[发明专利]基于裂隙观测的多段式分级降压注水的观测方法

摘要

本发明公开了基于裂隙观测的多段式分级降压注水的观测方法，所用装置包括测试探头、推进系统和控制系统。测试探头包括封堵器、分压总成和连通管，封堵器与钻孔之间形成注水空腔，分压总成安装在前部封堵器、中部封堵器的尾部，由初级转换器和二级转换器构成，将连通管内的高压水源分级转换至低压水源流入注水空腔内进行探测。封堵器包括漏水管、橡胶囊和接头，橡胶囊包绕在漏水管外部，通过紧固圈固定在接头两端，与漏水管之间形成封堵空腔。该测试装置利用同一外界水源实现封堵过程和探测过程在各自压力下工作，并使压力转换的稳定性，使封堵和侧漏系统一体化，解决推进过程中钻杆与软管绕线问题，同时能实现每次推进多段测量，提高测量效率。

主权项

1.一种基于裂隙观测的多段式分级降压注水的观测方法，其特征在于，所述的基于裂隙观测的多段式分级降压注水装置包括测试探头、推进系统和控制系统；所述的测试探头包括封堵器、分压总成(49)和连通管(28)，封堵器进一步包括前部封堵器(35)、中部封堵器(36)和尾部封堵器(37)，前部封堵器(35)、中部封堵器(36)、尾部封堵器(37)与钻孔(31)之间形成一号注水空腔(29)和二号注水空腔(34)；分压总成(49)安装在前部封堵器(35)、中部封堵器(36)的尾部，由初级转换器(6)和二级转换器(39)构成，将连通管(28)内的高压水源分级转换至低压水源流入一号注水空腔(29)和二号注水空腔(34)内进行探测；封堵器包括漏水管(3)、橡胶囊(5)和连接在漏水管(3)两端的系列接头，橡胶囊(5)包绕在漏水管(3)外部，通过紧固圈(24)固定在接头两端，与漏水管(3)之间形成封堵空腔(30)；所述的推进系统包括钻机(14)和钻杆(12)，钻杆(12)为空心杆，其内部可输送高压水源，与测试探头呈螺纹连接，钻机(14)通过钻杆(12)用以推进测试探头至钻孔指定区域；所述的控制系统包括控制操作台(38)，包括放水开关(15)、流量表(16、机械压力表(17)、电子压力表(19)和总控开关(18)，通过高压软管(13)与钻杆(12)连接，负责提供指定压力的外界水源，通过钻杆(12)流入测试探头；外界水源通过前部封堵器(35)、中部封堵器(36)和尾部封堵器(37)中漏水孔(25)进入封堵空腔(30)，起胀对应橡胶囊(5)分别与钻孔(31)之间形成一号注水空腔(29)和二号注水空腔(34)；所述的分压总成(49)左右两端分别与连通管(28)、接头二(4)呈螺纹连接，将连通管(28)中的高压水源依次经初级转换器(6)、二级转换器(39)分级转换至低压水源输送至注水空腔内；所述的初级转换器(6)开有一个中心通孔(32)和四个周边通孔(33)，四个周边通孔(33)对称分布于中心通孔(32)周围；所述的中心通孔(32)为阶梯孔，左端孔径小于右端孔径，周边通孔33侧壁开有侧漏孔(20)；所述的周边通孔(33)内依次安装有转换体(10)、内弹簧(9)和调节螺丝(8)，周边通孔(33)左侧内壁设置螺纹，与调节螺丝(8)相配合，使调节螺丝(8)在周边通孔(33)一定范围内旋转压缩内弹簧，控制转换体(10)的开启压力；所述的调节螺丝(8)侧壁开有六角通孔(21)，便于旋转调节螺丝(8)、且使反馈水压作用于转换体(10)左端面；所述的转换体(10)呈不等直径圆柱体，其左端面直径大于右端面直径，在不等直径圆柱过渡处即为密封锥面(26)，与周边通孔(33)内壁的密封锥面(26)相吻合，密封锥面(26)呈30°角；所述的转换体(10)内开有“L”形一号通水孔(29)，在靠近转换体(10)左端面的圆柱形外表面开有环形水槽(22)，一号通水孔(29)与环形水槽(22)相连通，在外界水源推动下，转换体(10)向左移动时，使环形水槽(22)与侧漏孔(20)相连通；所述的二级转换器(39)包括外环基体(40)、内环基体(41)、转换环(42)、外弹簧(47)和十字丝套(48)，外环基体(40)右端内壁设置有螺纹，套在初级转换器(6)右端的外壁上，与初级转换器(6)之间形成中继腔(50)；侧漏孔(20)、六角通孔(21)与中继腔(50)相连通；所述的内环基体(40)呈圆柱环状，其内壁设置有螺纹，包绕在连通管(28)外壁，外壁设置有四个凸台(46)，以限制转换环(42)的向左最大移动范围；内环基体(41)管壁内设置有集水槽(44)、分水孔(45)，分水孔(45)数量为4个，分别与集水槽(44)垂直相通，将集水槽(44)中的水分流排出；所述的转换环(42)位于外环基体(40)与内环基体(41)中间，沿内环基体(41)表面左右滑动；所述的转换环(42)内对应开有四个“L”形二号通水孔(43)，当转换环向左移动，二号通水孔(43)与集水槽(44)相连通，将中继腔(60)内的高压水源输送至集水槽(44)内，此时转换环(42)左端面恰与凸台(46)接触；转换环(42)左端面较右端面直径