一种同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统及方法与流程

本发明涉及抽注水试验系统，属于岩土工程勘察技术领域，具体涉及一种同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统；同时，本发明还基于该同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统，公开了一种同径钻孔的顶压式分层抽注水试验方法。

背景技术：

钻孔分层抽水、注水试验是水文地质勘探、资源地质勘探、生产补充勘探、水源地地质勘探和工程地质勘探必须的工程，而同一钻孔多个含水层的抽水试验又是上述勘探工程中最为常见的试验工程。

传统的同一钻孔分层抽水、注水试验方法主要由以下两种：1、采用不同钻孔孔径变径处套管进行止水后进行试验，该方法在涉及多次分层抽水试验时需多次变径，需要较大的孔径开孔，成本较高，费时费力，且需要钻进至试验层位停止钻进，对含水层厚度控制可操作性较差，另外该方法经过试验验证止水效果并不十分可靠。2、采用大口径钻孔中配制小一级套管，管脚缠海带、粘土等止水材料止水后进行试验，该方法需要大一级孔径施工，钻探成果虽较高，但需要钻进一段试验一段，同样对含水层厚度控制可操作性较差，且在中深部水压较大的情况下止水不可靠。3、

除以上两种方法外，目前市面上使用的设备还有专门分层抽水系统，但该系统价格昂贵，有多个配套设备，有些需专门加工，使用不便，综合成本较高，系统整体价格都是极为昂贵的，且无法兼做注水试验。

技术实现要素：

基于以上技术问题，本发明提供了一种同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统,从而解决了现有技术系统成本高、结构复杂、使用工艺繁琐、可操作性和止水效果差的技术问题。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统，包括顺次连接的套管组件、上止水组件及下止水组件，所述套管组件内设置有水泵和测压管，水泵连接有出回水管路系统；所述上止水组件和下止水组件均包括伸缩进水管，伸缩进水管外壁设置有至少一个橡皮球止水塞，橡皮球止水塞可随伸缩进水管的伸缩而收缩或挤压膨胀，所述上止水组件和下止水组件的伸缩进水管相互连通，所述上止水组件的伸缩进水管与所述套管组件内的水泵连通。

优选的，所述伸缩进水管包括可伸缩的活动中空管及连通在活动中空管一端的进水管，所述橡皮球止水塞设置在活动中空管的伸缩处，所述上止水组件和下止水组件的进水管相互连通，所述上止水组件的活动中空管另一端与所述套管组件内的水泵连通。

优选的，所述进水管为花管。

优选的，所述下止水组件的活动中空管另一端还连接有托盘。

优选的，所述活动中空管的长度大于1m，所述橡皮球止水塞的长度应大于活动中空管收缩后的长度且小于活动中空管拉伸后的长度。

优选的，所述套管组件包括与上止水组件的活动中空管连通的内套管及套设在内套管外部的外套管，外套管固定在钻孔孔壁内，所述水泵和测压管均设置在内套管内。

优选的，所述水泵与回水管路系统之间、和/或上止水组件和下止水组件的进水管之间、和/或下止水组件的活动中空管另一端还连接有钻杆，所述下止水组件的活动中空管另一端连接的钻杆底部封口。

优选的，所述出回水管路系统包括与水泵连通的出水管，出水管上设置有出水控制阀和水表，所述出水管还连通有回水管，回水管上设置有回水控制阀，所述回水管的端口伸入内套管内部。

优选的，所述内套管的直径比钻孔孔径小5-20mm。

优选的，所述水泵还通过电路线连接有稳压器，稳压器连接有电源。

优选的，所述橡皮球止水塞的直径比钻孔孔径小5-25mm。

优选的，所述橡皮球止水塞的总长度为钻孔孔径的5~10倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明结构简单，无需特殊设备和特殊操作即可使用，操作简便，可反复使用，系统成本低。

