CN111677497A - 水压致裂应力检测装置以及检测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种水压致裂应力检测装置以及检测系统，该检测装置包括本体棒以及压裂密封构件；压裂密封构件包括两组密封圈组，两组密封圈组间隔套设在本体棒外与本体棒配合形成压裂密封部，当本体棒伸入钻孔中时，压裂密封部能够与钻孔的内壁密封配合以形成压裂密封腔；本体棒包括高压水通道以及用于与钻杆连接的接头端；高压水通道的一端口开设在接头端的端面上，另一端口开设在压裂密封部内本体棒的外表面上。该检测装置结构简单，检测操作方便简单，可有效提高测量效率。

Description

水压致裂应力检测装置以及检测系统

技术领域

本申请涉及岩土工程技术领域，具体而言，涉及一种水压致裂应力检测装置以及检测系统。

背景技术

水压致裂法是目前国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法。水压致裂地应力测量方法就是：在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压压裂，同时利用计算机数字采集系统记录压力随时间的变化。对实测记录曲线进行分析，得到特征压力参数，再根据相应的理论计算公式、印模方向数据及图像，就可得到测点处的最大和最小水平主应力的量值及方向。

现有技术中，常采用一对跨越式封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，封隔器由胶筒、端头、中心杆组成(端头和中心杆为金属件)。胶筒与中心杆之间的环形腔体为封隔器的密封腔，两个封隔器的密封腔通过跨接连接杆坐封水路(或独立的高压胶管)连为一体，形成完整的坐封腔体；跨接连接杆中除了有坐封水路外，还有压裂水路，封隔器中心杆过水通道与跨接连接杆压裂水路密封连接，与压裂环形腔相通。测量过程中首先往跨接封隔器坐封腔体中注水增压，双封隔器膨胀与钻孔内壁岩石压紧形成中间的密闭空间，这个密闭环形空间即为压裂腔。通过封隔器中心杆过水通道与跨接连接杆压裂水路往压裂腔注水增压，即可开展水压致裂地应力测量。

由以上内容可知，现有的跨越式封隔器结构较为复杂，体积较大，目前这种跨接式封隔器比较适合于在垂直钻孔中进行测量，在水平钻孔中开展水压致裂应力测量，这种跨接式封隔器只能依靠钻机动力进行推拉，下井安装受到孔壁摩擦等因素影响将十分困难，再考虑到地下工程洞室中狭小空间，因此这种方式将严重制约水平钻孔水压致裂应力测量深度及测量效率。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种水压致裂应力检测装置以及检测系统，该检测装置结构简单，检测操作方便简单，可有效提高测量效率。

本申请实施例提供了一种水压致裂应力检测装置，该检测装置包括本体棒以及压裂密封构件；所述压裂密封构件包括两组密封圈组，两组所述密封圈组间隔套设在所述本体棒外与所述本体棒配合形成压裂密封部，当所述本体棒伸入钻孔中时，所述压裂密封部能够与所述钻孔的内壁密封配合以形成压裂密封腔；所述本体棒包括高压水通道以及用于与钻杆连接的接头端；所述高压水通道的一端口开设在所述接头端的端面上，另一端口开设在所述压裂密封部内所述本体棒的外表面上。

在上述实现过程中，该检测装置通过在本体棒上间隔设置两组密封圈组以实现本体棒与钻孔内壁之间的密封，进而在钻孔的预定深度封隔一段钻孔，形成压裂密封腔。该检测装置还通过在本体棒上开设一个高压通道，连通压裂密封部与接头端，进而实现从接头端向压裂密封腔内通入高压水的目的。该检测装置通过设置一个本体棒，在本体棒上设置密封圈组实现封隔钻孔，在本体棒上开设一个高压水通道实现高压水的通入，结构简单，操作方便，当本体棒伸入预定深度时，自动密封形成压裂密封腔。由于该检测装置的结构主体为一个本体棒，结构简单，其尺寸设计弹性较大，当其尺寸较小时，也可满足强度要求，可适用于地下岩体工程小口径水平钻孔的水压致裂应力测量。由以上内容可知，本申请提供的水压致裂应力检测装置结构简单、稳定，操作方便，尺寸设计弹性较大，强度较高，可适用于地下岩体工程的垂直钻孔与水平钻孔，也可适用于实验室岩石试件上微小钻孔水压致裂地应力测量，且可有效提高水平钻孔的测量效率。