大，中间连接部位设置与外环基体(40)配合的密封锥面(26)；所述的外弹簧(47)位于转换环(42)和十字丝套(48)之间，其直径与转换环(42)左端面直径相等；所述的十字丝套(48)呈“十字形”，中间部位呈圆形，内壁设置螺纹，与内环基体(41)相配合，利用外部工具使十字丝套(48)在其上旋转，改变外弹簧(47)压缩程度以控制转换环(42)的开启压力；所述的初级转换器(6)工作原理：(1)当转换体(10)满足P中S体左+k内x≤P右S体右时，则转换体(10)向左移动，环形水槽(22)与侧漏孔(20)连通，向中继腔(50)内供水，实现初级降压；(2)当转换体(10)满足P中S体左+k内x≥P右S体右时，则转换体(10)向右移动，环形水槽(22)被周边通孔(33)内壁封闭，停止向中继腔(50)内供水；(3)若P右过大，为防止P右极端水压通过分压总成(49)对注水空腔部分的钻孔(31)内壁造成破坏，则在外界水源作用下，转换体(10)向左移动，直至环形水槽(22)移动到侧漏孔(20)的左端，与周边通孔(33)内壁形成再次封闭作用；其中，P中为中继腔(50)水源压力，为0.8～1MPa；P右为连通管(28)内供给水源压力，为1.5MPa，S体左为转换体(10)左端面面积，S体右为转换体(10)右端面面积，k内为内弹簧(9)的弹性系数，x为压缩量；所述的二级转换器(39)工作原理：(1)当转换环(42)满足P左S环左+k外x≤P中S环右时，则转换环(42)向左移动，二号通水孔(43)与集水槽(44)连通，通过分水孔(45)向注水空腔进行注水观测，实现二级降压；(2)当转换环(42)满足P左S环左+k外x≥P中S环右时，则转换体(42)向右移动，二号通水孔(43)被内环基体(41)外壁封闭，停止向注水空腔供水；其中，P左为注水空腔观测水源压力，为0.2～0.5MPa；P中为中继腔(50)水源压力，为0.8～1MPa，S环左为转换环(42)左端面过水面积，S环右为转换环(42)右端面过水面积，k外为外弹簧(47)的弹性系数，x为压缩量；所述的控制操作台(38)包括放水开关(15)、流量表(16)、机械压力表(17)、总控开关(18)和电子压力表(19)，放水开关(15)负责推进测试结束后将测试探头内压力水释放，使橡胶囊(5)与钻孔(31)脱离接触，便于钻机(14)推进测试探头；总控开关(18)负责外界水源的停供，流量表(16)负责检测外界水源向测试探头输入实时水量，机械压力表(17)与电子压力表(19)的示数相互对比检验，若大致相当，则表明压力有效；具体步骤如下：(1)施工钻孔(31)：按照预先设计的施工要求，利用钻机(14)在待测岩体(27)区域施工不同方位和倾角a的钻孔3～5个，钻孔(31)直径为89mm，长度为70m左右，并清理钻孔(31)内的碎屑；(2)安装设备：安装测试探头各部件，并依次连接钻机(14)、钻杆(12)、高压软管(13)及控制操作台(38)，然后利用钻机(14)将测试探头移送至钻孔(31)的初始位置；(3)密封检验：首先关闭控制操作台(38)的放水开关(15)，打开总控开关(18)，向测试探头提供检测水压，对橡胶囊(5)进行封堵密封性检验，若无明显漏水现象，则进行下一步操作，否则返回步骤(2)操作，检查各部件间的连接及安装情况，直至合格为止；(4)进行压水观测：密封检验合格后，进行压水试验，使测试探头处于初始位置，重新关闭控制操作台(38)上的放水开关(15)并打开总控开关(18)，向测试探头提供高压水源，经连通管(28)、漏水管(3)进入封堵空腔，起胀前部封堵器(35)、中部封堵器(36)和尾部封堵器(37)的橡胶囊(5)，分别与钻孔(31)形成一号注水空腔(29)和二号注水空腔(34)，调节外界水源压力逐渐升高至1.5MPa，此时仅一号注水空腔(29)压力的分水总成(49)开启，向一号注水空腔(29)内注水，待流量表示数稳定后，记录此时稳定时流量表的示数Qi1，继续升高外界水源压力至1.7MPa，此时由于压力升高致使一号注水空腔(29)的初级转换器(6)关闭，停止向一号注水空腔(29)供水，而二号注水空腔(34)的分压总成(49)开启，向二号注水空腔(34)内注水，待流量表示数稳定后，记录此时稳定时流量表的示数Qi2，并记录探测距离Li1和Li2；(5)卸压推进：关闭总控开关(18)，打开放水开关(15)，释放封堵空腔(30)压力，待橡胶囊(5)与钻孔(31)脱离接触后，关闭放水开关(15)，取另一钻杆(12)接长测试探头，利用钻机(14)推进测试探头至下一探测区域，重复步骤(4)操作，直至测完钻孔长度为止；(6)计算分析：根据钻孔(31)长度及对应观测孔段漏水量，分别绘制不同钻孔内流量分布图，分析钻孔长度范围内不同位置的裂隙发育特征和渗透特性，进一步结合不同方位的钻孔倾角a和累计连续漏水段长度Ln1+Ln2(n＝1+2+....+k)，计算得到不同空间范围岩体的破坏范围。