2、本发明可一次性成孔后再根据需要试验的地层进行分层试验，对试验段顶底板位置控制精准，节省了多次分段试验反复洗孔、安装等重复的工作，简化了使用流程和减少了工时。

3、本发明采用机械顶压式橡皮球膨大止水方式进行止水，止水效果好、可靠性高，止水响应时间短，可做到即时止水，可有效解决传统止水材料需等待一定时间膨大的技术缺陷。

4、本发明可用于注水或者抽水试验，如水量过小无法进行抽水试验时可直接改为注水试验，无需重新安装设备，简单方便。

5、本发明可用于基岩分层抽水或注水试验，将上止水组件和下止水组件之间的钻杆替换为花管后即可进行松散层承压水的抽水或注水试验，适用性广。

同时，本发明还基于上述同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统，提供了同径钻孔的顶压式分层抽注水试验方法，该方法包括以下步骤：

1）成孔

利用钻探设备钻孔成型，钻孔开孔孔径比试验段孔径大一到两级，然后下入外套管，使试验段变径全部完成钻孔或分阶段完成钻孔，试验段孔径不小于133mm；

2）洗孔

钻孔后完成后洗孔，对孔内泥浆进行清洗，并保证孔壁顺直；

3）下止水设备

测量试验段的深度位置，确定钻杆长度，按照钻杆、下止水组件、钻杆、上止水组件、内套管的顺序依次下孔，下止水组件下端的钻杆底部端口进行堵塞处理，钻杆、下止水组件、钻杆、上止水组件及内套管的连接处进行密封处理，下孔完成后将外套管固定在内套管外侧的孔壁上。

4）止水

利用加压设备抵住套在内套管口上的夹板并下压，活动中空管受压收缩缩短，挤压橡皮球止水件变形膨胀，将钻孔封堵实现分层止水，止水完成后采用水位差法进行止水检查。

5）注水试验

止水完成后，如果需要，可直接在内套管内进行降水头或常水头注水试验；

6）配套设备安装

抽水试验时，将水泵用钻杆连接后下入内套管内，测压管固定在钻杆上同步下入内套管底部，水泵的电路线连接供电设备。

7）抽水试验

开启水泵抽水进行试验段抽水试验的试抽和正式抽水，抽水试验完成后进行水位恢复观测；

8）分层抽注水试验

待试验段抽水试验完成后，重复步骤3）-步骤7），对下一试验段进行抽注水试验，如此即可完成不同深度段位的试验段抽注水试验。

在骤3）中，当试验段为松散层时，将下止水组件和上止水组件之间的钻杆采用护壁花管代替。

在步骤7）中，抽水过程中采用出水控制阀和回水控制阀反复调节控制水泵出水量以控制水位降深，并在测压管内设置万用表进行测量。

本方法可一次性成孔后再根据实际需要进行多次分层试验，可节省多次分段试验反复洗孔的步骤、简化了操作流程，节约了工期，可操作性高，流程简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，图中a区域和c区域分别表示相对隔水层，b区域表示试验层（含水层），其中系统地面部分未示出；

图2是上止水组件的结构示意图；

图3是图2中a-a面的剖视图；

图4是图2中b-b面的剖视图；

图5是下止水组件的结构示意图；

图6是本发明地面部分的结构示意图；

图中的标记分别表示为：1、测压管；2、钻杆；3、电路线；4、钻杆接口或钻杆接手；5、内套管；6、水泵；7、变径接口；8、橡皮球止水塞；9、活动中空管；9a、活动外管;9b、活动内管;9c、内管防脱环;9d、外管防脱环;10、进水管；11、变径头接口；12、托盘；13、回水管；14、加压设备；15、回水控制阀；16、出水控制阀；17、出水管；18、水表；19、外套管；20、稳压器；21、电源。

具体实施方式

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“两端”、“之间”、“中部”、“下部”、“上端”、“下端”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。

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“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。

图1是本发明的结构示意图，图中a区域相对隔水层，b区域表示试验层（含水层），其中系统地面部分未示出；图2是上止水组件的结构示意图；图3是图2中a-a面的剖视图；图4是图2中b-b面的剖视图；图5是下止水组件的结构示意图；图6是本发明地面部分的结构示意图。

