CN106932041B - 一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压水流量测量技术领域，具体涉及一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法。本发明装置包括潜水泵回水管阀门、压水压力控制阀门、压力表、高压胶管、流量计前控制阀门、流量计、流量计后控制阀门、压水试验用钻杆、耐高压密封容器、电子天平、潜水泵，本发明方法为在本发明装置基础上的压水试验。本发明能够解决现有的流量测量系统精度不高和无法同时测量多个数量级的流量的问题。

Description

一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法

技术领域

本发明属于压水流量测量技术领域，具体涉及一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法。

背景技术

放射性废物地质处置、CO₂地质封存、石油战略储备等多选择低渗透性岩体作为场址预先地下工程研究领域，裂隙岩体的渗透性特征研究是处置库选址和性能评价的关键科学问题之一。渗透系数是描述裂隙岩体渗透性的重要参数，通常通过压水试验的方法获得，而压水过程中的稳定流量是计算渗透系数的重要参数之一。因此，如何准确、高精度的测量压水试验过程中的极低流量，对准确计算渗透系数进而描述渗透性特征等具有重要意义。

目前国内外压水试验流量的测量主要通过机械流量表和电磁流量计，但是这两种流量计均存在一定使用限制：1)机械流量表的流量通过一定时间内的过水体积来推算，在体积记录过程中，需要对指针位置进行估读，人为增大了误差；2)单个电磁流量计受其量程和精度的影响，对超量程或超精度范围的流量无法测量；3)虽然可通过记录电磁流量计显示的体积值的变化来推导某一阶段内平均流量，但由于此种方法受流量计精度限制，在同一观测时间内，可获得的有效数据较少，不能完整的反映压水过程中流量的变化情况，而流量的变化情况可以描述渗流性质(稳定流/非稳定流)；4)在深钻孔压水试验的现场操作中，特别是裂隙介质钻孔压水试验中，由于渗透系数的非均质性，不同试验段之间压水流量的差别可能较大，甚至相差上百倍，现场试验过程中频繁更换不同量程的流量计会导致效率的大大降低。现有流量测量精度和方式的缺陷，限制了压水试验的效率和高精度渗透系数的求得。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法，能够解决现有的流量测量系统精度不高和无法同时测量多个数量级的流量的问题。

本发明采用如下技术方案：

一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置，包括潜水泵回水管阀门、压水压力控制阀门、压力表、高压胶管、流量计前控制阀门一、流量计一、流量计后控制阀门一、流量计前控制阀门二、流量计二、流量计后控制阀门二、流量计前控制阀门三、流量计三、流量计后控制阀门三、流量计总控阀门一、流量计总控阀门二、三级电磁流量计保护阀门、压水试验用钻杆、止水栓塞、高压氮气源、减压阀一、控制阀门、尼龙管一、气体输入控制阀门一、气体输入控制阀门二、尼龙管二、减压阀二、气体压力控制阀门、内气体压力表、水流输出控制阀门、内输水管、耐高压密封容器、电子天平、尼龙管三、气体压力控制板、气体输出控制阀、潜水泵，潜水泵通过高压胶管与压水试验用钻杆连接，靠近潜水泵的高压胶管上依次设有潜水泵回水管阀门、压水压力控制阀门、压力表、流量计前控制阀门一、流量计一、流量计后控制阀门一；在流量计后控制阀门一之后的高压胶管增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门二、流量计二、流量计后控制阀门二，此段回路的主高压胶管上设有流量计总控阀门一；之后的高压胶管上再增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门三、流量计三、流量计后控制阀门三，此段回路的主高压胶管上设有流量计总控阀门二；之后的高压胶管上设有三级电磁流量计保护阀门，三级电磁流量计保护阀门与压水试验用钻杆之间设有支路，支路连接有尼龙管三，尼龙管三与内输水管连接，之间设有水流输出控制阀门，内输水管插入耐高压密封容器中，耐高压密封容器位于电子天平上，耐高压密封容器上连接有内气体压力表，内气体压力表上设有气体压力控制阀门，内气体压力表通过尼龙管二与气体压力控制板的一端连接，内气体压力表与气体压力控制板之间的尼龙管二上设有减压阀二，气体压力控制板的内部管路上设有气体输入控制阀门一、气体输入控制阀门二、气体输出控制阀，气体压力控制板的另一端通过尼龙管一与高压氮气源连接，尼龙管一上设有减压阀一、控制阀门。

