CN107313722B - 一种钻杆底部试验设备状态控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钻杆底部试验设备状态控制系统，包括钻机及附属设备及由下至上依次连接的试验设备、膨胀装置、深度状态转换杆、钻杆及状态指示杆。深度状态转换杆、膨胀装置、试验设备上均设有流体通道或线缆，在进行设备安装时将各自的流体通道、线缆依次连通，然后依次连接放入钻孔，钻机及附属设备与状态指示杆连接，流体可依次流入状态指示杆、钻杆、深度状态转换杆，状态指示杆上设有多个标示刻度线对应底部试验设备状态，深度状态转换杆包括中心杆及外筒，膨胀装置鼓起后，中心杆可相对外筒向下滑动，中心杆下滑不同的位置可切换流体通道或电信号给试验设备进行相应动作。本发明可实现对测试设备进行多个状态精准控制。

Description

一种钻杆底部试验设备状态控制系统及方法

技术领域

本发明涉及地质勘测技术领域，具体是一种钻杆底部试验设备状态控制系统及方法。

背景技术

水利、水电、交通、核电和采矿等行业进行地质作业时，需要对地钻孔以达到对深部地层勘探的目的。钻孔完成后，需要进行各种试验来了解深部地层的信息，试验内容包括物探、水位探测、岩体渗漏试验、地应力试验、放射性检测和有害气体检测等。以上各种试验和测试需要将探测装置放入钻孔深部进行工作，试验数据的获取一般采用两种形式，一种是带电源测试技术，即试验装置与地面上的主机通过线缆连接，进行动作控制和试验数据采集，试验数据存储于地面设备中，如各种物探试验。该种实现方式不需要钻杆，但需要携带笨重的电缆。另一种是自备电源或无源测试，即通过钻杆将试验装置放入孔(井)内，通过水、气介质和钻杆动作对孔内装置进行控制和测试，如自备电源测试、地应力试验和压水试验等。

随着电池技术的发展，甩掉笨重的电缆，采用自备电源探测或无源探测的第二种测试技术将获得更多的应用。当前，地应力和压水试验通过推拉装置实现了对底部装置两个状态的控制，分别为接通水囊通道状态和水囊增压后的钻杆自由放下状态。但是更多通道联通应用或多路电信号切换还是无法实现，不利于试验目标的完成。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种钻杆底部试验设备状态控制系统及方法，通过对钻杆的上下动作，在孔口增加状态指示、在底部增加深度—流体通道或电信号切换装置的办法，可实现对测试设备的多个状态(≥3)进行精准控制，对于改进复杂条件下的地应力和压水试验等测试具有革命性意义，同时，对于控制自备电源装置在钻孔任意深度完成复杂操作提供了实现方法。

一种钻杆底部试验设备状态控制系统，包括钻机及附属设备及由下至上依次连接的试验设备、膨胀装置、深度状态转换杆、钻杆及状态指示杆，深度状态转换杆、膨胀装置、试验设备上均设有流体通道和线缆，在进行设备安装时将各自的流体通道和线缆依次连通，然后依次连接放入钻孔，钻机及附属设备与状态指示杆连接，可带动整个设备在钻孔内上下移动，状态指示杆上设有用于接入流体的管路接口，流体可通过管路接口依次流入状态指示杆、钻杆、深度状态转换杆，状态指示杆上设有多个标示底部试验设备状态的状态刻度线，深度状态转换杆包括位于中部的中心杆及设于中心杆外层的外筒，中心杆的上端与钻杆连接，膨胀装置鼓起并附着于钻孔孔壁后，中心杆可相对外筒向下滑动，中心杆下滑不同的位置可切换流体通道或电信号给试验设备进行相应动作。

进一步的，试验设备通过连接杆与膨胀装置连接，所述膨胀装置具有上接口和下接口，连接杆的一端与试验设备连接，另一端与膨胀装置的下接口连接，膨胀装置的上接口与深度状态转换杆下端连接。

进一步的，管路接口与流体管路联通，流体管路上设有压力表。

进一步的，膨胀装置内设有扩张部件，流体依次通过状态指示杆的内孔、钻杆内孔、深度状态转换杆、流体通道和线缆和膨胀装置的组成的通道使膨胀装置的扩张部件膨胀并附着于孔壁上。

进一步的，当外筒上设有齿式拨盘，中心杆为中空的异形杆件，作为流体通道与膨胀装置的扩张部件联通，并设有多个中心杆拨齿，在上下滑动时与齿式拨盘接触，触发相应电信号给试验设备进行相应试验。

进一步的，当中心杆为中空的圆柱体，在外筒相应位置布置推挤式开关及线路，中心杆内孔作为流体通道与膨胀装置的扩张部件联通，外筒上设置推挤式开关，在上下滑动时中心杆与推挤式开关接触，亦可触发相应电信号给试验设备进行相应试验。

