一种带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置的制作方法

[0001]
本发明属于水压致裂法地应力测量领域，具体涉及一种带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置，通过该装置实现干钻孔内水压致裂法地应力测试，尤其是解决测量过程中的压力转换及加压、泄压问题。


背景技术：

[0002]
地应力是存在于地层中的天然应力，它是造成地下厂房及其他地下工程变形、破坏的根本作用力。因此，地应力的大小、方向直接影响到地下工程围岩的稳定性，测量地下工程初始应力，研究围岩的应力分布特征是进行地下工程围岩稳定性分析，以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。水压致裂法是地应力测量应用最广泛最普遍的方法。
[0003]
水压致裂法地应力测量有单通道和双通道两种液体加压方式，其中单通道法设备简单，安装拆卸方便。单通道测试时，加压设备设在井口地面处，在岩体钻孔中，当设备下放到预定的测试深度后，首先要通过钻杆对橡胶封隔栓塞加压，上下两个橡胶栓塞同时膨胀，被这两个膨胀的橡胶栓塞封隔的钻孔岩体为试验段；下放活塞系统，切换流体通道到试验段，对试验段进行泵入液体打压(此时上下两个橡胶封隔栓塞仍为膨胀保压状态)，直至封隔段钻孔岩体破裂，记录试验过程中泵入的液体压力变化曲线，根据特征值计算地应力大小，这就完成了一段测试；之后提升钻杆及控制阀，卸掉封隔栓塞中的压力，使其在自身弹性状态下恢复原状，进行下一段测试。
[0004]
如图1所示，为现有技术的水压致裂法地应力测试试验装置，包括活塞组件、阀体、橡胶栓塞，活塞组件包括与钻杆依次连接的卡位变径12、活塞14，阀体15上设有中空腔体，阀体15内自上而下设有膨胀输水通道15-5、压裂输水通道15-4、泄压孔15-2和密封圈槽15-1，限位套筒13相接于阀体15上方，内有贯通空间，可以限制卡位变径12、活塞4、钻杆的上下移动，卡位变径12上方与钻杆相接，下方与活塞14相接，卡位变径设置有过水通道；活塞4内设置有与上方卡位变径12相接的输水通道14-1，输水通道14-1下方设置有与其相接的均匀布置的输水孔14-2，活塞14插入阀体15内，可以停留在阀体15内不同的位置，活塞不同的位置对应不同的阀体流体通道15-4、15-5和泄压孔15-2，阀体 15上设置有4道密封圈槽15-1，在槽内安装密封圈及四氟垫，与活塞14一起密封分隔各个流体通道。活塞14位于上工位，第一、二道密封圈起密封作用，活塞输水孔14-2与阀体内的膨胀输水通道15-5对应，流体通过膨胀输水通道15-5 进入阀体下方的橡胶封隔栓塞17内腔；活塞从最底部上拉到中工位，第二、三道密封圈起密封作用，活塞输水孔14-5与阀体上的泄压孔15-5连通，钻杆内流体经泄压孔15-5排出；活塞位于下工位，第三、四道密封圈起密封作用，活塞输水孔14-2与阀体内的压裂输水通道15-4连接，流体通过压裂输水通道15-4 进入的压裂钢管18，并通过压裂孔进入上下橡胶封隔栓塞7之间的试验段，以压裂钻孔内岩体。所述阀体15下端设置有排气孔15-6，该排气孔与外界连通，以消除活塞在阀体内运动时气体压缩产生的反作用力。
[0005]
但是上述结构存在以下问题：当切换流体通道到试验段时，连接加压装置与橡胶
栓塞的钻杆内是满水高压状态，密封圈在活塞输水孔喷射出的高压水流多次通过后易产生疲劳发生破损，封闭性能降低，橡胶栓塞降压，钻孔岩体试验段未被封隔，导致试验失败。
[0006]