在一种可能的实现方式中，所述压裂密封构件的个数为多个，多个所述压裂密封构件由内向外依次嵌套设置以形成由内向外依次嵌套的多个所述压裂密封部。

在上述实现过程中，本体棒上由内向外依次嵌套设置了多个压裂密封构件，多个压裂密封构件的两组密封圈组的横跨宽度逐渐增大，进而形成由内向外依次嵌套逐渐增大的多个压裂密封部。当中间较小的压裂密封腔部分的岩壁被高压水压裂后，岩壁的裂隙可能进一步扩展，超过该压裂密封腔的范围，此时，相邻的较大的压裂密封部继续起到密封作用，形成一个较大的压裂密封腔。

在一种可能的实现方式中，所述密封圈组包括外径不同的多个密封圈，多个所述密封圈沿所述本体棒的长度方向依次排列设置。

在上述实现过程中，对于不同钻孔，钻孔的内径不同。每个密封圈组设置多个外径不同的密封圈，可以使得该水压致裂应力检测装置能够适用于内径不同的钻孔，扩展了该检测装置的适用范围。在将本体棒伸入钻孔中之前，根据钻孔的实际内径去掉各密封圈组中外径明显偏大的密封圈，然后再钻杆把本体棒安装到钻孔中，一方面可减小较大的密封圈的磨损，另一方面，外径明显偏大的密封圈会对本体棒推进钻孔造成阻碍，因此去掉外径明显偏大的密封圈可减小本体棒的推进阻力。

在一种可能的实现方式中，所述密封圈组的多个密封圈直径由大到小依次排列设置。

在上述实现过程中，每个密封圈组的多个密封圈按照直径由大到小依次排列设置，当去掉直径明显偏大时，剩下的多个密封圈之间的间隔不变，有利于密封圈结构的稳定，保证其密封性能。

在一种可能的实现方式中，所述本体棒的外表面设置有用于安装所述密封圈的环形槽。

在上述实现过程中，通过在本体棒的外表面设置环形槽来安装密封圈，结构简单，安装稳定。

在一种可能的实现方式中，所述环形槽内设置有用于固定所述密封圈的密封圈挡片。

在上述实现过程中，环形槽内的密封圈挡片可以固定密封圈。在本体棒推进钻孔中时，密封圈挡片可固定住密封圈，防止密封圈与环形槽的内壁摩擦，减小密封圈的磨损，延长密封圈的使用寿命。

在一种可能的实现方式中，所述本体棒还包括排泄通道以及与所述接头端相对的导入端；所述排泄通道的一端口开设在所述导入端的端面上，另一端口开设在所述接头端与所述压裂密封构件之间的所述本体棒的外表面上。

在上述实现过程中，一般钻孔中会存在一定量的气体或液体，在本体棒推进钻孔的过程中，本体棒与钻孔内壁之间也处于密封状态，本体棒在推进的过程中，逐渐压缩钻孔内的气体或液体，随着本体棒的推进，钻孔内的压强越来越大，进而阻碍本体棒的进一步推进。因此在本体棒上设置排泄通道，排泄通道的一端开设在本体棒的导入端，另一端开设在接头端与所述压裂密封构件之间的所述本体棒的外表面上。在本体棒推进钻孔的过程中，钻孔内的气体或液体在自然流动下通过排泄通道排出到本体棒的后端，减小本体棒前端的压力，促使本体棒顺利推进到钻孔的预定深度。

在一种可能的实现方式中，所述导入端的端面为弧形端面。

在上述实现过程中，将导入端的端面设计为弧形端面，有利于本体棒导入钻孔内，使得本体棒推进钻孔的进出更加顺畅。

在一种可能的实现方式中，所述高压水通道的转角为圆弧角。

在上述实现过程中，由于高压水通道的两个端口分别在本体棒的接头端的端面以及本体棒的外表面上，即两个相交的表面上，因此高压水通道存在转角，转角的存在会削弱高压水的流速与压强。相比于直线角，将高压水通道的转角设置为圆弧角，可减小高压水在转角处的流速或压力损失。