如图1-图6所示的同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统，该系统至少包括顺次连接的套管组件、上止水组件及下止水组件；

在抽注水系统中，套管组件作为系统的第一个核心结构，用于系统整体结构支撑、与外部加压设备连接受压及作为注水试验部分，位于钻孔的上端位置，其内设置有抽水的水泵6，水泵6连接有出回水管路系统，水泵6抽出的水通过出回水管路系统排出进行抽水试验、调节出水量或控制孔内水位降深等。同时，套管组件内还设置有测压管1，测压管1底部伸入套管组件内部并开口，用于对套管组件内进行水位测量，测压管1可连接水位测量设备如万用表、水位传感器等进行水位测量，测压管1可以是pvc管，也可以是花管。

在一些实施例中，水泵6作为提水的机具，可以采用离心泵、喷射泵、深井泵、潜水泵、深井拉杆泵等机具，可根据需要选择，水泵6可以是具有变频功能的变频水泵，用于改变抽水功率，调节抽水量。

在一些实施例中，出回水管路系统包括与水泵6连通的出水管17，出水管17上设置有出水控制阀16和水表18，出水管17还连通有回水管13，回水管13上设置有回水控制阀15，回水管13的端口伸入套管组件内部。水泵6抽出的水通过出水管17排出以进行抽水试验，出水控制阀16和水表18可控制和检测出水量，回水控制阀15可控制回水量。

具体的，套管组件包括内套管5及套设在内套管5外部的外套管19，外套管19固定在钻孔孔壁内，水泵6和测压管1均设置在内套管5内。由于钻孔孔径一般不小于133mm(一般为133mm或150mm),因此为了方便水泵6安装，内套管5的管径略小于钻孔孔径，内套管5管径应不小于127mm；具体的，内套管5的直径比钻孔孔径小5-20mm；而外套管19管径应大于内套管51-2级，并大于钻孔孔径，一般外套管19尺寸为168mm。内套管5的下端可设置变径接口7，上止水组件上部可设置与变径接口匹配的插口，内套管5和上止水组件通过变径接口7和插口相匹配而实现连通，形成抽水通道，内套管5和外套管19之间相互隔离，二者之间直径差形成的区域可作为水位观测区域，可通过观测测压管1内水位观测内外套管之间的水位变化。内套管5和外套管19的结构设计，其主要作用是止水后可测量内外套管之间和内套管5内的水位差以检查止水效果，具体操作可以是：止水完成后采用水位差法进行止水检查，即往内套管5注水至孔口，保持水位约20-40min左右，然后观测外套管19和内套管5之间的水位是否上升，如水位不变，则止水完全，止水是成功的，如水位上升，则说明止水失效或效果差，则止水不成功。内套管5和外套管19均可采用金属材料如铸铁等金属材料制成，一般可采用钻探配套的套管。在一些实施例中，回水管13的端口伸入内套管5内部。

在一些实施例中，水泵6与回水管路系统之间还连接有钻杆2。当钻孔深度较深，内套管5长度较长时，为了保证水泵6与回水管路系统的有效连接，并保证回水管路系统能处于地面位置，可在水泵6与回水管路系统之间连接钻杆2以延长回水管路系统与水泵6之间的管道长度。具体的，水泵6与回水管路系统的出水管17之间连接所述钻杆2。在一些实施例中，可在水泵6和出水管17的连接处管口位置设置钻杆接口或钻杆接手4，钻杆2通过钻杆接口或钻杆接手4与水泵6和出水管17实现连通。

在一些实施例中，水泵6还通过电路线3连接有稳压器20，稳压器20连接有电源21。电源21为水泵提供电能，可以是蓄电池、发电机等；稳压器3用于稳定电源21输出的电流。在一些实施例中，水泵6可以是变频水泵，从而可以调节抽水量。在一些实施例中，当水泵6为变频水泵时，水泵6还通过电路线3还连接有变频水泵控制柜，变频水泵控制柜则与稳压器20电连接，从而可以通过变频水泵控制柜很好的调节变频水泵频率，实现抽水量的智能调节。