在钻孔内无水或水位较低情况下，连接加压装置与封隔栓塞的钻杆内是满水状态，此时橡胶栓塞外部没有外水压力，尤其是当试验段较深时，橡胶栓塞因承受上方钻杆内的水柱压力，无法恢复原状，处于膨胀状态，紧贴孔壁，形成卡钻现象，无法上下移动导致实验失败。


技术实现要素：

[0007]
本发明所要解决的技术问题是，提供一种带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置，依靠单通道方法，实现利用钻杆向栓塞和试验段分别进行加压泄压的功能。
[0008]
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置，包括活塞组件、阀体、橡胶栓塞，活塞组件包括依次连接的卡位变径、活塞，阀体上设有中空腔体，阀体内自上而下设有膨胀输水通道、压裂输水通道和4道密封圈槽，限位套筒相接于阀体上方，内有贯通空间，可以限制卡位变径、活塞、钻杆的上下移动，卡位变径上方与钻杆相接，下方与活塞相接，卡位变径设置有过水通道；活塞内设置有与上方卡位变径相接的输水通道，输水通道下方设置有与其相接的均匀布置的水平方向的输水孔，活塞插入阀体内，可以停留在阀体内不同的位置，4道密封圈槽内安装密封圈，与活塞一起密封形成第一、二道密封圈起密封作用的上工位，第二、三道密封圈起密封作用的中工位和第三、四道密封圈起密封作用的下工位，膨胀输水通道上部设置有上下两个进水口，上进水口设置有进水单向阀，下进水口设置有泄压单向阀，初始状态时，进水单向阀对应上工位，泄压单向阀对应中工位，膨胀输水通道下部设置有旁通的带有排水单向阀的排水口；活塞的底部设置连接杆，冲着膨胀输水通道方向的连接杆的一侧面开有卡槽，卡槽中安装有通过扭簧控制只能向上翻转的水平凸出连接杆侧壁的开关拨片，在与开关拨片相对的阀体一侧下部开有安装槽，安装槽顶部与底部分别安装弹簧a和弹簧b，两个弹簧之间安装能上下移动的推拉板，冲着阀体内腔方向的推拉板上设置有上下2个楔形凹槽，推拉栓a水平设置在上部的凹槽中，推拉栓b水平设置在下部的凹槽中，安装槽上设置有带有2个小孔的侧板，安装弹簧的推拉栓a和安装弹簧的推拉栓b分别穿过侧板上的小孔与楔形凹槽配合在开关拨片外力的作用下仅可水平移动，推拉栓水平移动时推拉板在楔形凹槽的作用下上下移动，下部的推拉栓b尾部带有拨杆，拨杆穿过推拉板伸向阀体中的排水单向阀，拨杆水平移动时可打开或关闭排水单向阀。
[0009]
所述活塞上端到钻杆下端距离等于限位套筒上端厚度与进水单向阀到压裂输水管道进水口高度差之和。
[0010]
所述活塞下端到推拉栓a上端距离大于进水单向阀到压裂输水管道进水口高度差。
[0011]
所述连接杆下端到中空腔体下端距离大于进水单向阀到压裂输水管道进水口高度差。
[0012]
所述推拉栓a与推拉栓b中心距离小于进水单向阀到压裂输水管道进水口高度差。
[0013]
本发明的有益效果是：克服了现有设备的技术缺陷，实现了通过依靠装置自身的
提升及下落，完成对橡胶栓塞和试验段的加压及泄压。设备操作简单易于控制，密封圈保存完好，显著提高试验成功率；干孔或低水位钻孔内也可稳定开展试验。
附图说明
[0014]
图1为现有技术的水压致裂法地应力测试试验装置的连接结构示意图。
[0015]
图2为本发明的带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置的连接结构示意图。
[0016]
图3为开关拨片连接的示意图。
[0017]
图4为推拉开关结构的示意图。
[0018]
图5为本发明的试验装置使用的第一过程图。
[0019]
图6为本发明的试验装置使用的第二过程图。
[0020]
