取心管取心过程管壁温度测定试验研究

韩恩光，王兆丰，2，刘 勉，柯 巍，王 龙

（1.河南理工大学 安全科学与工程学院，焦作454000；2.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南 焦作 454000）

煤层瓦斯含量是煤矿瓦斯危险程度评价、瓦斯灾害防治以及瓦斯资源开发利用不可或缺的参数。取心管取心是测定煤层瓦斯含量的常用技术手段之一。在取心管取心过程中，取心钻头及取心管与煤层摩擦产生大量热使煤心温度升高。随着煤心温度的升高，煤对瓦斯的吸附能力及吸附量减小[1-2]，使得取心过程中煤心瓦斯大量解吸，造成煤层瓦斯含量测定结果不准确。为了准确测定煤层瓦斯含量，王兆丰等[3-4]提出低温（0℃以下）取样的方法，通过取心管内置冷冻剂抵御取心过程外部摩擦热量的侵入并在有限的时间内将煤心温度迅速降低。所以取心过程中取心钻头及取心管与煤层摩擦的产热情况研究对低温取心技术中冷冻剂量的确定尤为重要。

针对钻头钻进过程中的产热情况，国内外学者进行了研究。Beste等[5]研究了岩石中钻头钻进过程，估计钻头平均温度为500℃左右。Eyup Bagci[6-7]等研究了主轴转速和推进速度对钻头温度的影响关系，不同的主轴转速和推进速度会有不同的温度，最高250℃左右，平均约为150℃，且5 s之内温度会上升到100℃。杨晓峰[8-9]利用红外热像仪对硬质灰岩钻掘过程的红外热像进行研究，研究表明钻头附近最高温度达到50℃左右。李忠华[10]利用自制的钻头测温装置，在自制试件中进行钻进测试。研究表明钻进速度对钻头温度变化影响很大，若推进速度快，则单位孔长的钻头温度偏低，反之钻头温度偏高。上述研究都是基于钻头在岩石中的钻进过程。目前国内对煤层中钻头钻进过程中的产热鲜有研究。为此利用自制的随钻测温装置对取心管取心过程中取心管壁温度进行全程测量记录。分析取心管壁温度的变化过程。对低温取心技术中冷冻剂量的确定提供实验依据。

1 测温装置

测温装置如图1，该装置的主要功能就是实时测量记录钻孔取心过程中取心管壁的温度变化，构成该装置的组件主要有：温度传感器、电路板、固定螺钉、隔热陶瓷、不锈钢管壁及附属线路。

图1 测温装置示意图

1）温度传感器。测量范围为0～300℃，测量误差为±0.5℃，分别布置在测温管上盖及两侧管壁上，分别用于测量取心管内部及外壁温度。

2）电路板。用于存储采集的温度数据。

3）固定螺钉。分别在测温管壁的温度传感器所对应的管壁另一侧设置了六棱螺钉，便于安装拆卸温度传感器。

4）隔热陶瓷。布置在测温管上盖温度传感器探头出口，用于隔绝上盖温度对传感器探头的影响。

5）外壁。材质为不锈钢，两端开口（有盖），直径为89 mm，长度为370 mm。直径尺寸和取心管直径尺寸相同。

在取心过程中该装置一端与取心管连接，另一端与钻杆连接。

2 取心管壁温度测定试验

2.1 试验地点

试验在河南焦煤集团九里山煤矿进行。九里山矿位于焦作矿区东部、太行山南麓，距离焦作市区18 km，井田面积17.5 km2，设计生产能力90万t/a，2011年核定生产能力100万t/a，截止2015年底可采储量为6 245万t。试验地点为二1煤层一水平一五采区东四工作面回风巷。工作面煤层原始瓦斯含量为31 m3/t，煤层瓦斯压力为1.74 MPa，煤层瓦斯吸咐常数a=41.841 m3/t，b=0.985 MPa-1，煤的灰分Ad=7.64%，挥发分V=11.19%，水分W=1.87%。煤层透气性系数0.2～0.457 m2/（MPa2·d），钻孔瓦斯流量 0.015～0.04 m3/(min·hm），衰减系数 0.012 6～0.038 9 d-1，煤层透气性差，抽采较为困难。

2.2 取心钻孔布置及施工

考虑到测温装置外径较大（φ89 mm），钻杆外径较小（φ73 mm）。两者通过变径连接，在取心退钻过程中可能发生卡钻情况,且当取心深度越大，发生卡钻概率越大，并考虑到测温装置的续航时间;设计取心深度为10、20、30 m。在东四工作面回风巷163、164、165 m处各布置1个倾角为12°的取心钻孔，对比不同取心深度取心管壁温度变化情况。试验钻机为铁福来ZDY4500LXY履带式液压钻机，额定转矩为 1 000～4 500 N·m，额定转速为 60～215 r/min；扩孔钻头直径为φ112 mm，钻杆直径为φ73 mm，取心钻头直径为108 mm，取心管直径为φ89 mm，长度为1.5 m，取心管以及测温装置和钻杆之间通过变径接头连接。