在抽注水系统中，上止水组件和下止水组件作为系统止水的两个核心结构，分别用于试验段上部止水和下部止水，上止水组件和下止水组件均包括有一伸缩进水管，伸缩进水管是具有可伸缩结构的通水管，如伸缩钻杆、活动中空管等，伸缩进水管外壁可通过固定、粘接、铆接、扣接、套接等方式连接至少一个橡皮球止水塞8，橡皮球止水塞8为可形变结构，最好采用加强橡皮制成以实现光滑、耐磨、弹性足、强度高、耐腐蚀等的需求，加强橡皮可采用（1000、1100）丹尼尔聚酯纤维织物、聚氯乙烯（pvc）、聚乙烯（pe）等材料制成，当材料不是聚氯乙烯（pvc）时，还可在加强橡皮表面镀聚氯乙烯（pe）保护层，以加强耐磨性和抗腐蚀性，当伸缩进水管伸长时，橡皮球止水塞8在没有外力作用下，橡皮球止水塞8为原始状态或部分收缩，其直径略小于孔径，当伸缩进水管缩短时，橡皮球止水塞8受力挤压膨胀，膨胀后直接略大于孔径，从而可以将橡皮球止水塞8所在位置的孔径封闭，进而将橡皮球止水塞8上下两端的孔径封闭；具体的，橡皮球止水塞8原始状态的直径比钻孔孔径小5-25mm。上止水组件的伸缩进水管上端与套管组件也即在一些实施例中的内套管5组件连通，上止水组件的伸缩进水管与水泵6即相互连通形成进水通道，而上止水组件和下止水组件则通过彼此的伸缩进水管相互连接，构成位于试验段上下部位的止水结构。在一些实施例中，橡皮球止水塞8设置有5-8个，可根据试验段顶底板裂隙发育程度进行适当选择。具体的，橡皮球止水塞8设置有6个。在一些实施例中，橡皮球止水塞的总长度为钻孔孔径的5~10倍，以保证止水可靠。具体的，橡皮球止水塞的总长度为钻孔孔径的8倍。

具体的，上止水组件（下止水组件）的伸缩进水管包括可伸缩的活动中空管9及连通在活动中空管9一端的进水管10。活动中空管9是具有可伸缩结构的中空管，包括一个活动外管9a和活动内管9b，活动内管9b一端伸入活动外管9a内一定长度，活动内管9b可沿伸入端在活动外管9a内平移，从而改变活动外管9a和活动内管9b的整体长度，实现同轴套接的伸缩结构。具体的，活动内管9b伸入活动外管9a的一端外侧设置有一圈内管防脱环9c，活动外管9a用于伸入活动内管9b的一端内侧设置有外管防脱环9d，活动外管9a和活动内管9b相对平移时，内管防脱环9c和外管防脱环9d相互限位，从而保证活动外管9a和活动内管9b不脱离，实现安全伸缩。进水管10则连通在活动中空管9也即活动内管9b下端，其主要用于进水管路使用，保证试验段地下水能从进水管10进入活动中空管9并进入水泵6所在的套管组件内。在上述活动中空管9的结构基础上，橡皮球止水塞8设置在活动中空管9的伸缩处，也即在一些实施例中的活动外管9a和活动内管9b的套接处，从而活动中空管9在伸缩时，橡皮球止水塞8能够即时缩涨，减少橡皮球止水塞8响应时间，做到快速止水的目的。在上述活动中空管9的结构基础上，上止水组件和下止水组件的进水管10相互连通，从而可以增加系统整体的进水量，上止水组件的活动中空管9也即活动外管9a则与水泵6也即在一些实施例中的内套管5相互连通。在一些实施例中，活动中空管9的长度应略长于橡皮球止水塞8的总长度（也即橡皮球止水塞8位于钻孔内的总深度），一般活动中空管8的长度至少大于1m，从而在活动中空管9伸缩时可快速挤压橡皮球止水塞8膨胀，减少橡皮球止水塞8止水响应时间。

