煤层气保压取样装置错位球面密封结构设计与性能验证

刘萍; 汪赟; 王乐凡; 申晨

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503685

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (11) :4585-4592 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503685

矿冶工程

煤层气保压取样装置错位球面密封结构设计与性能验证

刘萍 ¹^,² ,
汪赟 ¹^,² ,
王乐凡 ¹^,² ,
申晨 ¹^,²

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Design and Performance Verification of Offset Spherical Sealing Structure for Pressure-retaining Sampling Device for Coalbed Methane

LIU Ping ¹^,² ,
WANG Yun ¹^,² ,
WANG Le-fan ¹^,² ,
SHEN Chen ¹^,²

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摘要

为提升煤层气保压取样的密封性能与可靠性,通过构建错位球面密封结构三维模型并结合热-应力耦合仿真方法,分析了密封装置在高温高压条件下的应力分布与变形规律,在此基础上搭建地面试验平台,开展常温及高温保压性能试验,对仿真结果进行验证。分析结果显示,该装置在 3 MPa 压力下能够实现有效密封,聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)阀座的等效应力和变形量均未超出安全阈值;在 20~80 ℃ 范围内,应力与变形随温度升高呈正相关增长,但始终满足密封要求。验证结果表明:装置在常温 3.2 MPa 条件下 5 h 内压力保持稳定,8 h 内压力损失率为 3.1%,15 h 内为 6.2%;在 80 ℃ 高温下 3 h 内压力无明显衰减。可见,该装置可有效适应煤矿井下高温高压及复杂取样环境,显著提升煤层气保压取样的精度与可靠性,为煤层气资源的勘探与开发提供技术支撑。

Abstract

To enhance the sealing performance and reliability of pressure-retaining sampling devices for coalbed methane, a three-dimensional model of an offset spherical sealing structure was established, and a thermo-mechanical coupling simulation method was employed to analyze the stress distribution and deformation behavior of the sealing assembly under high-temperature and high-pressure conditions. On this basis, a ground experimental platform was constructed to conduct pressure-retention tests at ambient and elevated temperatures, verifying the simulation results. The analysis results show that the device achieves effective sealing at a pressure of 3 MPa, with the equivalent stress and deformation of the polytetrafluoroethylene (PTFE) valve seat remaining within safe limits. Within the temperature range of 20~80 °C, both stress and deformation increase proportionally with temperature, yet the sealing requirements are consistently satisfied. Verification results indicate that the device maintained stable pressure for 5 h under ambient conditions at 3.2 MPa, with pressure loss rates of 3.1% and 6.2% at 8 h and 15 h, respectively; no significant pressure decay occurred within 3 h at 80 °C. These findings demonstrates that the device can effectively operate under high-temperature, high-pressure, and complex sampling conditions in coal mines, significantly improving the accuracy and reliability of pressure-retaining sampling for coalbed methane, and providing technical support for the exploration and development of coalbed methane resources.

Graphical abstract

关键词

煤层气 / 密闭取样 / 密封性能 / 保压性能 / 热-应力耦合

Key words

coalbed methane / closed sampling / sealing performance / pressure-retention / thermo-mechanical coupling

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刘萍, 汪赟, 王乐凡, 申晨. 煤层气保压取样装置错位球面密封结构设计与性能验证[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(11): 4585-4592 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503685

LIU Ping, WANG Yun, WANG Le-fan, SHEN Chen. Design and Performance Verification of Offset Spherical Sealing Structure for Pressure-retaining Sampling Device for Coalbed Methane[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(11): 4585-4592 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503685

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煤层气作为非常规天然气资源,赋存于煤系地层的微孔隙与裂隙系统中,其储集机理以物理吸附为主(占比80%~95%),游离气与溶解气占比较低,其形成与煤化作用密切相关,甲烷气体通过有机质热演化过程吸附于煤基质表面^[1-2]。