图中，0-1地面，0-2钻孔孔壁，1-1钻杆，1-2卡位变径，1-3输水管道， 1-4输水孔，1-5活塞，1-6连接杆，1-7开关拨片，1-8扭簧，2-1限位套筒，2-2 密封圈，2-3阀体，2-4排气孔，3-1进水单向阀，3-2泄压单向阀，3-3排水单向阀，3-4膨胀输水单向阀，3-5压裂输水通道，3-6排水口，3-7橡胶栓塞连接通道，4-1弹簧a，4-2弹簧b，4-3推拉栓a，4-4推拉栓b，4-5推拉板，5-1上橡胶栓塞，5-2下橡胶栓塞，5-3压裂钢管，5-4压裂孔，5-5封堵器。
具体实施方式
[0021]
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清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0023]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0024]
在阀体的上工位与中工位设置单向阀，并与膨胀输水通道相连，通过降低输水通道中的水压，活塞在上下移动的过程中，喷射出的低压水可减少因密封圈的破损导致的异常泄压。在膨胀输水通道中设置单向阀，并设计与其相应的推拉板装置，可控制单向阀的启闭功能，从而完成膨胀输水通道的保水与排水工作。
[0025]
如图2所示，本发明的带有加压泄压控制开关的水压致裂法地应力测试试验装置，包括活塞组件、阀体、橡胶栓塞，活塞组件包括依次连接的卡位变径1-2、活塞1-5，阀体2-3上设有中空腔体，阀体2-3内自上而下设有膨胀输水通道3-4、压裂输水通道3-5和4道密封
圈槽2-2，限位套筒2-1相接于阀体2-3上方，内有贯通空间，可以限制卡位变径1-2、活塞1-5、钻杆 1-1的上下移动，卡位变径1-2上方与钻杆1-1相接，下方与活塞1-5相接，卡位变径1-2设置有过水通道；活塞1-5内设置有与上方卡位变径相接的输水通道1-3，输水通道1-3下方设置有与其相接的均匀布置的水平方向的输水孔1-4，活塞1-5插入阀体2-3内，可以停留在阀体内不同的位置，4道密封圈槽2-2内安装密封圈，与活塞1-5一起密封形成第一、二道密封圈起密封作用的上工位，第二、三道密封圈起密封作用的中工位和第三、四道密封圈起密封作用的下工位，膨胀输水通道3-4上部设置有上下两个进水口，上进水口设置有进水单向阀3-1，下进水口设置有泄压单向阀3-2，初始状态时，进水单向阀3-1对应上工位，泄压单向阀3-2对应中工位，膨胀输水通道3-4 下部设置有旁通的带有排水单向阀3-3的排水口3-6；活塞1-5的底部设置连接杆1-6，冲着膨胀输水通道3-4方向的连接杆1-6的一侧面开有卡槽，卡槽中安装有通过扭簧1-8控制只能向上翻转的水平凸出连接杆1-6侧壁的开关拨片1-7，在与开关拨片1-7相对的阀体2-3一侧下部开有安装槽，安装槽顶部与底部分别安装弹簧a4-1和弹簧b4-2，两个弹簧之间安装能上下移动的推拉板4-5，冲着阀体2-3内腔方向的推拉板4-5上设置有上下2个楔形凹槽，推拉栓a4-3水平设置在上部的凹槽中，推拉栓b4-4水平设置在下部的凹槽中，安装槽上设置有带有2个小孔的侧板，安装弹簧的推拉栓a4-3 和安装弹簧的推拉栓b4-4分别穿过侧板上的小孔与楔形凹槽配合在开关拨片1-7外力的作用下仅可水平移动，推拉栓水平移动时推拉板4-5在楔形凹槽的作用下上下移动，下部的推拉栓b4-4尾部带有拨杆，拨杆穿过推拉板 4-5伸向阀体2-3中的排水单向阀3-3，拨杆水平移动时可打开或关闭排水单向阀3-3。
[0026]
所述活塞1-5上端到钻杆1-1下端距离等于限位套筒2-1上端厚度与进水单向阀3-1到压裂输水管道3-5进水口高度差之和。
[0027]