进一步的，所述膨胀装置为气囊或水囊。

一种钻杆底部试验设备状态控制方法，其特征在于使用如上所述的系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将试验设备通过连接杆与膨胀装置的膨胀装置下接口连接，并通过膨胀装置上接口与深度状态转换杆的膨胀装置接头连接，将各设备串接一起，并将深度状态转换杆、膨胀装置、试验设备的流体通道和线缆联通，一起放入钻孔的孔口部位，随后通过钻机与附属设备的操作将钻杆与深度状态转换杆上接口连接，最终将试验设备放至试验要求孔深；

步骤二，将状态指示杆连接在钻杆的上部，状态指示杆上设有管路接口，管路接口与流体管路联通，以将流体接入状态指示杆；

步骤三，放松钻机与附属设备的孔口钻杆卡紧装置，改由钢丝绳起吊孔内设备，然后将流体泵入流体管路，流体进入状态指示杆的内孔、钻杆内孔、深度状态转换杆、流体通道和线缆和膨胀装置的组成的通道，使膨胀装置的扩张部件膨胀并附着于孔壁上，可使得膨胀装置和试验设备保持不动，此时对应第一状态，此状态为试验辅助状态，此时状态指示杆上的其中一个状态刻度线指示在钻机或孔口固定物体上；

步骤四，操作钻机及附属设备使得状态指示杆、钻杆和深度状态转换杆的中心杆一起下降，而此时深度状态转换杆的外筒保持不动，当状态指示杆的其他状态刻度线下降到钻机或孔口固定物体上的标识高度时，钻杆及试验设备联通相应流体通道，或中心杆在下降过程中触发相应电信号给试验设备进行相应试验。

进一步，所述流体为水或气体。

本发明通过对钻杆的孔口部位增加状态指示和底部增加深度——流体通道或电路信号切换装置，从而达到孔内自备电源设备在任意孔深处的状态控制，以及孔内无源探测设备3个及以上状态的实现方法，其中孔口部位增加的是状态指示杆，底部增加流体通道或电路信号切换转换杆、孔壁摩擦力提供装置和试验装置，适用于在钻孔内进行自带电源的试验信号转换、流体的试验通道切换，可用于水利、水电、交通、核电和采矿等多个领域内的钻孔试验的领域。

附图说明

图1是本发明钻杆底部试验设备状态控制系统的结构示意图；

图2是本发明中状态指示杆的结构示意图；

图3是本发明中深度状态转换杆通道切换时的结构示意图；

图4是本发明中通道切换时膨胀装置的结构示意图；

图5是本发明中试验设备的结构示意图；

图6是本发明中电路信号切换时的深度状态转换杆的结构示意图；

图7是本发明中电路信号切换时的膨胀装置的结构示意图。

图中：1—钻机及附属设备，2—流体管路，3—压力表，4—状态指示杆，5—钻杆，6—深度状态转换杆，7、20、23—流体通道和线缆，8—膨胀装置，9—试验设备，10—钻孔，11—状态指示杆上接头，12—管路接口，13—状态刻度线，14—状态指示杆下接头，15—膨胀装置接头，16—深度状态转换杆上接口，17—中心杆，18—外筒，19—密封圈，21—扩张部件，22—膨胀装置上接口，24—膨胀装置流体通道下接口，25—连接杆，26—中心杆拨齿，27—齿式拨盘。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1所示为本发明控制系统连接示意图，所述控制系统包括钻机及附属设备1、状态指示杆4、钻杆5、深度状态转换杆6、膨胀装置8、试验设备9。

试验设备9通过连接杆25与膨胀装置8连接，膨胀装置8可为气囊或水囊。如图4所示，所述膨胀装置8具有上接口22和下接口24，连接杆25的一端与试验设备9连接，另一端与膨胀装置8的下接口24连接，所述连接方式可为螺纹连接、插接或其他可拆卸固定连接方式，本实施例为螺纹连接。膨胀装置8的上接口22与深度状态转换杆6下端的膨胀装置接头15连接，从而将试验设备9、连接杆25、膨胀装置8、深度状态转换杆6由下至上依次连接。深度状态转换杆6、膨胀装置8、试验设备9上均设有流体通道和线缆，在进行设备安装时将各自的流体通道和线缆依次连通，然后放入钻孔10的孔口部位。

