论文摘要
随着国际石油、煤炭资源的不断开采,国际原油价格的不断攀升,作为经济环保型的煤层气资源的重要性不言而喻。加强煤层气资源的开发和利用,不仅有利于缓解油气、煤炭资源的紧缺现状,还有利于全面安全地进行煤炭开采,同时,减少瓦斯排放时对大气的污染。因此,世界上许多国家如美国、澳大利亚、德国、英国、加拿大、俄罗斯等都出台了一系列的相关政策以加强煤层气资源的开发和利用,鼓励企业参与煤层气资源的开发,并在税收等方面给予不同程度的优惠或者直接给予一定程度的补贴。可以说,目前世界煤层气的开发与研究正如火如荼,其开发与利用技术不断得到更新,出现了如水平定向钻进及羽状水平孔钻进技术、水力压裂技术、多元气体驱替技术、随钻判断煤层气等煤层气增产技术,并在进一步投资研究各种新的开发和利用技术。我国煤层气资源评价成果（2005年）显示全国煤层埋深2000m以浅的煤层气总资源量为36.81×1012m3,其中可采资源量为10.87×1012m3。但是,相对美国等发达国家来说,我国的煤层气开发起步较晚,国家及各大煤田对煤层气开发利用的认识不够统一。因此,相关技术不成熟,思路也不够准确,致使多年来没有取得大的突破,即没有达到一定规模的产业化。目前,能源需求、煤矿安全生产、环境保护迫切需要加快煤层气开发,我国政府和煤矿（尤其是高瓦斯煤矿）都越来越重视煤层气的开发和利用,出现了一系列利好消息。例如,全国煤层气“十一五”发展规划已颁布实施,国务院出台文件进一步规范煤层气产业的发展,煤层气科技发展对煤层气产业的支撑作业逐步增强,设立了煤层气重大研究专项资金支持煤层气科技的研究（包括国家“863”、“973”项目都有专项）等。这为煤层气的开发和利用提供了有利条件,促使我国煤层气的开发及相关技术的研究得到了长足的进步,已在沁水盆地、鄂尔多斯盆地、宁武盆地、沙尔湖地区、准噶尔盆地、二连盆地等地建立了煤层气开发示范基地,其中位于沁水盆地的蓝焰煤层气集团更是建立了我国第一个商业化煤层气开发示范点。本文所研究的煤层气近水平孔钻进原位探测与水力纠偏技术就是在这样一个大背景下提出来的。利用近水平孔及其分支孔进行煤矿井下煤层气的开发在许多国家都得到了实际的应用,并取得了良好的开采效果,但其相关的理论、技术、设备都还处于研究开发阶段,需要进一步的研究以提高煤层气的抽采利用率,达到国家的瓦斯抽放标准,确保煤炭的安全开采。要实现这一目标,就必须对煤层内的煤层气的详细分布情况有充分的了解,全面掌握煤层各处的煤层气富集程度,为煤层气的钻采和煤炭的安全开采方案提供最可靠的原始数据。同时,也符合国家对于要求掌握煤层内每50米处的煤层气资料的政策。因此,作者所在科研团队在2005年准备申报2006年度国家“863”项目时,就提出了进行煤层气近水平孔钻进原位探测技术的研究,并对其作了大量的调研,以沁水盆地为对象,申报了题为“晋城煤层气探测与增产技术”（20060106Z2005）的项目。由于在煤层中钻进上百米或者千米的近水平钻孔是必然会发生钻孔偏斜的,有时甚至出现钻孔交叉的情况,使得有些区域进行了重复抽放,而有些区域未得到抽放,极大地影响了煤层气的抽采率,导致对煤层气抽采程度的误判,给煤炭的开采留下了安全隐患;同时,明显不利于煤层气的原位探测。因此,如何保证近水平钻孔钻进的质量也是亟待研究的课题。作者在分析了现有煤矿井下定向钻进技术的基础上,针对煤岩本身性质,依据产生钻孔偏斜的地质因素和力学条件,结合水力定向射流碎岩机理和非开挖斜面钻头导向钻进的原理,提出了更经济适用的水力纠偏方案来保证近水平钻孔符合煤层气水平抽放孔的设计要求。为了能在此方面进行探索和研究,作者于2005年申报了中国地质大学（武汉）优秀青年教师资助计划资助项目“煤田近水平孔钻进水力纠偏技术研究”（CUGQNL0620）;在取得了一些理论和试验研究成果之后,于2007年申报了国家自然科学基金青年科学基金项目“煤田近水平孔钻进偏斜机理分析与水力纠偏理论研究”（40702025）以作进一步的研究。这两项技术既相互独立,又相互关联,都是煤层气近水平孔钻进的关键技术和新的研究方向。几年以来,作者及其所在科研团队投入了大量的时间开展这两项技术的研究。综合多学科理论与技术提出了煤层气近水平钻进原位探测技术与水力纠偏技术两种技术的总体方案,主要结合煤田地质、钻探工艺、机械设计与制造、传感器技术、检测技术、电子电路、计算机编程、水平定向钻进、流体力学、射流技术等理论与技术,采用理论研究、实物制作、室内试验和现场试验的手段开展具体工作。煤层气原位探测技术研究主要包括水力封隔器、检测与取样系统的设计与制作。