下密封圈23；臺板2下表面沿垂直方向固定設有兩根關于取芯筒3中心線對稱的導桿24，安裝板18上連接有分別對應套設在一根導桿24上的連桿25；

臺板2上設置有用于控制驅動電機15和取芯電機20啟閉及轉速的操控裝置26。

取芯筒3上端邊沿外圓周設有環(huán)形固定板27，環(huán)形固定板27通過緊固螺栓28與筒蓋4可拆卸連接，筒蓋4下表面與環(huán)形固定板27上表面之間上密封圈29。

低階煤樣柱定位結構設置有兩層，每層的低階煤樣柱定位結構均包括四根沿取芯筒3徑向設置的定位桿30，四根定位桿30沿取芯筒3的中心線方向圓周陣列布置，每根定位桿30的外端均固定設在取芯筒3內壁上，每根定位桿30內端均固定設有一塊弧形板31，四塊弧形板31的中心線與取芯筒3的中心線重合。

低階煤樣柱限位頂壓結構包括限位環(huán)板32和三塊固定板33，限位環(huán)板32的圓周外壁固定設有三塊連接板34，三塊沿取芯筒3中心線圓形陣列布置的固定板33，固定板33固定設在取芯筒3內壁上，三塊連接板34上分別對應與一塊固定板33通過定位螺栓35連接。

模擬低煤階煤樣取芯過程中損失氣量的裝置的模擬試驗方法，包括以下步驟：

（1）先在實際工程地點制備低階煤樣柱36，低階煤樣柱36采用致密煤層氣層最中心的部位，在氣體沒有逸出的情況下，對低階煤樣柱36進行密封處理，運送到實驗室內；

（2）將制備好的低階煤樣柱36放入取芯筒3中，采集的低階煤樣柱36的外徑等于或稍小于弧形板31的內徑，上下兩層共8塊弧形板31的內弧面與低階煤樣柱36外弧面貼合對低階煤樣柱36進行徑向限位，然后將限位環(huán)板32放置到低階煤樣柱36上端，使用定位螺栓35連接固定板33和連接板34，限位環(huán)板32與低階煤樣柱36壓接配合，對低階煤樣柱36起軸向限位；

（3）打開放空閥及注水閥10，關閉排水閥14，水箱8中的水在高度差作用下經(jīng)注水管5流入到取芯筒3體中，隨著取芯筒3內水面的升高，空氣由放空管6排出，下密封圈23和上密封圈29起到避免漏氣和漏水的作用，當取芯筒3體中排完空氣充滿水后，關閉放空閥和注水閥10；

（4）將真空儲氣球12捏扁后與計量管7通過橡皮筋進行連接，連接過程中保證無空氣進入真空儲氣球12內；

（5）啟動取芯電機20及兩個驅動電機15，兩個驅動電機15的轉速相同，驅動電機15帶動絲桿16轉動，由于連桿25套設在導桿24上限定內螺紋套管17隨絲桿16轉動，隨著絲桿的轉動，內螺紋套管17沿絲桿16向上運動，兩個內螺紋套管17之間的安裝板18帶動取芯電機20實現(xiàn)向上軸向進給運動，取芯電機20帶動鉆筒21旋轉，鉆筒21上端的金剛石鉆削刃22切割低階煤樣柱36進行取芯；

（6）鉆筒21在旋轉切割低階煤樣柱36的過程中，低階煤樣柱36內部破碎煤體會釋放氣體，所釋放氣體由于壓差作用進入真空儲氣球12內，從而實現(xiàn)在取芯過程中對低階煤樣柱36所釋放的氣體進行收集；

（7）待真空儲氣球12內收集氣體結束后，將真空儲氣球12進氣口進行捆綁后從計量管7取下并進行稱重，真空儲氣球12收集氣體后稱重重量減去真空氣球自重就可得到采集到的所釋放氣體的重量；

（8）打開排水閥14，取芯筒3內的水通過排水管13排出，然后將切割分離的煤芯取出。

本實施例并非對本發(fā)明的形狀、材料、結構等作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。