流量计一的量程为1～100L；流量计二的量程为0.1～10L；流量计三的量程为0.01～1L；流量计总控阀门一的量程为0.1～10L；流量计总控阀门二的量程为0.01～1L；减压阀一的量程为20Mpa，精度为0.5Mpa；尼龙管一、尼龙管二的压力上限为10Mpa；减压阀二的量程为1Mpa，精度为0.05Mpa；耐高压密封容器材质为不锈钢，容积为25L；潜水泵扬程为120m，流量为1m³/h。

一种钻孔压水试验多级流量高精度测量方法，包括如下步骤：

步骤一、试验开始前，确保阀门潜水泵回水管阀门、流量计前控制阀门一、流量计后控制阀门一、流量计总控阀门一、流量计总控阀门二、三级电磁流量计保护阀门处于打开状态；

阀门压水压力控制阀门、流量计前控制阀门二、流量计后控制阀门二、流量计前控制阀门三、流量计后控制阀门三、水流输出控制阀门处于关闭状态；

记录电子天平此时的质量数；

步骤二、接通潜水泵，将压水试验用钻杆内注满水；打开阀门压水压力控制阀门、流量计前控制阀门一、流量计后控制阀门一、气体输入控制阀门二、气体压力控制阀门、水流输出控制阀门、气体输出控制阀和减压阀二，确保了在向钻孔内注水的同时亦可向耐高压密封容器内注水，待电子天平显示质量数增加20Kg时关闭减压阀二、气体压力控制阀门、水流输出控制阀门；

步骤三、将耐高压密封容器内压力调至0.35Mpa；打开控制阀门，调节减压阀一至输出压力为1Mpa，打开气体输入控制阀门一、气体输入控制阀门二，调节减压阀二至输出压力为0.3Mpa，打开气体压力控制阀门，此时氮气持续向耐高压密封容器内充气，并维持在0.3Mpa；

步骤四、将压水试验用钻杆注满水后，开始压水试验；

通过调节潜水泵回水管阀门和压水压力控制阀门使压力表的示数在0.3Mpa；先观测流量计一显示的流量数据，若流量在10L/min以上，则继续压水；若流量计一显示流量小于10L/min或无流量显示，则打开流量计前控制阀门二和流量计后控制阀门二，关闭流量计总控阀门一，此时流量计二启用；

步骤五、观测流量计二显示的流量数据，若流量计二显示流量在1L/min以上，则继续压水；若流量计二显示流量数据在1L/min以下或无流量显示，则打开流量计前控制阀门三和流量计后控制阀门三，关闭流量计总控阀门二，此时流量计三启用；

步骤六、继续观测流量计三显示的流量数据，若有流量数据，则继续压水；若流量计三无流量数据，则依次关闭压水压力控制阀门、潜水泵、流量计总控阀门一、流量计总控阀门二、三级电磁流量计保护阀门、流量计前控制阀门一、流量计后控制阀门一、流量计前控制阀门二、流量计后控制阀门二、流量计前控制阀门三、流量计后控制阀门三，此时流量计一、流量计二、流量计三停用；