本申请实施例还提供了一种水压致裂应力检测系统，该水压致裂应力检测系统上述任一实施例中所述的水压致裂地压力的检测装置、钻杆以及导正轮，所述钻杆与所述接头端连接，所述导正轮安装在所述钻杆上。

在上述实现过程中，在钻杆上设置到导正轮可以对本体棒推进钻孔起到导正作用，防止本体棒推进方向发生偏移。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种水压致裂应力检测装置的结构图；

图2为本申请实施例提供的一种水压致裂应力检测装置在钻孔中的安装的示意图；

图3为本申请实施例提供的一种本体棒的局部结构图。

图标：100-水压致裂应力检测装置；110-本体棒；111-接头端；112-导入端；113-高压水通道；114-排泄通道；115-环形槽；116-密封圈挡片；120-压裂密封构件；121-密封圈组；122-密封圈；123-压裂密封部；124-压裂密封腔；200-钻孔；300-导正轮；400-钻杆。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参考图1与图2，本申请实施例提供了一种水压致裂应力检测装置100，该检测装置包括本体棒110以及压裂密封构件120；压裂密封构件120包括两组密封圈组121，两组密封圈组121间隔套设在本体棒110外与本体棒110配合形成压裂密封部123，当本体棒110伸入钻孔200中时，压裂密封部123能够与钻孔200的内壁密封配合以形成压裂密封腔124；本体棒110包括高压水通道113以及用于与钻杆400连接的接头端111；高压水通道113的一端口开设在接头端111的端面上，另一端口开设在压裂密封部123内本体棒110的外表面上。

在上述实现过程中，该检测装置通过在本体棒110上间隔设置两组密封圈组121以实现本体棒110与钻孔200内壁之间的密封，进而在钻孔200的预定深度封隔一段钻孔200，形成压裂密封腔124。该检测装置还通过在本体棒110上开设一个高压通道，连通压裂密封部123与接头端111，进而实现从接头端111向压裂密封腔124内通入高压水的目的。该检测装置通过设置一个本体棒110，在本体棒110上设置密封圈组121实现封隔钻孔200，在本体棒110上开设一个高压水通道113实现高压水的通入，结构简单，操作方便，当本体棒110伸入预定深度时，自动密封形成压裂密封腔124。由于该检测装置的结构主体为一个本体棒110，结构简单，其尺寸设计弹性较大，当其尺寸较小时，也可满足强度要求，可适用于地下岩体工程小口径水平钻孔200的水压致裂应力测量。由以上内容可知，本申请提供的水压致裂应力检测装置100，结构简单、稳定，操作方便，尺寸设计弹性较大，强度较高，可适用于地下岩体工程的垂直钻孔200与水平钻孔200，也可适用于实验室岩石试件上微小钻孔200水压致裂地应力测量，且可有效提高水平钻孔200的测量效率。

需要说明的是，上述本体棒110是指延伸一定长度的杆状物体。本体棒110可选择强度较高的金属材料以满足水压致裂过程中较高的强度要求。

在一种可能的实现方式中，压裂密封构件120的个数为多个，多个压裂密封构件120由内向外依次嵌套设置以形成由内向外依次嵌套的多个压裂密封部123。

在上述实现过程中，本体棒110上由内向外依次嵌套设置了多个压裂密封构件120，多个压裂密封构件120的两组密封圈组121的横跨宽度逐渐增大，进而形成由内向外依次嵌套逐渐增大的多个压裂密封部123。当中间较小的压裂密封腔124部分的岩壁被高压水压裂后，岩壁的裂隙可能进一步扩展，超过该压裂密封腔124的范围，此时，相邻的较大的压裂密封部123继续起到密封作用，形成一个较大的压裂密封腔124。在实际测量过程中，可根据裂隙实际沿轴向扩展长度，适当设置压裂密封构件120的个数，具体地，本体棒110上可设置2个、3个或5个压裂密封构件120。