首先使用钻机在设计位置施工钻孔，钻孔深度达到10 m时停止钻进取出钻杆将钻头取下，换上取心管及测温装置，然后钻机工作将取心管及测温装置向钻孔中推进，待取心管推进至10 m深后，继续钻进取心管开始取心。取心结束后推出钻杆取出煤样。然后依次以相同钻速测定取心深度为20、30 m的取心管壁温度。

3 取心管取心过程管壁温度变化分析

根据上述试验步骤，利用测温装置记录了取心管取心过程中取心深度为10、20、30 m时的温度变化数据，取心过程取管壁温度变化曲线如图2。

分析图 2（a）～图 2（c）可以看出，改变取样深度，取心管取心过程中管壁温度变化趋势一致，主要分为3个阶段，温度缓慢上升阶段、快速上升阶段和缓慢下降阶段。

如图2（a），当取心深度为10 m时：①在阶段Ⅰ中，管壁温度比较稳定，此阶段对应着安装取心管及测温装置的过程，管壁温度由试验地点环境温度决定；②在阶段Ⅱ中，管壁温度缓慢上升，此阶段对应着推进取心管至取样位置的进钻过程，虽然在取心之前已经施工过取心钻孔，但孔内仍有残留的煤渣，与此同时，在钻杆退出之后，受地压、重力等因素的影响，孔洞会发生形变，从而导致在取心进钻过程，取心管壁会与孔洞内壁及煤渣摩擦，造成其温度缓慢上升；③在阶段Ⅲ中，温度快速上升，此阶段对应着取心管采集煤样的过程，在该过程，取心钻头切削煤层、管壁与煤层剧烈摩擦产生大量热量使管壁温度迅速上升，采样结束时其温度升至最高值；④在阶段Ⅳ中，温度缓慢下降，此阶段对应着将取心管退出钻孔的退钻过程，在该过程，由于本次试验选用的取心管、测温管的外径大于钻杆，受到围压、应力等因素的影响，孔洞在退钻之前会发生形变，因此在退钻过程取心管壁与孔洞仍有摩擦，同时，孔洞内的温度经过刚刚的采集煤样过程仍然处于较高温度，取心管内的煤心温度也比较高，这些因素的存在都会作用于取心管壁，向其输入热量，该过程热量的输入强度不足以使管壁温度继续升高，但会阻碍管壁的自然冷却，造成其温度缓慢下降。

图2 取心过程取心管壁温度变化曲线

取心过程各阶段所需时间及温变速率见表1。

表1 取心过程不同阶段所需时间及温变速率

结合图2（d）及表1中数据可以看出：

1）不同取样深度，采集煤样过程所需时长基本相同，均为3 min左右。这是因为取心管的长度固定，都为1.5 m，且钻机的转速及推进速度都是一致的，因此采集相同长度相同质量的煤心所需的时间也基本一致。取心管壁最高温度随取样深度的增加而增加，在此次试验中最高温度出现在取样深度为30 m时的煤样采集过程中，取心管壁最高温度为98.32℃。

2）同一取样深度，进钻时长小于退钻时长，进钻时的升温速率高于退钻时的降温速率。这是因为在进钻时施工人员安装钻杆的时间比退钻时卸钻杆所需时间短，导致进钻时间小于退钻时间。在进钻之前，取心管壁处于常温环境之中，在进钻过程中，虽然在取心之前利用大直径钻头（φ112 mm）工过取心孔，但随着钻杆的退出，孔洞受到应力影响会发生形变，截面积减小，同时可能会出现塌孔等情况，造成在推进取心管时孔洞与管壁仍然会发生剧烈摩擦，使管壁温度迅速上升，在采集煤样结束时管壁温度达到最高值。在退钻过程，管壁通过自然冷却降温，此时孔洞内的温度经过刚刚的采集煤样过程仍然处于较高温度，其与管壁的温差要低于进钻时管壁与摩擦接触面的温差，同时在退钻时管壁与孔洞仍有摩擦，阻碍了管壁的自然冷却速度，因此退钻降温速率低于进钻升温速率。

4 结语

1）取心过程温度变化主要分为3个阶段，温度缓慢上升阶段、快速上升阶段和缓慢下降阶段，分别对应着进钻、取心和退钻过程。

2）取心管壁最高温度随取样深度的增加而增加，在试验中最高温度出现在取样深度为30 m时的煤样采集过程中，取心管壁最高温度为98.32℃。

3）同一取心深度，取心过程进钻所需时长小于退钻所需时长，进钻时升温速率高于退钻时的降温速率；不同取心深度采集煤样所需时间基本一致。