步骤七、打开水流输出控制阀门，此时耐高压密封容器内水在恒定压力氮气推动下，经内输水管、尼龙管三、高压胶管进入钻孔试验段；

步骤八、电子天平质量示数的记录；首先按照30s的频率记录电子天平显示的质量数，若在30s内显示的质量示数无变化，则记录质量减少0.5g时的时刻；

步骤九、压水完成，依次关闭水流输出控制阀门、控制阀门，打开气体输出控制阀，此时耐高压密封容器内氮气排出，同时进行试验段内压力恢复试验；

步骤十、耐高压密封容器内气体排净且压力恢复可停止时，即可将所有阀门恢复至步骤一时的状态。

步骤十一、流量计算。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法，能够监测到小于1ml/min的流量，提高了流量监测的精度，准确计算渗透系数进而描述渗透性特征；

本发明提供的一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法，能够满足不同数量级别流量的测量，提高工作效率和数据准确度。

附图说明

图1为压水试验多级高精度流量测量装置；

图中：1-潜水泵回水管阀门；2-压水压力控制阀门；3-压力表；4-高压胶管；5-流量计前控制阀门一；6-流量计一；7-流量计后控制阀门一；8-流量计前控制阀门二；9-流量计二；10-流量计后控制阀门二；11-流量计前控制阀门三；12-流量计三；13-流量计后控制阀门三；14-流量计总控阀门一；15-流量计总控阀门二；16-三级电磁流量计保护阀门；18-压水试验用钻杆；19-止水栓塞；20-高压氮气源；21-减压阀一；22-控制阀门；23-尼龙管一；24-气体输入控制阀门一；25-气体输入控制阀门二；26-尼龙管二；27-减压阀二；28-气体压力控制阀门；29-内气体压力表；30-水流输出控制阀门；31-内输水管；32-耐高压密封容器；33-电子天平；34-尼龙管三；35-气体压力控制板；36-气体输出控制阀；37-潜水泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置及方法作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置，包括潜水泵回水管阀门1、压水压力控制阀门2、压力表3、高压胶管4、流量计前控制阀门一5、流量计一6、流量计后控制阀门一7、流量计前控制阀门二8、流量计二9、流量计后控制阀门二10、流量计前控制阀门三11、流量计三12、流量计后控制阀门三13、流量计总控阀门一14、流量计总控阀门二15、三级电磁流量计保护阀门16、压水试验用钻杆18、止水栓塞19、高压氮气源20、减压阀一21、控制阀门22、尼龙管一23、气体输入控制阀门一24、气体输入控制阀门二25、尼龙管二26、减压阀二27、气体压力控制阀门28、内气体压力表29、水流输出控制阀门30、内输水管31、耐高压密封容器32、电子天平33、尼龙管三34、气体压力控制板35、气体输出控制阀36、潜水泵37，潜水泵37通过高压胶管4与压水试验用钻杆18连接，靠近潜水泵37的高压胶管4上依次设有潜水泵回水管阀门1、压水压力控制阀门2、压力表3、流量计前控制阀门一5、流量计一6、流量计后控制阀门一7；在流量计后控制阀门一7之后的高压胶管4增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门二8、流量计二9、流量计后控制阀门二10，此段回路的主高压胶管4上设有流量计总控阀门一14；之后的高压胶管4上再增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门三11、流量计三12、流量计后控制阀门三13，此段回路的主高压胶管4上设有流量计总控阀门二15；之后的高压胶管4上设有三级电磁流量计保护阀门16，三级电磁流量计保护阀门16与压水试验用钻杆18之间设有支路，支路连接有尼龙管三34，尼龙管三34与内输水管31连接，之间设有水流输出控制阀门30，内输水管31插入耐高压密封容器32中，耐高压密封容器32位于电子天平33上，耐高压密封容器32上连接有内气体压力表29，内气体压力表29上设有气体压力控制阀门28，内气体压力表29通过尼龙管二26与气体压力控制板35的一端连接，内气体压力表29与气体压力控制板35之间的尼龙管二26上设有减压阀二27，气体压力控制板35的内部管路上设有气体输入控制阀门一24、气体输入控制阀门二25、气体输出控制阀36，气体压力控制板35的另一端通过尼龙管一23与高压氮气源20连接，尼龙管一23上设有减压阀一21、控制阀门22。

