水压致裂测试系统及测试方法与流程

本发明涉及煤矿开采技术领域，特别是指煤矿开采时用于探测地应力的水压致裂测试系统及测试方法。

背景技术：

煤矿开采中，地应力是引起煤矿工程围岩、支护变形和破坏、产生矿井动力现象的根本作用力。在煤矿开采时，要根据工程所处的不同构造部位和工程地质条件，掌握岩体应力状态的类型和地壳应力作用的特征，才能合理有效地采取预防矿井动力现象的技术措施，确保巷道的相对稳定和生产的安全。目前，水压致裂装置主要针对石油领域和煤层气开发领域，应用于煤矿开采时，面对大型岩样，单次试验操作繁琐、时间长、成本高，且由于其结构的限制，非常容易发生漏液现象，导致测试失败。因此，急需对其进行改进。

技术实现要素：

为解决以上现有技术的不足，本发明提出了一种水压致裂测试系统及测试方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种水压致裂测试系统，包括：数据采集器、高压泵、流量计、储能器、压力传感、高压管和致裂件，致裂件通过其底部的安装架安装于巷道顶板上，高压管的一端与储能器连接，储能器通过压力传感器和数据采集器连接，储能器与高压泵通过管路连接且流量计设于该管路上；

致裂件包括封隔器、中心杆、钻杆、活动柱塞和外筒，活动柱塞设于外筒内由上端伸出连接于钻杆下端，活动柱塞内孔与钻杆内孔连通进水，中心杆连接于外筒下方且外套封隔器；活动柱塞在外筒的柱塞滑动腔内设有上、中、下三个工位，活动柱塞位于上工位时，活动柱塞内孔通过外筒内的封隔通道连接封隔器内腔；活动柱塞位于中工位时，活动柱塞内孔连接外筒上的泄水孔；活动柱塞位于下工位时，活动柱塞内孔通过外筒内的压裂通道连接中心杆内孔，中心杆内孔通过出水口连通压裂段，压裂通道包括竖直设置的第一压裂通道和第二压裂通道，第一压裂通道和第二压裂通道之间通过圆弧段过渡且第二压裂通道口径小于第一压裂通道口径；

高压管的另一端伸入活动柱塞内孔，活动柱塞通过固定螺母固定于钻杆上端，钻杆下端设有安装架。

优选的，外筒的柱塞滑动腔两端分别设有第一排气孔和第二排气孔，封隔通道通过高压胶管连接封隔器内腔。

更为优选的，上、中、下三个所述工位间与上下两端分别设有密封圈。

最为优选的，安装架包括至少两个固定板，固定板通过一连接环套设于钻杆下端外周，固定板上设有若干个固定孔。

本发明还提出一种水压致裂测试方法，将上述水压致裂测试系统的致裂件伸入打好的钻孔内并通过安装架固定于巷道顶板上，之后采用通过高压泵和储能器注入高压水，对封隔器之间的岩孔进行高压注水，直到围岩压裂，关闭高压泵使裂纹闭合，然后用数据采集器采集数据，分析和计算后即可得到最大水平主应力和最小水平主应力大小，压裂方向即为水平主应力方向。

与现有技术相比，本发明采用单回路结构，借助独立的钻杆对封隔器和压裂段分别加压，整个加压系统密封性好、不会漏液，单次试验操作简单、时间短、成本低，测试成功率高且效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中致裂件的结构示意图。

图中：

1、数据采集器；2、高压泵；3、流量计；4、储能器；5、压力传感器；6、安装架；7、高压管；8、巷道顶板；9、致裂件；91、封隔器；911、封隔通道；92、出水口；921、第一压裂通道；922、第二压裂通道；93、中心杆；94、高压胶管；95、钻杆；951、固定螺母；96、活动柱塞；961、第一密封圈；962、第二密封圈；963、第三密封圈；964、第四密封圈；97、外筒；971、第二排气孔；98、泄水孔；99、第一排气孔。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1和图2共同所示：一种水压致裂测试系统，包括：数据采集器1、高压泵2、流量计3、储能器4、压力传感器5、高压管7和致裂件9，致裂件9通过其底部的安装架6安装于巷道顶板8上，高压管7的一端与储能器4连接，储能器4通过压力传感器5和数据采集器1连接，储能器4与高压泵2通过管路连接且流量计3设于该管路上；