国际上煤层气开发已形成成熟体系,美国圣胡安盆地实现商业化生产,澳大利亚苏拉特盆地年产量超40亿m³^[3-6]。中国煤层气资源主要分布于鄂尔多斯、沁水、准噶尔等八大含气盆地,埋深200~1 500 m的中浅层资源占比超70%,总量达36.81万亿m³,其中高阶煤占58%。当前开发以地面垂直井、水平井及U形井为主,结合水力压裂等增产措施,但受限于储层低压低渗特性,单井产量普遍低于常规气藏^[7-8]。中国煤层气年产量从2010年的15亿m³增至2024年的138亿m³,但开发规模不足探明储量的3%,面临解吸效率低、采收率不足等技术瓶颈,尤其储层伤害、保压取样等关键技术问题制约了评价精度与开发优化^[9-11]。中国的一些学者在不断完善煤层密闭取样检测技术,文献[12 -14]针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位密闭取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法;高明忠等^[15]提出一种深部煤矿原位密闭保压保瓦斯取心原理与技术,初步研制了深部煤矿原位密闭保压保瓦斯取心装备,对煤层瓦斯含量与瓦斯压力进行精准测定;周福宝等^[16]针对现有测定方法中损失瓦斯量估算误差大的难题,考虑煤孔隙结构的非均匀性建立了瓦斯分数阶扩散模型,搭建了模拟井下煤层瓦斯含量测定流程的误差分析系统,使得瓦斯测量误差由20%降低到5%以内。

需指出的是,不同矿区煤层在透气性、瓦斯赋存与运移行为上差异显著,对保压取样装置的适应性提出更高要求。例如,王正帅^[17]在艾维尔沟矿区的研究中发现主采煤层具有碎软、高瓦斯、低透气性等特点,且裂隙与基质间压力差随抽采时间持续扩大,其中5号煤层解吸扩散速率尤为缓慢。此类地质非均质性要求取样装置在密封效率与压力保持能力上具备更强的环境适应性。同时,瓦斯含量受泥岩厚度、构造特征、砂泥岩比及煤质参数等多重因素交互影响,王建辉等^[18]研究表明,融合机器学习(如特征衍生和贝叶斯优化算法(tree-structured parzen estimator, TPE)优化的随机森林模型,R²=0.990 9)可有效识别关键控制因子,为取样点位优选与时机判断提供科学依据。此外,井下瓦斯实时监测对取样安全至关重要,王晓蕾等^[19]指出,现有催化燃烧、光干涉与红外吸收等检测技术各有局限,未来需向智能化、高可靠性方向发展,为取样过程中的泄漏预警与密封验证提供支撑。

保压取样技术在不断完善,但仍然还有问题尚未解决。贵宏伟等^[20]设计的三筒装置结构复杂,且齿轮球阀结构在煤矿井下的取样环境下容易受煤屑影响,出现卡齿等问题;孙四清等^[21-22]对煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试技术及装置进行了试验研究,利用密闭取样设备获得的煤层气含量比常规取样法获得的煤层气含量高20.23%~40.34%,但只适用于竖直方向取样;司莎莎等^[23]提出了低温冷冻取样方法,其仍存在岩样暴露的问题,无法完全保持原位瓦斯含量,且装置结构复杂,操作较为烦琐。

针对现有保压取样装置结构复杂、易受煤屑干扰、取样方向受限等问题,现设计一种全新的煤层气保压取样装置,构建其三维模型并利用 ANSYS 开展 3 MPa压力下的静应力分析与 20~80 ℃的热-应力耦合仿真,同时搭建地面平台进行常温 15 h、80 ℃高温 3 h保压试验。

预期该装置在3 MPa、20~80 ℃范围内可有效密封,阀座应力与变形均在安全阈值内;常温 3 MPa 下8 h压力损失率≤10%,80 ℃下 3 h无压力衰减,能解决传统装置缺陷,为煤层气保压取样提供技术支撑。

1 球面密封保压装置工作原理

为减小取样过程中的瓦斯损失量,设计有效的保压密封结构是关键的一环,目前常用的取样装置的密封结构多为球阀和盖板阀两种,其中球阀取样装置大多需要高压水泵压入封堵球实现憋压剪断销钉后产生的动能驱动球阀的关闭,此种方法决定了只能实现取样阀门的“开启-密封”两种状态的转变,并且球阀结构独立于取样筒,自身结构容易受到冲击和振动等因素引起密封性能的降低,封堵球被泵入后的位置有较大的随机性,对阀门能否及时关闭有较大的影响^[24]。