在一些实施例中，进水管10可以是花管或护壁花管，保证进水量和对孔壁的保护。

在一些实施例中，上止水组件和下止水组件的进水管10之间、和/或下止水组件的活动中空管9与进水管10连通的另一端也即图1中的下端同样连接有钻杆2。上止水组件和下止水组件的进水管10之间的钻杆2用于增大上止水组件和下止水组件的间距，保证试验段能完全位于上止水组件和下止水组件之间形成隔离，上止水组件和下止水组件连接钻杆2的一端均可设置变径头接口11用于与钻杆2连接。下止水组件的活动中空管9与进水管10连通的另一端连接的钻杆2则用于稳定和支撑整个系统，其下端用于支撑在钻孔孔底形成支撑件。必要的，下止水组件的活动中空管9连接的钻杆2下端应该封口处理，避免该钻杆2连通下止水组件上下两端的试验层（含水层）。在一些实施例中，下止水组件的活动中空管9连接的钻杆2也可以采用封口管或实心管代替。在一些实施例中，上止水组件和下止水组件的进水管10之间、和/或下止水组件的活动中空管9与进水管10连通的另一端连接的钻杆2，与水泵6与回水管路系统之间连接的钻杆2均可采用同一结构的钻杆使用。在一些实施例中，当试验段为松散层时，上止水组件和下止水组件的进水管9之间的钻杆2可采用护壁花管代替以对松散层进行护壁。

在一些实施例中，下止水组件的活动中空管9与进水管10连通的另一端也即图1中的下端还连接有托盘12。托盘12为圆盘形结构，可采用不锈钢、合金钢金属材料制成，主要用于增加下止水组件的下部重量，保证系统下孔后整体的稳定性，同时托盘12作为下止水组件的橡皮球止水塞8的支撑件，对其（挤压时）进行支撑。在一些实施例中，托盘12下端用同样可设置变径头接口11，用于与下端的钻杆2连接。

在一些实施例中，内套管5上端的管口位置外侧还夹持有夹板，夹板上端设置有加压设备14。加压设备14可抵住夹板下压从而将内套管5下压，内套管5下压则挤压伸缩进水管也即在一些实施例中的活动中空管9伸缩，进而挤压橡皮球止水塞8膨胀进行止水，实现顶压式止水方式。在一些实施例中，加压设备14可以是钻机。

以上即为本发明关于同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统的所有实施例内容，本系统使用时，按照上述内容将下止水组件、上止水组件及套管组件依次下孔并连接，下孔后，下止水组件和上止水组件之间的含水层即为试验段，也即图1中的b区域，下止水组件位于试验段下端的相对隔水层内，也即图1中的c区域，上止水组件位于试验段上端的相对隔水层内，也即图1中的a区域。套管组件位于位于上止水组件的上端孔口位置，通过外部加压设备挤压伸缩进水管，进而将橡皮球止水塞挤压膨胀，下止水组件和上止水组件即将试验段上下两端的相对隔水层隔开，进而可进行抽注水试验。抽水试验抽水时，开启水泵，试验段地下水通过上止水组件、套管组件的内套管被水泵吸附至出回水系统排出即可试验，注水时，直接向内套管内注水或回水即可。

本系统基于以上技术特点，系统整体结构简单、配件少，相比于现有技术系统或设备而言，成本降低了60%~80%,且达到的效果还略优于现有技术系统或设备，大大降低了系统成本，并且可一次性成孔后再根据需要试验的地层进行分层试验，对试验段顶底板位置控制精准，节省多次分段试验反复洗孔、安装等重复的工作，简化使用流程和减少工时，止水采用机械顶压式橡皮球膨大止水方式进行止水，止水效果好、可靠性高，止水响应时间短，可做到即时止水，可有效解决传统止水材料需等待一定时间膨大的技术缺陷；当使用过程中，如水量过小无法进行抽水试验时可直接改为注水试验，无需重新安装设备，简单方便；本发明还可适用于松散层分层抽水或注水试验，只需将上止水组件和下止水组件之间的钻杆替换为花管后即可进行松散层承压水的抽水或注水试验，适用性广。