具体实施过程中,定制了符合水力密封的硅胶胶囊,创新地设计加工了单通道双向阀用于水力封隔器的二级压力密封与解封,设计加工了水力封隔器和检测取样仓体;利用A/D采集卡为其制作了压力采集系统,编写了上位机Windows可视化程序供室内压力测试试验使用;优选了压力传感器、浓度传感器、温度传感器、微处理器芯片及相关电子元器件,精心设计了相关电路和数据采集与存储系统,改装了微型电磁阀用于间接控制真空取气瓶的开启和关闭;同时,编制了数据采集和传输的上下位机程序,可通过Windows可视化计算机程序以数表和图形（曲线）方式显示采集数据。在水力纠偏技术方案实施过程中,在分析煤层近水平孔钻进的偏斜机理和水力定向射流破碎煤岩机理的基础上,对定向射流钻具的设计进行了理论分析与设计,设计出了专门的水力定向射流钻具,并申报了发明专利,并根据自激振荡脉冲射流原理对其进行了改进设计。在试验过程中,对水力封隔器的密封胶囊、密封压力、解封压力、保压时间以及水力压力测控等进行了反复的室内试验,对检测与取样微处理器系统也进行了多次的数据采集和提取的室内测试;在现场试验中,将二者完全结合起来,取得了理想的试验效果。对水力纠偏水力定向射流的喷嘴设计的选型和射流效果进行了验证;在工程应用试验中,对水力定向射流技术用于实际水平孔定向钻进的效果进行了验证,取得了水力定向射流纠偏的试验数据及满意的工程应用纠偏效果。试验的结果反映出煤层气近水平孔钻进原位探测与水力纠偏技术均达到了预期的研究目标,都可以将其应用到实际工程中。论文的撰写主要围绕上述实际进行的理论研究和实践工作展开,对煤层气近水平孔钻进原位探测与水力纠偏技术进行系统而全面的介绍和分析。全文共分六章,每章内容如下:第一章为绪论,主要分析了国内外煤层气的钻采现状、煤层气的探测现状、煤层气水平定向钻进的现状;在此基础上,提出了本文的研究目标,即煤层气近水平孔钻进原位探测与水力纠偏技术研究;分别介绍了本文主要研究的三项关键技术,即孔底原位水力密封、原位探测与气样采取、水力纠偏,提出了各项关键研究技术的工作原理和具体研究内容。并分析了本文的研究意义。第二章主要介绍了原位探测与气样采取技术与装置（即原位探测仪）研究的具体实施过程。在综合考虑多种密封方案之后,确定了能真正实现原位探测目的的孔底密封技术,即钻孔孔底水力密封技术。选择并定制了性能优越的硅胶密封胶囊,根据单通道实现密封和解封的特点,设计了二级水力单通道双向阀,并从理论计算和试验两方面进行二级水压力的确定,同时建立了水压损失的数字计算模型并利用windows可视化编程软件编写了可视化计算程序,对孔口压力的测控进行了设计;在分析压力、浓度、温度检测原理的基础上,优选了煤层气压力、甲烷浓度、温度等检测参数的传感器,精心设计了各具特色的伺服电路、时序控制电路、电量检测电路、数据采集与存储系统、电磁阀控制电路等,分别编写了上下位机程序,并根据检测系统的需要设计了密封的检测仓与取气仓;在确定采用电磁阀+真空集气瓶进行煤层气原生气样采取的方案之后,设计了真空集气瓶、电磁阀接头及抽真空接头等,并确定了该取气方案的使用方法。第三章主要介绍了水力纠偏技术的具体研究过程。在分析了近水平钻孔偏斜机理和水力定向射流碎岩机理的基础上,结合流体力学理论,研究了水力定向射流钻具的关键部位——喷嘴的直径计算方法,确定了水力定向射流钻具的定向原理并为其设计了具体的结构,说明了其拆装等使用方法。最后在分析自激振荡脉冲射流原理的基础上,设计了锥形喷嘴串联自激振荡脉冲定向射流钻具。第四章主要介绍了原位探测技术的室内试验和现场试验的过程。对水力封隔器的密封胶囊、密封压力、解封压力、保压时间等进行了反复的室内试验,并取得了这些测试参数的最佳值;利用压力传感器、A/D采集卡、计算机等进行了水压的准确测控试验;利用煤气作为甲烷浓度气源、空调风口和取暖器作为压力和浓度的检测源对检测与取样微处理器系统进行了多次数据采集和提取的室内可靠性测试;同时深入煤田现场进行了现场煤层气水平孔钻进原位探测试验,并取得了理想的试验数据和效果。第五章主要介绍了水力纠偏技术的室内试验和工程应用试验的过程。室内试验中,主要对水力定向射流的喷嘴设计选型和效果进行了验证试验;在工程应用试验中,将水力定向射流纠偏技术用于了实际水平孔定向钻进工程中,取得了满意的工程应用纠偏效果,获得了相关的纠偏试验数据并对其进行了分析。第六章为总结部分。主要介绍了经过本文的理论和实践研究,所获得的成果和主要创新点,并指出了研究的局限性,提出了进一步研究的内容和思路,最后对我国煤层气产业及相关技术的研究进行了乐观的展望。综上所述,本文主要面向煤层气产业化的实际需要开展了一系列的实际的科研工作,涉及到的学科理论、技术、知识点等繁多,已经取得了一些成果,理论和试验研究的结果都反映出基本达到了预期的研究目标,但由于所研究的技术都是创新型技术,国内外基本没有经验可以借鉴,且受现场试验条件的限制,还有许多相关内容亟待在以后的工作中加强进一步的深入研究。