盖板阀密封机构对取样方式有较高的要求,其关闭方式依赖于取样内筒的重力来实现盖板阀的密闭,当取样结束后,取样筒通过绳索打捞机构进行上提,盖板阀在重力作用下实现关闭,并再次下放取样筒将盖板阀压紧,对于煤层水平和倾斜取样方式在依靠重力的情况下较难实现密闭,易影响盖板阀的正常关闭密封^[25]。

现设计错位球面密封取样装置如图1所示,该装置由加压总成、传动复位总成、密封保压总成、外部钻杆与取样钻头组成。在驱动方式上舍弃传统的投球憋压方式,采取高压水推动柱塞旋转前进,通过柱塞与取样筒之间的传动连接实现取样阀门的开启,并利用压缩弹簧设计复位机构,在停止加压后弹簧回位推动柱塞反向旋转后退实现取样阀门的关闭,并且通过利用通入高压水后柱塞与复位弹簧的运动实现对密闭机构的驱动,能够实现取样阀门“关闭—开启—关闭”的运行方式。

基于球面密封比压较高的特性,将取样内筒取样端口处设计成球面,与阀座之间组成横竖双环形密封带,通过两者之间的紧密贴合产生的密封接触力保证取样密封性,密封保压总成接触部分可简化如图2所示。

取样内筒材料选用304不锈钢,阀座材料选用聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE),其密封性能好且具有自润滑的特性,可减小取样内筒旋转时的摩擦扭矩。在密封状态时,取样筒球面端的取样口与阀座取样口呈180°错位贴合,当加压后取样筒旋转180°,球面取样口与阀座取样口重合,当取样结束撤去水压后,取样筒反向旋转球面取样口与阀座取样口再次呈180°错位贴合,最终实现密封。

2 密闭保压总成热-应力耦合分析

2.1 静应力分析

密封保压总成的主要结构由取样筒、阀座、套筒、取样筒端盖与阀体组成,利用SolidWorks建立三维模型,导入ANSYS WORKBENCH进行仿真分析,取样筒和阀体等部件均由304不锈钢制成,阀座材料为聚四氟乙烯(PTFE),材料属性参数如表1所示。

将取样筒和阀座之间的接触面设置为摩擦,摩擦系数设置为0.05,其余面设置为绑定,将阀体表面设定为固定支撑,在取样筒内部表面施加静压力,煤层气储层压力平均在4 MPa左右,实际解吸压力在2 MPa左右,故设定静压力值为3 MPa。利用mesh模块进行网格划分,选择全局网格控制和四面体网格划分方法,网格划分后共得到222 162个节点,119 930个单元,如图3所示。

经过仿真计算后,阀座等效应力云图和阀座形变云图如图4所示。

由图4可知,阀座所受最大等效应力处于取样口弧面边界处,呈弧形分布,最大等效应力值为3.89 MPa,其值不超过聚四氟乙烯的强度极限,使得内外球面紧密贴合一起,实现了良好的密封性能;形变量较大处位于横向密封面,其最大值为0.17 mm,对于软密封副来说,密封面形变量满足正常条件。在完成静应力分析验证密封结构安全性后,进一步考虑温度效应开展热-应力耦合仿真分析。

2.2 热-应力耦合仿真分析

钻进过程中钻头与孔底摩擦会产生大量热量,温度可达140 ℃。因此,在热-应力耦合仿真中采用顺序耦合方法。首先,进行稳态热分析;然后,将热场结果导入结构静力学分析,完成热-应力耦合计算,耦合形式如图5所示。

稳态热分析中,将初始温度设置为均匀温度,均匀温度设定为20、40、60、80 ℃4个阶段,设定取样筒内外10 ℃温差(模拟钻头摩擦生热与冲洗液冷却的动态平衡)。耦合分析中,将在稳态热分析的结果导入静应力分析作为约束,其余条件与静应力分析保持一致。