所述活塞1-5下端到推拉栓a4-3上端距离大于进水单向阀3-1到压裂输水管道3-5进水口高度差。
[0028]
所述连接杆1-6下端到中空腔体下端距离大于进水单向阀3-1到压裂输水管道3-5进水口高度差。
[0029]
所述推拉栓a4-3与推拉栓b4-4中心距离小于进水单向阀3-1到压裂输水管道3-5进水口高度差。
[0030]
如图5、6所示，当活塞1-5位于上工位(图5-a)，此时地面加压装置高压泵打出的高压流体通过钻杆1-1、卡位变径1-2内孔进入活塞1-5的输水通道，进水单向阀3-1左侧压力大于右侧，高压流体从进水单向阀3-1经膨胀输水通道 3-4，对上橡胶栓塞5-1和下橡胶栓塞5-2两个橡胶栓塞进行加压，封隔栓塞加压膨胀，岩体试验段钻孔完全封闭，地面加压装置高压泵停止加压，进水单向阀3-1关闭，上橡胶栓塞5-1和下橡胶栓塞5-2处于膨胀保压状态。
[0031]
当活塞1-5下移(图5-b)，开关拨片1-7逆时针旋转，不触发推拉栓a4-3。
[0032]
活塞1-5继续下移(图5-c)，开关拨片1-7逆时针旋转，不触发推拉栓b4-4。
[0033]
当活塞1-5下移到下工位(图5-d)，开关拨片1-7恢复自然状态。此时地面加压装置高压泵打出的高压流体通过钻杆1-1、卡位变径1-2内孔进入活塞1-5 的输水通道，从输水孔1-4经压裂输水通道3-5进入压裂钢管5-3，高压流体通过压裂孔5-4进入岩体试验段，完成对试验段的高压压裂试验。
[0034]
压裂试验完成后，活塞1-5上移(图6-a)，开关拨片1-7触发推拉栓b 4-4 水平向右侧移动，推拉板4-5向上移动。与此同时，弹簧a4-1收缩，弹簧b 4-2 拉伸，排水单向阀3-3打开，上橡胶栓塞5-1和下橡胶栓赛5-2中的高压水经排水单向阀3-3从排水口3-6排出。
[0035]
当活塞1-5继续上移到中工位过程中(图6-b)，推拉栓b4-4继续右移，推拉板4-5向上移动直至极限高度，向下移动，将推拉栓b4-4的卡扣卡在推拉板 4-5的卡槽中，弹簧a4-1和弹簧b4-2恢复自然状态，排水单向阀3-3进一步打开，橡胶栓塞中的高压水经排水单向阀3-3继续从排水口3-6排出，橡胶栓塞中压力随之减小。活塞1-5在中工位保持一段时间，当钻孔中无水或水位较低时，钻杆1-1内压力大于橡胶栓塞压力时，压力差大于泄压单向阀3-2开启压力时，泄压单向阀3-2打开，钻杆1-1内高压流体从泄压单向阀3-2经膨胀输水管道，最后从排水口3-6排出。钻杆1-1内部压力持续减小，直至钻杆1-1内压力与橡胶栓塞压力的差值不大于泄压单向阀3-2开启压力时，泄压单向阀3-2关闭。
[0036]
当活塞1-5继续上移到开关拨片1-7触发推拉栓a4-3(图6-c)，推拉栓a4-3 水平右移，弹簧a4-1压缩，弹簧b4-2拉伸，直至推拉板4-5上移至极限高度，推拉栓b4-4向左侧弹出，排水单向阀3-3关闭。
[0037]
当活塞1-5上移到上工位时(图6-d)，推拉栓a4-3水平向左弹出，推拉板4-5下移，弹簧a4-1和弹簧b4-2恢复原状，设备整体恢复至初始状态。
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最后上提或者下放钻杆继续其他深度岩体试验段测试。
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以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的发明范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的发明范围内。