流量计一6的量程为1～100L；流量计二9的量程为0.1～10L；流量计三12的量程为0.01～1L；流量计总控阀门一14的量程为0.1～10L；流量计总控阀门二15的量程为0.01～1L；减压阀一21的量程为20Mpa，精度为0.5Mpa；尼龙管一23、尼龙管二26的压力上限为10Mpa；减压阀二27的量程为1Mpa，精度为0.05Mpa；耐高压密封容器32材质为不锈钢，容积为25L；潜水泵37扬程为120m，流量为1m³/h。

一种钻孔压水试验多级流量高精度测量方法，包括如下步骤：

实施例1

步骤一、试验开始前，确保阀门潜水泵回水管阀门1、流量计前控制阀门一5、流量计后控制阀门一7、流量计总控阀门一14、流量计总控阀门二15、三级电磁流量计保护阀门16处于打开状态；

阀门压水压力控制阀门2、流量计前控制阀门二8、流量计后控制阀门二10、流量计前控制阀门三11、流量计后控制阀门三13、水流输出控制阀门30处于关闭状态；

记录电子天平33此时的质量数；

步骤二、接通潜水泵37，将压水试验用钻杆18内注满水；打开阀门压水压力控制阀门2、流量计前控制阀门一5、流量计后控制阀门一7、气体输入控制阀门二25、气体压力控制阀门28、水流输出控制阀门30、气体输出控制阀36和减压阀二27，确保了在向钻孔内注水的同时亦可向耐高压密封容器32内注水，待电子天平33显示质量数增加20Kg时关闭减压阀二27、气体压力控制阀门28、水流输出控制阀门30；

步骤三、将耐高压密封容器32内压力调至0.35Mpa；打开控制阀门22，调节减压阀一21至输出压力为1Mpa，打开气体输入控制阀门一24、气体输入控制阀门二25，调节减压阀二27至输出压力为0.3Mpa，打开气体压力控制阀门28，此时氮气持续向耐高压密封容器32内充气，并维持在0.3Mpa；

步骤四、将压水试验用钻杆18注满水后，开始压水试验；

通过调节潜水泵回水管阀门1和压水压力控制阀门2使压力表3的示数在0.3Mpa；先观测流量计一6显示的流量数据，若流量在10L/min以上，则继续压水；若流量计一6显示流量小于10L/min或无流量显示，则打开流量计前控制阀门二8和流量计后控制阀门二10，关闭流量计总控阀门一14，此时流量计二9启用；

步骤五、观测流量计二9显示的流量数据，若流量计二9显示流量在1L/min以上，则继续压水；若流量计二9显示流量数据在1L/min以下或无流量显示，则打开流量计前控制阀门三11和流量计后控制阀门三13，关闭流量计总控阀门二15，此时流量计三12启用；

步骤六、继续观测流量计三12显示的流量数据，若有流量数据，则继续压水；若流量计三12无流量数据，则依次关闭压水压力控制阀门2、潜水泵37、流量计总控阀门一14、流量计总控阀门二15、三级电磁流量计保护阀门16、流量计前控制阀门一5、流量计后控制阀门一7、流量计前控制阀门二8、流量计后控制阀门二10、流量计前控制阀门三11、流量计后控制阀门三13，此时流量计一6、流量计二9、流量计三12停用；

步骤七、打开水流输出控制阀门30，此时耐高压密封容器32内水在恒定压力氮气推动下，经内输水管31、尼龙管三34、高压胶管4进入钻孔试验段；

步骤八、电子天平33质量示数的记录；首先按照30s的频率记录电子天平33显示的质量数，若在30s内33显示的质量示数无变化，则记录质量减少0.5g时的时刻；

步骤九、压水完成，依次关闭水流输出控制阀门30、控制阀门22，打开气体输出控制阀36，此时耐高压密封容器32内氮气排出，同时进行试验段内压力恢复试验；

步骤十、耐高压密封容器32内气体排净且压力恢复可停止时，即可将所有阀门恢复至步骤1时的状态；

步骤十一、流量计算。

实施例2

其他压力条件下压水试验，步骤如下：关闭气体压力控制阀门28、水流输出控制阀门30；调节减压阀二27至设定压力；打开气体压力控制阀门28，向耐高压密封容器32内充气；内气体压力表29显示耐高压密封容器32内气压达到设定压力时，打开水流输出控制阀门30；此时重复步骤八至步骤十。