为了本系统更好的实施和使用，本发明还基于上述同径钻孔的顶压式分层抽注水试验系统，提出了一种全新的同径钻孔的顶压式分层抽注水试验方法，该方法包括以下步骤：

1）成孔

利用钻探设备钻孔成型，钻孔开孔孔径比试验段孔径大一到两级，然后下入外套管，使试验段变径全部完成钻孔或分阶段完成钻孔；本步骤中，一般试验段孔径大于133mm，以便上止水组件和下止水组件能够无障碍下孔，钻孔开孔直径一般为标准孔径，如150mm或172mm。

2）洗孔

钻孔后完成后洗孔，对孔内泥浆进行清洗，并保证孔壁顺直；洗孔可采用长钻具进行洗孔，对不光滑或不顺直孔壁进行平整，保证孔壁顺直光滑和孔壁孔斜不止多大，保证设备下孔顺利。

3）下止水设备

测量试验段的深度位置，确定钻杆长度，按照钻杆、下止水组件、钻杆、上止水组件、内套管的顺序依次下孔，下止水组件下端的钻杆底部端口进行堵塞处理，钻杆、下止水组件、钻杆、上止水组件及内套管的连接处进行密封处理。本步骤中，下止水组件下端、下止水组件和上止水组件之间的钻杆可根据孔深和试验段深度选择使用，部分钻孔可选择不加钻杆，各个组件连接处均进行密封处理，如使用生胶带、止水胶带、止水胶等进行密封，保证连接处不漏水即可。

4）止水

利用加压设备抵住套在内套管口上的夹板并下压，活动中空管受压收缩缩短，挤压橡皮球止水件变形膨胀，将钻孔封堵实现分层止水，止水完成后采用水位差法进行止水检查。。本步骤中，止水检查即往内套管注水至孔口，保持水位保持约20-40min左右，然后观测外套管和内套管之间的水位是否上升，如水位不上升，则证明止水效果良好。需要注意的是，如果内套管深度较大，下止水组件和上止水组件在内套管的自重压力下有可能挤压橡皮球止水件膨胀止水，止水效果需检查确定。

5）注水试验

止水完成后，如果需要，可直接在内套管内进行降水头或常水头注水试验；

6）配套设备安装

抽水试验时，将水泵用钻杆连接后下入内套管内，测压管固定在钻杆上同步下入内套管底部，水泵的电路线连接供电设备；

7）抽水试验

开启水泵抽水进行试验段抽水试验，抽水试验完成后进行水位恢复观测；本步骤中，可采用出水控制阀和回水控制阀反复调节控制水泵的出水量，以此来达到控制水位降深的目的，水位则可通过设置在测压管内的万用表、水位传感器等进行测量。

8）分层抽注水试验

待试验段抽水试验完成后，重复步骤3）-步骤7），对下一试验段进行抽注水试验，如此即可完成不同深度段位的试验段抽注水试验。也即该段试验完成后将设备提起，然后按照上述步骤3）-步骤7），重新确定下一段试验段的位置，确定好需要下入钻杆的长度，重新安装后下孔。

本方法在步骤3）中，当试验段为松散层时，可将下止水组件和上止水组件之间的钻杆采用护壁花管代替。护壁花管可对松散层钻孔进行护壁，可保证试验段的稳定。

本方法在使用过程中，当进行分层抽水或注水试验时，也可以钻进至某个试验层位后停止钻进，即可开始抽注水试验，此时只需保留上止水组件即可，下止水组件可直接取消不用，必要时，当取消下止水组件后，可直接使用钻杆连接上止水组件代替即可。

本方法可一次性成孔后再根据实际需要进行多次分层试验，可节省多次分段试验反复洗孔装等重复的工作，简化了操作流程，节约了工期，可操作性高。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。