CN107831062A - 高压孔内排水卸压水压式灌浆和压水试验栓塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压孔内排水卸压水压式灌浆和压水试验栓塞，属于灌浆和压水试验等领域孔内分段隔离设备。偏心变径接手与排水卸压机构螺纹连接，高压充塞管与排水卸压机构通过螺纹连接，栓塞胶囊与排水卸压机构螺纹连接，芯管上端与排水卸压机构螺纹连接，芯管下端与栓塞胶囊下端滑动连接，高压注浆管与排水卸压机构固定连接、并贯穿偏心变径接手和芯管。本发明利用压差平衡原理，可靠地实现了栓塞胶囊在孔内重复充塞和彻底排水卸压动作，在工程实践中得到了充分的验证，地层适应性强，在灌浆、压水试验、劈裂试验和矿场瓦斯抽放等领域都有很好的推广应用前景。
Description
技术领域
本发明属于灌浆和压水试验等领域孔内分段隔离设备。
背景技术
1、我国灌浆(压水)行业现状
灌浆可分为孔口灌浆和分段灌浆，我国灌浆行业多采用孔口封闭法进行孔口灌浆，该工艺由于自身的局限性一般只适用于15m以内的浅孔进行低压灌浆，且效率较低。
分段灌浆和压水试验离不开栓塞，栓塞是进行钻孔分段隔离的关键器具。国内常见的灌浆(压水试验)栓塞有机械顶压式、气压式和普通水压式。机械顶压式栓塞的胶塞膨胀性有限，适应于完整硬岩地层，不适合在软岩和较破碎岩体进行灌浆或压水试验(故压水试验规程建议优先选用气压式栓塞或水压式栓塞)，且难以满足高压灌浆和自下而上分段灌浆的要求，效率低，易发生卡塞事故；气压式栓塞使用高压气泵造价极高，采用高压充气瓶，使用起来十分麻烦，同时存在安全隐患，且由于气体具有可压缩性，栓塞受高压会收缩变形而发生泄漏甚至滑塞事故，故不适合进行高压灌浆或压水试验；水压式栓塞安全、可靠、经济，由于水具有相对不可压缩性，故水压栓塞是进行高压灌浆和压水试验的一种理想栓塞。目前国内常用的水压栓塞只能实现孔口放水，栓塞胶囊在孔口至塞位的水柱压力作用下，收缩困难，常出现卡塞和断塞的故障，故一般只适合30m以内的浅孔进行灌浆或压水试验。
2、近年来水压式栓塞的研究成果及存在的问题
水压式栓塞由于安全、可靠、经济且水具有相对不可压缩性，故在灌浆和压水试验等领域有着不可替代的优势，但由于栓塞胶囊彻底排水卸压这一瓶劲技术难题的限制，使得水压式栓塞无法进一步推广应用。多年来，行业内不少专家和学者为解决水压式栓塞彻底排水卸压技术难题作了大量研究工作，也取得了许多研究成果，这些成果总结其基本原理为利用钻杆的旋转、上提或下压带动栓塞放水阀打开放水通道进行孔内彻底排水。它们最大的缺点是不能实现孔内重复充塞和放水故无法实现孔内连续作业，或现场操作十分繁琐不易掌控极易出故障导致孔内事故。当塞位不合理需要孔内串寻合理塞位时或需要孔内进行连续分段灌浆或压水试验时，此类栓塞就显得捉襟见肘，无能为力。
所以目前灌浆和压水试验中钻孔分段隔离方法仍沿用机械顶压式栓塞为主，水压和气压式栓塞为辅的钻孔分段隔离施工方法。
发明内容
本发明提供一种高压孔内排水卸压水压式灌浆和压水试验栓塞，以解决栓塞胶囊在孔内不能重复充塞和排水卸压不彻底的问题。
本发明采取的技术方案是，偏心变径接手与排水卸压机构螺纹连接，高压充塞管与排水卸压机构通过螺纹连接并利用O型密封圈密封，栓塞胶囊与排水卸压机构螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管上端与排水卸压机构螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管下端与栓塞胶囊下端滑动连接并利用O型密封圈密封，高压注浆管与排水卸压机构固定连接、并贯穿偏心变径接手和芯管。
所述排水卸压机构的结构是：在配流阀体的偏心孔内安装平衡弹簧，配流阀杆从平衡弹簧上端穿入、下端与配流阀体的偏心小孔滑动连接，配流阀杆上端与配流阀套滑动配合、并用O型密封圈密封，配流阀套与配流阀体螺纹连接、并用O型密封圈密封，配流阀套上端与高压充塞管螺纹连接，配流阀体的充塞水口连通配流阀体的充塞水道，配流阀体的出塞水口连通栓塞胶囊水道和配流阀体的充塞水道，配流阀体的排水口连通外界和配流阀体的的下部。
本发明的优点是：
(1)栓塞胶囊在孔底充塞或排水卸压过程，完全由调节地面调压阀增压或减压来实现，操作方便安全，轻忪快捷地实现孔内重复充塞和排水卸压动作。
(2)排水卸压机构处的排水卸压压力值最高可达10MPa，说明在1000m水柱压力下栓塞胶囊仍可实现孔底彻底排水卸压，故栓塞封孔深度可达1000m，为了减轻设备的工作负荷，对于较浅孔可将排水卸压压力值设定为较低值。
(3)胶囊中的压力水直接排泄到栓塞上部孔壁与钻杆的环状空间内，实现了栓塞胶囊彻底卸压。
(4)排水卸压机构结构简单可靠，不会发生栓塞无法排水卸压等故障。
(5)整个栓塞和钻杆联接成一体，一但发生卡塞事故，只要正转钻杆数圈，栓塞芯体便与栓塞胶囊脱离并抽出，彻底杜绝卡塞废孔事故。
(6)胀塞压力通过地面压力表直观反映，便于对胀塞压力进行监测。