Claims (3)

1.一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置，其特征在于：包括潜水泵回水管阀门(1)、压水压力控制阀门(2)、压力表(3)、高压胶管(4)、流量计前控制阀门一(5)、流量计一(6)、流量计后控制阀门一(7)、流量计前控制阀门二(8)、流量计二(9)、流量计后控制阀门二(10)、流量计前控制阀门三(11)、流量计三(12)、流量计后控制阀门三(13)、流量计总控阀门一(14)、流量计总控阀门二(15)、三级电磁流量计保护阀门(16)、压水试验用钻杆(18)、止水栓塞(19)、高压氮气源(20)、减压阀一(21)、控制阀门(22)、尼龙管一(23)、气体输入控制阀门一(24)、气体输入控制阀门二(25)、尼龙管二(26)、减压阀二(27)、气体压力控制阀门(28)、内气体压力表(29)、水流输出控制阀门(30)、内输水管(31)、耐高压密封容器(32)、电子天平(33)、尼龙管三(34)、气体压力控制板(35)、气体输出控制阀(36)、潜水泵(37)，潜水泵(37)通过高压胶管(4)与压水试验用钻杆(18)连接，靠近潜水泵(37)的高压胶管(4)上依次设有潜水泵回水管阀门(1)、压水压力控制阀门(2)、压力表(3)、流量计前控制阀门一(5)、流量计一(6)、流量计后控制阀门一(7)；在流量计后控制阀门一(7)之后的高压胶管(4)增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门二(8)、流量计二(9)、流量计后控制阀门二(10)，此段回路的主高压胶管(4)上设有流量计总控阀门一(14)；之后的高压胶管(4)上再增加回路，回路上依次设有流量计前控制阀门三(11)、流量计三(12)、流量计后控制阀门三(13)，此段回路的主高压胶管(4)上设有流量计总控阀门二(15)；之后的高压胶管(4)上设有三级电磁流量计保护阀门(16)，三级电磁流量计保护阀门(16)与压水试验用钻杆(18)之间设有支路，支路连接有尼龙管三(34)，尼龙管三(34)与内输水管(31)连接，之间设有水流输出控制阀门(30)，内输水管(31)插入耐高压密封容器(32)中，耐高压密封容器(32)位于电子天平(33)上，耐高压密封容器(32)上连接有内气体压力表(29)，内气体压力表(29)上设有气体压力控制阀门(28)，内气体压力表(29)通过尼龙管二(26)与气体压力控制板(35)的一端连接，内气体压力表(29)与气体压力控制板(35)之间的尼龙管二(26)上设有减压阀二(27)，气体压力控制板(35)的内部管路上设有气体输入控制阀门一(24)、气体输入控制阀门二(25)、气体输出控制阀(36)，气体压力控制板(35)的另一端通过尼龙管一(23)与高压氮气源(20)连接，尼龙管一(23)上设有减压阀一(21)、控制阀门(22)。

2.根据权利要求1所述的一种钻孔压水试验多级流量高精度测量装置，其特征在于：流量计一(6)的量程为1～100L；流量计二(9)的量程为0.1～10L；流量计三(12)的量程为0.01～1L；流量计总控阀门一(14)的量程为0.1～10L；流量计总控阀门二(15)的量程为0.01～1L；减压阀一(21)的量程为20Mpa，精度为0.5Mpa；尼龙管一(23)、尼龙管二(26)的压力上限为10Mpa；减压阀二(27)的量程为1Mpa，精度为0.05Mpa；耐高压密封容器(32)材质为不锈钢，容积为25L；潜水泵(37)扬程为120m，流量为1m3/h。