仿真计算结束后,得到不同温度下的阀座的等效应力云图和变形云图,如图6所示。

通过与图4对比,可以发现,不同温度下的阀座最大受力位置及最大变形位置与静应力分析下位置相同,对比不同温度下最大等效应力和最大变形可以发现,随着温度的升高,由于热-应力耦合作用叠加静压力,阀座的最大变形量呈现增大趋势,20 ℃时最大等效应力为3.93 MPa,最大变形为0.19 mm;40 ℃时最大等效应力为4.28 MPa,最大变形为0.26 mm;60 ℃时最大等效应力为4.86 MPa最大变形为0.34 mm;80 ℃时最大等效应力为6.46 MPa最大变形为0.43 mm。对比各组结果发现,在不同温度影响条件下,阀座的最大等效应力远未达到聚四氟乙烯的极限,最大变形量也在软密封变形范围内。

基于“顺序耦合+多温度梯度”协同仿真方法,先通过稳态热分析覆盖井下浅层(20 ℃)至深部(80 ℃)的实际温度变化区间,再将热场结果精准导入结构静力学分析,实现“温度-压力”协同作用下密封特性的量化模拟。明确聚四氟乙烯阀座在20~80 ℃区间内的应力-变形关联规律,如80 ℃时最大等效应力6.46 MPa,最大应力约占PTFE 屈服极限的61.5%,变形0.43 mm仍满足软密封副的密封需求,验证了“304不锈钢取样筒+PTFE阀座”的材料组合适配性。

经过仿真确定密闭保压总成能完成3 MPa压力下的密封,现以仿真数据为基础,在地面搭建试验平台,模拟钻进时孔底高温密闭环境,测试球面密封保压总成的实际保压性能。

3 高温保压密闭试验

3.1 试验原理

本文试验旨在评估保压密封总成在错位密闭状态下的密封性能,主要由以下部件组成。

保压密封总成:核心测试对象,模拟实际井下取样后的密封状态。

高压气瓶:提供最高可达10 MPa的气体压力,满足各类试验需求。

金属毛细管:连接各部件,确保气体传输的安全性和稳定性。

调压阀与气压表:调节和监控通入取样筒内部的气压,确保测试的准确性和安全性。

恒温水浴槽:提供稳定环境温度,模拟孔底环境。

为确保加压过程的安全性,加压管路采用金属材质。试验中,通过调压阀调节通入取样筒内部的气压,气压表实时监控外界施加气压及内部保存气压,保障测试的准确性和安全性,具体加压系统原理如图7所示。

根据《煤矿安全规程》及井下实际工况调研数据,煤层瓦斯压力普遍低于3.0 MPa,故设定保压试验压力为3.0 MPa,以涵盖井下极端工况需求。

试验步骤如下:

(1)系统准备:开启气瓶阀门,关闭调压阀,此时取样筒内部压力与环境平衡(0 MPa)。

(2)分级加压:打开调压阀,观察气压表示数,以0 MPa为起始气压,每次增大1 MPa,通入气压后关闭调压阀。

(3)密封性检测:采用气泡检测法检查各密封接口的气密性,确保无泄漏,此时气压表示数即为取样筒内部保存气压。

(4)保压观察:记录各压力等级的气压表示数,每级保压0.5 h,并观察取样筒内、外密封面是否产生气泡,检测其密封性,记录数据并绘制图表。

3.2 常温保压试验

确定保压试验测试压力大小,经过现场调研发现,保压取样装置完成300 m孔深的煤层取样任务需要的完整时长约为8 h,因此8 h后的残留压力大小才可以反映在实际使用时的保压效果。

(1)由于煤层瓦斯压力一般不超过3 MPa,为考虑系统稳定性及泄压裕度,故设置最大压力为3.2 MPa。

(2)打开气瓶后将调压阀打开,缓慢升压至3.2 MPa,检查各连接部位,并记录下数据。

(3)当通入气压稳定至3.2 MPa后,将调压阀调为关闭状态,切断气瓶气压供应后,气压表示数即为取样筒内部保存气压大小,每隔1 h记录气压表压力大小,累计记录8 h后的压力大小变化,具体压力变化如图8所示。

由保压时长试验数据可知:在取样筒内通入初始气压为3.2 MPa的情况下,取样密封总成在0~5 h内其压力大小维持不变,仍为3.2 MPa,密封保压率为100%;随着保压时长的增大,在0~10 h内,其内部压力大小由3.2 MPa降为3.1 MPa,密封保压率降低为96.9%;当保压时长继续增大,在0~15 h内,其内部压力大小由3.2 MPa降为3 MPa,密封保压率继续下降为93.8%。