深度状态转换杆6、钻杆5及状态指示杆4由下至上依次连接。请继续参考图2，所述钻杆5具有钻杆上接头和钻杆下接头，状态指示杆4具有状态指示杆上接头11和状态指示杆下接头14。钻杆5的钻杆下接头与深度状态转换杆6的深度状态转换杆上接口16连接，钻杆下接头与深度状态转换杆上接口16通过螺纹方式连接。所述钻杆5的钻杆上接头与状态指示杆4的下端连接。其中钻杆5由钻机与附属设备1操作，使其钻杆接头与深度状态转换杆6的上接口16连接，最终将试验设备9放至试验要求孔深。深度状态转换杆6包括位于中部的中心杆17及设于中心杆17外层的外筒18，中心杆17的上端与钻杆5连接，具体的，中心杆17上端的深度状态转换杆上接口16与钻杆5连接。中心杆17可相对外筒18进行上下滑动。

状态指示杆4连接在钻杆5的上部，同时联通流体管路2和压力表3等地面试验辅助设备。至此，试验设备连接全部完成。

当进行试验时，首先需要将试验设备9通过连接杆25与膨胀装置8的膨胀装置下接口24连接，并通过膨胀装置上接口22与深度状态转换杆6的膨胀装置接头15连接，将各设备串接一起，并将以上设备的流体通道和线缆联通，一起放入钻孔10的孔口部位。随后通过钻机与附属设备1的操作将已知长度、并密封的钻杆5与深度状态转换杆6的上接口16连接起来，最终将试验设备9放至试验要求孔深。

其次，将状态指示杆4连接在钻杆5的上部，状态指示杆4上设有管路接口12，管路接口12与流体管路2联通，流体管路2上设有压力表3。至此，试验设备连接全部完成。

试验时，放松钻机与附属设备1的孔口钻杆卡紧装置，改由钢丝绳起吊孔内设备。然后将水或气体泵入流体管路2，流体进入状态指示杆4的内孔、钻杆5内孔、深度状态转换杆6、流体通道和线缆和膨胀装置8的组成的通道，使膨胀装置8的扩张部件21膨胀并附着于孔壁上，可使得膨胀装置8和试验设备9保持不动。此时对应第一状态，此状态为试验辅助状态。

图2、图3、图4和图5显示的为流体通道切换的局部设计。状态指示杆4上设有多个标示底部试验设备状态的状态刻度线13。当操作将设备送到钻孔10特定深度时，此时对应第一状态，将膨胀装置8鼓起，将此时状态指示杆4的第一状态的第一状态刻度线指示在钻机或孔口固定物体上。再操作钻机及附属设备1使得状态指示杆4、钻杆5和深度状态转换杆6的中心杆17一起下降，而此时深度状态转换杆6的外筒18保持不动，当上述设备和状态指示杆4的第二状态刻度线下降到钻机或孔口固定物体上的标识高度时，钻杆5及试验设备9联通第2流体通道，以此类推，从而达到通道切换的目的，使得试验设备9的不同流体通道联通以实现不同的目的。状态指示杆4上的第N状态刻度线与孔口固定物体上的标识同高度，就表示下面流体通道对应于第N流体通道或第N状态。由此，可以布置多个状态，流体通道切换状态的最大数目受底部流体通道布置容量限制，与部件的设计加工水平相关。

电子信号切换需要改变深度状态转换杆6和膨胀装置8设计：如方案1：深度状态转换杆6的中心杆17为中空的圆柱体，在外筒18相应位置布置推挤式开关及线路，中心杆17内孔与膨胀装置8联通，在上下滑动时中心杆17与推挤式开关接触，触发相应电信号给试验设备进行相应试验；方案2、外筒18布置齿式拨盘及线路，中心杆17改为对应的拨齿布置等，如图6所示，外筒18上设有齿式拨盘27，中心杆17为中空的，通道与膨胀装置8的扩张部件21联通(如图7所示)，用以完成上述第一状态。同时，中心杆17对应设有多个中心杆拨齿26，所述多个中心杆拨齿26呈上下排列间隔设置，中心杆拨齿26可与齿式拨盘27接触。为了达成对底部试验设备9的控制，需要预先对试验设备电信号进行定义，即可将钻杆5的上下运动对应为试验设备9相应电信号通道的切换，中心杆17在下降过程中会依次与齿式拨盘27触碰，每次触碰即触发相应电信号给试验设备9，在试验设备9中预先设定每次触碰触发电信号相应启动何种动作进行试验，从而达到对试验设备9传递控制电信号的目的。