致裂件9包括封隔器91、中心杆93、钻杆95、活动柱塞96和外筒97，活动柱塞96设于外筒7内由上端伸出连接于钻杆95下端，活动柱塞96内孔与钻杆95内孔连通进水，中心杆93连接于外筒97下方且外套封隔器91；活动柱塞96在外筒97的柱塞滑动腔内设有上、中、下三个工位，活动柱塞96位于上工位时，活动柱塞96内孔通过外筒97内的封隔通道911连接封隔器91内腔；活动柱塞96位于中工位时，活动柱塞96内孔连接外筒97上的泄水孔98；活动柱塞96位于下工位时，活动柱塞96内孔通过外筒7内的压裂通道连接中心杆93内孔，中心杆93内孔通过出水口92连通压裂段，压裂通道包括竖直设置的第一压裂通道921和第二压裂通道922，第一压裂通道921和第二压裂通道922之间通过圆弧段过渡且第二压裂通道922口径小于第一压裂通道921口径；

高压管7的另一端伸入活动柱塞96内孔，活动柱塞96通过固定螺母951固定于钻杆95上端，钻杆95下端设有安装架6。

将上述水压致裂测试系统的致裂件9伸入打好的钻孔内并通过安装架6固定于巷道顶板8上，之后采用通过高压泵2和储能器4注入高压水，对封隔器91之间的岩孔进行高压注水，直到围岩压裂，具体过程为：活动柱塞96在柱塞滑动腔上端，活动柱塞96位于上工位，活动柱塞96内孔通过外筒97内的封隔通道911连接封隔器91内腔，封隔通道911通过高压胶管94连接封隔器91内腔；钻杆95内的高压水通过活动柱塞96的内孔经过外筒97内封隔通道911的导流孔由高压胶管94注入封隔器91中，实现对封隔器91的加压；采用上下两段式，封隔器91膨胀将该段孔封隔出一段压裂段；当活动柱塞96在柱塞滑动腔中部，活动柱塞96位于中工位，活动柱塞96内孔连接外筒97上的泄水孔98；钻杆95内的高压水通过活动柱塞96的内孔与泄水孔98连通，实现排出钻杆95内的水；活动柱塞96在柱塞滑动腔下端，活动柱塞96位于下工位，活动柱塞96内孔通过外筒97内的压裂通道连接中心杆93内孔，中心杆93内孔通过出水口92连通压裂段。94钻杆95内的高压水通过活动柱塞96的内孔经过外筒97内的压裂通道的导流孔注入到中心杆93内孔，再经过出水口92注入压裂段中，实现对压裂段的加压压裂。由于第一压裂通道921和第二压裂通道922之间通过圆弧段过渡且第二压裂通道922口径小于第一压裂通道921口径，因此高压水在柱塞滑动腔中经过再次加速后进入压裂段，因此压裂时间短，有助于提高测试效率。在此过程中，通过压力传感器5测量注水压力的变化过程得到压裂裂缝的破裂压裂、重张压力和关闭压力，进而得到测量深度段水平最大和最小主应力的量值。之后，关闭高压泵2使裂纹闭合，然后用数据采集器1采集数据，分析和计算后即可得到最大水平主应力和最小水平主应力大小，压裂方向即为水平主应力方向。

作为一种优选的技术方案，本发明的又一实施例，外筒97的柱塞滑动腔两端分别设有第一排气孔99和第二排气孔971，封隔通道911通过高压胶管94连接封隔器91内腔。第一排气孔99和第二排气孔971的设置可以保证活动柱塞96上下移动灵活，及时排出柱塞滑动腔盲端的气体。

作为一种优选的技术方案，本发明的又一实施例，上、中、下三个工位间与上下两端分别设有密封圈，包括：第一密封圈961、第二密封圈962、第三密封圈963、第四密封圈964，各个密封圈的设置保证了柱塞滑动腔的密封性，进一步提高了致裂效率。

作为一种优选的技术方案，本发明的又一实施例，安装架6包括至少两个固定板，固定板通过一连接环套设于钻杆95下端外周，固定板上设有若干个固定孔。固定板与连接环固定连接，连接环套设于95下端的外周上，该外周上设有用于搁置连接环的凹槽，之后通过固定件将固定板与巷道顶板8固定连接，实现了致裂件9的固定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。