由测试结果可知,所设计取样密封总成内部保存压力没有产生较大的损失,在0~8 h内处于可接受的压力损失范围内,密封总成在长时间高压条件下仍能维持可接受的保压性能,符合煤矿安全规程对密封装置“8 h内压力损失≤10%”的技术要求。

3.3 高温密封试验

在井下钻进过程中,钻头与岩层摩擦产生的瞬时温度最高可达140 ℃,经冲洗液冷却后,取样筒仍处于高温环境中。为全面评估密封性能,试验设定4个温度梯度。

(1)20 ℃:模拟常温环境的基准对照组。

(2)40 ℃:模拟低热负荷工况,对应浅层煤层取样场景。

(3)60 ℃:模拟中等热负荷工况,反映中深部煤层钻探条件。

(4)80 ℃:模拟高热负荷工况,对应深部煤层或高转速钻进场景。

为模拟井下复杂环境中泥浆对密封性能的耦合影响,设计了泥浆介质条件下的对比试验。试验采用去离子水基钻井液作为模拟介质,其组分配比为水、6%膨润土、15%重晶石粉、0.2%羧甲基纤维素钠,该配方可有效模拟实际钻探过程中的孔底泥浆流变特性。

如表2所示为不同温度下保压取样总成在3 h内的压力变化,以下数据表明,在常温和高温环境中,密封总成在3 h内的压力保持率为(100.0±0.05)%,压力波动范围不超过0.02 MPa,表明其在不同温度下都具有优异的密封性能,满足煤矿井下作业的安全要求。

搭建“温度梯度(20 ℃/40 ℃/60 ℃/80 ℃)+ 介质类型(空气/模拟钻井液)+ 保压时长(3 h/8 h/15 h)” 的三维试验体系,在试验设计与指标验证层面形成差异化特色:一方面,在介质维度实现突破以弥补传统试验局限,创新性引入匹配井下泥浆流变特性的模拟钻井液作为试验介质,改变了传统试验仅依赖单一空气介质、与井下实际环境存在偏差的现状;另一方面,试验指标体系构建紧密衔接工程实际需求,以《煤矿安全规程》中“8 h内压力损失≤10%”作为核心控制标准,同时拓展测试15 h长时保压(损失率6.2%)工况,进而构建起“基础工况-极端工况-长时工况”的全维度验证维度,保障试验结果能够直接服务于工程实践。

4 结论

(1)基于保压取样原理构建球面密封取样装置密封总成三维模型,仿真表明304不锈钢取样筒与聚四氟乙烯阀座组成的密封可满足3 MPa压力需求;通过ANSYS热-应力耦合仿真分析20~80 ℃、3 MPa工况,发现阀座最大等效应力与变形量随温度升高正相关增长,但始终符合密封要求。

(2)地面高温密封试验验证了仿真准确性:常温 3 MPa 下 15 h压力损失率 6.2%,仍符合要求,80 ℃高温3 h压力无明显衰减,模拟钻井液环境(20~80 ℃)3 h零压力损失;针对艾维尔沟和鄂尔多斯等碎软煤层、低渗煤层等地质特点,其PTFE阀座自润滑性减少煤屑卡阻,双环形密封带抗变形,在5%煤屑钻井液中仍实现3 h零压力损失,证明环境适应性优异。

(3)中国煤层气资源总量36.81万亿m³(中浅层占超70%),但传统取样装置8 h压力损失率超10%,导致储层评价误差达15%~20%。本错位球面密封装置在3 MPa、20~80 ℃下8 h压力损失率≤3.1%,高温3 h无衰减,可精准获取瓦斯含量等原位参数。

(4)装置80 ℃稳定密封、3 MPa压力损失率低于3.1%的特性,可推广至四川盆地页岩气(60~90 ℃)、鄂尔多斯致密气(3.5~4.5 MPa)等非常规气藏取样。其“错位球面密封+弹簧复位驱动”结构,解决传统球阀煤屑卡齿、盖板阀无法水平取样的缺陷,可覆盖八大含气盆地复杂地质条件,为“精准勘探-高效开发”提供通用工具。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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