试验结束，通过操作钻机及附属设备1将状态指示杆4提升对应于第一状态的位置，维持一定时间，使膨胀装置8的扩张部件21的完全缩回。或者，通道切换时可将最后一个状态对应于膨胀装置8的扩张部件21的收缩。上述步骤完成，将状态指示杆4卸下，调整钻杆深度，将状态指示杆4再连接在钻杆5最上端，即可进行下一部位的试验。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：包括钻机及附属设备（1）及由下至上依次连接的试验设备（9）、膨胀装置（8）、深度状态转换杆（6）、钻杆（5）及状态指示杆（4），深度状态转换杆（6）、膨胀装置（8）、试验设备（9）上均设有流体通道和线缆（7、20、23），在进行设备安装时将各自的流体通道或线缆（7、20、23）依次连通，然后依次连接放入钻孔（10），钻机及附属设备（1）与状态指示杆（4）连接，可带动整个设备在钻孔（10）内上下移动，状态指示杆（4）上设有用于接入流体的管路接口（12），流体可通过管路接口（12）依次流入状态指示杆（4）、钻杆（5）、深度状态转换杆（6），状态指示杆（4）上设有多个标示底部试验设备状态的状态刻度线（13），深度状态转换杆（6）包括位于中部的中心杆（17）及设于中心杆（17）外层的外筒（18），中心杆（17）的上端与钻杆（5）连接，膨胀装置（8）鼓起并附着于钻孔（10）孔壁后，中心杆（17）可相对外筒（18）向下滑动，中心杆下滑不同的位置可切换流体通道或电信号给试验设备（9）进行相应动作。

2.如权利要求1所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：试验设备（9）通过连接杆（25）与膨胀装置（8）连接，所述膨胀装置（8）具有上接口（22）和下接口（24），连接杆（25）的一端与试验设备（9）连接，另一端与膨胀装置（8）的下接口（24）连接，膨胀装置（8）的上接口（22）与深度状态转换杆（6）下端连接。

3.如权利要求1所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：管路接口（12）与流体管路（2）联通，流体管路（2）上设有压力表（3）。

4.如权利要求1所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：膨胀装置（8）内设有扩张部件（21），流体依次通过状态指示杆（4）的内孔、钻杆（5）内孔、深度状态转换杆（6）、流体通道和线缆（7、20、23）和膨胀装置（8）的组成的通道使膨胀装置（8）的扩张部件（21）膨胀并附着于孔壁上。

5.如权利要求4所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：外筒（18）上设有齿式拨盘（27），中心杆（17）为中空的异形杆件，作为流体通道与膨胀装置（8）的扩张部件（21）联通，并设有多个中心杆拨齿（26），在上下滑动时与齿式拨盘（27）接触，触发相应电信号给试验设备（9）进行相应试验。

6.如权利要求4所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：中心杆（17）为中空的圆柱体，在外筒（18）相应位置布置推挤式开关及线路，中心杆（17）内孔作为流体通道与膨胀装置（8）的扩张部件（21）联通，外筒（18）上设置推挤式开关，在上下滑动时中心杆（17）与推挤式开关接触，触发相应电信号给试验设备进行相应试验。

7.如权利要求1所述的钻杆底部试验设备状态控制系统，其特征在于：所述膨胀装置（8）为气囊或水囊。

8.一种钻杆底部试验设备状态控制方法，其特征在于使用如权利要求1-7中任一项所述的系统进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一，将试验设备（9）通过连接杆（25）与膨胀装置（8）的膨胀装置下接口（24）连接，并通过膨胀装置上接口（22）与深度状态转换杆（6）的膨胀装置接头（15）连接，将各设备串接一起，并将深度状态转换杆（6）、膨胀装置（8）、试验设备（9）的流体通道和线缆（7、20、23）联通，一起放入钻孔（10）的孔口部位，随后通过钻机与附属设备（1）的操作将钻杆（5）与深度状态转换杆（6）上接口（16）连接，最终将试验设备（9）放至试验要求孔深；

步骤二，将状态指示杆（4）连接在钻杆（5）的上部，状态指示杆（4）上设有管路接口（12），管路接口（12）与流体管路（2）联通，以将流体接入状态指示杆（4）；

步骤三，放松钻机与附属设备（1）的孔口钻杆卡紧装置，改由钢丝绳起吊孔内设备，然后将流体泵入流体管路（2），流体进入状态指示杆（4）的内孔、钻杆（5）内孔、深度状态转换杆（6）、流体通道和线缆（7、20、23）和膨胀装置（8）的组成的通道，使膨胀装置（8）的扩张部件（21）膨胀并附着于孔壁上，可使得膨胀装置（8）和试验设备（9）保持不动，此时对应第一状态，此状态为试验辅助状态，此时状态指示杆上的其中一个状态刻度线指示在钻机或孔口固定物体上；

步骤四，操作钻机及附属设备（1）使得状态指示杆（4）、钻杆（5）和深度状态转换杆（6）的中心杆（17）一起下降，而此时深度状态转换杆（6）的外筒（18）保持不动，当状态指示杆（4）的其他状态刻度线（12）下降到钻机或孔口固定物体上的标识高度时，钻杆（5）及试验设备（9）联通相应流体通道，或中心杆（17）在下降过程中触发相应电信号给试验设备（9）进行相应试验。

9.如权利要求8所述的钻杆底部试验设备状态控制方法，其特征在于： 所述流体为水或气体。

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