经过多年研究，通过大量试验，本发明巧妙地利用压差平衡原理，可靠地实现了栓塞胶囊在孔内重复充塞和彻底排水卸压动作，成功地突破了阻止水压式栓塞进一步发展这一瓶颈技术难题，并在工程实践中得到了充分的验证，本发明地层适应性强，在灌浆、压水试验、劈裂试验和矿场瓦斯抽放等领域都有很好的推广应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明排水卸压机构的结构示意图；
图3是本发明使用状态参考图。
具体实施方式
偏心变径接手1与排水卸压机构4螺纹连接，高压充塞管3与排水卸压机构4通过螺纹连接并利用O型密封圈密封，栓塞胶囊5与排水卸压机构4螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管6上端与排水卸压机构4螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管6下端与栓塞胶囊5下端滑动连接并利用O型密封圈密封，高压注浆管2与排水卸压机构4固定连接、并贯穿偏心变径接手1和芯管6。
所述排水卸压机构4的结构是：在配流阀体404的偏心孔内安装平衡弹簧403，配流阀杆402从平衡弹簧403上端穿入、下端与配流阀体404的偏心小孔滑动连接，配流阀杆402上端与配流阀套401滑动配合、并用O型密封圈密封，配流阀套401与配流阀体404螺纹连接、并用O型密封圈密封，配流阀套401上端与高压充塞管3螺纹连接，配流阀体404的充塞水口405连通配流阀体404的充塞水道407，配流阀体404的出塞水口406连通栓塞胶囊5水道和配流阀体404的充塞水道407，配流阀体404的排水口408连通外界和配流阀体的404的下部。
所述排水卸压机构的压差平衡工作原理：
当通过高压充塞管3给配流阀套401内的孔充塞水压强增大，并达到设定的充塞压强时，在402配流阀杆上部的水压力作用下，克服403平衡弹簧的弹力阻力，推动配流阀杆402下行，打开配流阀体404的充塞水口405，同时关闭配流阀体404的出塞水口405，充塞水通过配流阀体404的充塞水口及充塞水道407直接对栓塞胶囊5进行充塞；
当充塞需要结束时，通过高压充塞管3给配流阀套401内的孔的水压强减小至小于设定的排水压强时，配流阀杆402在平衡弹簧403的弹力及其下部所受栓塞胶囊水压力共同作用下，克服配流阀杆402上部水压力等阻力，推动配流阀杆402上行，关闭配流阀体404的充塞水口405，同时打开配流阀体404的出塞水口406，栓塞内的有压水通过充塞水道407、进入配流阀体404的出塞水口406、再通过排水口408直接排放到栓塞体外的自由空间，实出了彻底排水卸压。
充塞压强值和排水压强值的设定，通过改变平衡弹簧403的弹性来实现。
工作原理：
以灌浆施工为例(压水试验相对较简单，可参照灌浆施工来实施)来介绍本发明具体实现方式，如图3所示，其中储浆桶8，灌浆泵9，井架10；
(1)利用充塞水泵7通过高压充塞管3给栓塞胶囊5进行充水加压，在地面调节调压阀，当排水卸压机构处水压强达到充塞压强(充塞压强可根据需要进行设定，设定范围一般为4－15MPa)时，排水卸压机构中的配流阀杆在压力差作用下，打开充塞水口及充塞水道，对栓塞胶囊进行充水胀塞，当达到栓塞胶囊胀塞设计压力后，关闭充塞水泵，整个栓塞胶囊稳定便可靠地挤压在止浆段上；
(2)利用灌浆泵通过高压灌浆管对注浆段进行注浆；
(3)当灌浆结束后，利用地面调压阀对栓塞胶囊中的高压水进行卸压，当排水卸压机构处的水压强卸压至排水压强(排水压强可根据需要进行设定，设定范围一般为1－10MPa)时，排水卸压机构中的配流阀杆在压力差作用下，关闭栓塞胶囊的充塞水口405，并打开栓塞胶囊的出塞水口406，将胶囊中的有压水通过排水口408直接排放到栓塞体外的自由空间，栓塞胶囊实现孔底彻底卸压而收缩；
(4)孔内窜动本发明至下一塞位，重复以上步骤，便可实现下一灌浆段的灌浆工作。
主要技术参数：封孔直径：75mm-110mm；最大封孔深度：1000m；充塞工作压强：4－15MPa；栓塞排水压强：1－10MPa。
Claims (2)
1.一种高压孔内排水卸压水压式灌浆和压水试验栓塞，其特征在于：偏心变径接手与排水卸压机构螺纹连接，高压充塞管与排水卸压机构通过螺纹连接并利用O型密封圈密封，栓塞胶囊与排水卸压机构螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管上端与排水卸压机构螺纹连接并利用O型密封圈密封，芯管下端与栓塞胶囊下端滑动连接并利用O型密封圈密封，高压注浆管与排水卸压机构固定连接、并贯穿偏心变径接手和芯管。
2.根据权利要求1所述一种高压孔内排水卸压水压式灌浆和压水试验栓塞，其特征在于：所述排水卸压机构的结构是：在配流阀体的偏心孔内安装平衡弹簧，配流阀杆从平衡弹簧上端穿入、下端与配流阀体的偏心小孔滑动连接，配流阀杆上端与配流阀套滑动配合、并用O型密封圈密封，配流阀套与配流阀体螺纹连接、并用O型密封圈密封，配流阀套上端与高压充塞管螺纹连接，配流阀体的充塞水口连通配流阀体的充塞水道，配流阀体的出塞水口连通栓塞胶囊水道和配流阀体的充塞水道，配流阀体的排水口连通外界和配流阀体的的下部。
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