3.一种钻孔压水试验多级流量高精度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、试验开始前，确保阀门潜水泵回水管阀门(1)、流量计前控制阀门一(5)、流量计后控制阀门一(7)、流量计总控阀门一(14)、流量计总控阀门二(15)、三级电磁流量计保护阀门(16)处于打开状态；

阀门压水压力控制阀门(2)、流量计前控制阀门二(8)、流量计后控制阀门二(10)、流量计前控制阀门三(11)、流量计后控制阀门三(13)、水流输出控制阀门(30)处于关闭状态；

记录电子天平(33)此时的质量数；

步骤二、接通潜水泵(37)，将压水试验用钻杆(18)内注满水；打开阀门压水压力控制阀门(2)、流量计前控制阀门一(5)、流量计后控制阀门一(7)、气体输入控制阀门二(25)、气体压力控制阀门(28)、水流输出控制阀门(30)、气体输出控制阀(36)和减压阀二(27)，确保了在向钻孔内注水的同时亦可向耐高压密封容器(32)内注水，待电子天平(33)显示质量数增加20Kg时关闭减压阀二(27)、气体压力控制阀门(28)、水流输出控制阀门(30)；

步骤三、将耐高压密封容器(32)内压力调至0.35Mpa；打开控制阀门(22)，调节减压阀一(21)至输出压力为1Mpa，打开气体输入控制阀门一(24)、气体输入控制阀门二(25)，调节减压阀二(27)至输出压力为0.3Mpa，打开气体压力控制阀门(28)，此时氮气持续向耐高压密封容器(32)内充气，并维持在0.3Mpa；

步骤四、将压水试验用钻杆(18)注满水后，开始压水试验；

通过调节潜水泵回水管阀门(1)和压水压力控制阀门(2)使压力表(3)的示数在0.3Mpa；先观测流量计一(6)显示的流量数据，若流量在10L/min以上，则继续压水；若流量计一(6)显示流量小于10L/min或无流量显示，则打开流量计前控制阀门二(8)和流量计后控制阀门二(10)，关闭流量计总控阀门一(14)，此时流量计二(9)启用；

步骤五、观测流量计二(9)显示的流量数据，若流量计二(9)显示流量在1L/min以上，则继续压水；若流量计二(9)显示流量数据在1L/min以下或无流量显示，则打开流量计前控制阀门三(11)和流量计后控制阀门三(13)，关闭流量计总控阀门二(15)，此时流量计三(12)启用；

步骤六、继续观测流量计三(12)显示的流量数据，若有流量数据，则继续压水；若流量计三(12)无流量数据，则依次关闭压水压力控制阀门(2)、潜水泵(37)、流量计总控阀门一(14)、流量计总控阀门二(15)、三级电磁流量计保护阀门(16)、流量计前控制阀门一(5)、流量计后控制阀门一(7)、流量计前控制阀门二(8)、流量计后控制阀门二(10)、流量计前控制阀门三(11)、流量计后控制阀门三(13)，此时流量计一(6)、流量计二(9)、流量计三(12)停用；

步骤七、打开水流输出控制阀门(30)，此时耐高压密封容器(32)内水在恒定压力氮气推动下，经内输水管(31)、尼龙管三(34)、高压胶管(4)进入钻孔试验段；

步骤八、电子天平(33)质量示数的记录；首先按照30s的频率记录电子天平(33)显示的质量数，若在30s内(33)显示的质量示数无变化，则记录质量减少0.5g时的时刻；

步骤九、压水完成，依次关闭水流输出控制阀门(30)、控制阀门(22)，打开气体输出控制阀(36)，此时耐高压密封容器(32)内氮气排出，同时进行试验段内压力恢复试验；

步骤十、耐高压密封容器(32)内气体排净且压力恢复可停止时，即可将所有阀门恢复至步骤一时的状态；

步骤十一、流量计算。