需要说明的是，当一个本体棒110上设置有多个由内向外依次嵌套的压裂密封部123时，高压水通道113在本体棒110外表面上的端口设置在多个压裂密封部123中的最小的压裂密封部123内。

在一种可能的实现方式中，请参考图3，密封圈组121包括外径不同的多个密封圈122，多个密封圈122沿本体棒110的长度方向依次排列设置。

在上述实现过程中，对于不同钻孔200，钻孔200的内径不同。每个密封圈组121设置多个外径不同的密封圈122，可以使得该水压致裂应力检测装置100能够适用于内径不同的钻孔200，扩展了该检测装置的适用范围。在将本体棒110伸入钻孔200中之前，根据钻孔200的实际内径去掉各密封圈组121中外径明显偏大的密封圈122，然后再钻杆400把本体棒110安装到钻孔200中，一方面可减小较大的密封圈122的磨损，另一方面，外径明显偏大的密封圈122会对本体棒110推进钻孔200造成阻碍，因此去掉外径明显偏大的密封圈122可减小本体棒110的推进阻力。

在一种可能的实现方式中，密封圈组121的多个密封圈122直径由大到小依次排列设置。

在上述实现过程中，每个密封圈组121的多个密封圈122按照直径由大到小依次排列设置，当去掉直径明显偏大时，剩下的多个密封圈122之间的间隔不变，有利于密封圈122结构的稳定，保证其密封性能。

在一种可能的实现方式中，本体棒110的外表面设置有用于安装密封圈122的环形槽115。

在上述实现过程中，通过在本体棒110的外表面设置环形槽115来安装密封圈122，结构简单，安装稳定。

在一种可能的实现方式中，环形槽115内设置有用于固定密封圈122的密封圈挡片116。

在上述实现过程中，环形槽115内的密封圈挡片116可以固定密封圈122。在本体棒110推进钻孔200中时，密封圈挡片116可固定住密封圈122，防止密封圈122与环形槽115的内壁摩擦，减小密封圈122的磨损，延长密封圈122的使用寿命。

在一种可能的实现方式中，本体棒110还包括排泄通道114以及与接头端111相对的导入端112；排泄通道114的一端口开设在导入端112的端面上，另一端口开设在接头端111与压裂密封构件120之间的本体棒110的外表面上。

在上述实现过程中，一般钻孔200中会存在一定量的气体或液体，在本体棒110推进钻孔200的过程中，本体棒110与钻孔200内壁之间也处于密封状态，本体棒110在推进的过程中，逐渐压缩钻孔200内的气体或液体，随着本体棒110的推进，钻孔200内的压强越来越大，进而阻碍本体棒110的进一步推进。因此在本体棒110上设置排泄通道114，排泄通道114的一端开设在本体棒110的导入端112，另一端开设在接头端111与压裂密封构件120之间的本体棒110的外表面上。在本体棒110推进钻孔200的过程中，钻孔200内的气体或液体在自然流动下通过排泄通道114排出到本体棒110的后端，减小本体棒110前端的压力，促使本体棒110顺利推进到钻孔200的预定深度。

在一种可能的实现方式中，导入端112的端面为弧形端面。

在上述实现过程中，将导入端112的端面设计为弧形端面，有利于本体棒110导入钻孔200内，使得本体棒110推进钻孔200的进出更加顺畅。

在一种可能的实现方式中，高压水通道113的转角为圆弧角。

在上述实现过程中，由于高压水通道113的两个端口分别在本体棒110的接头端111的端面以及本体棒110的外表面上，即两个相交的表面上，因此高压水通道113存在转角，转角的存在会削弱高压水的流速与压强。相比于直线角，将高压水通道113的转角设置为圆弧角，可减小高压水在转角处的流速或压力损失。

本申请实施例还提供了一种水压致裂应力检测系统，该水压致裂应力检测系统上述任一实施例中的水压致裂地压力的检测装置、钻杆400以及导正轮300，钻杆400与接头端111连接，导正轮300安装在钻杆400上。

在上述实现过程中，在钻杆400上设置到导正轮300可以对本体棒110推进钻孔200起到导正作用，防止本体棒110推进方向发生偏移。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种水压致裂应力检测装置，其特征在于，包括：本体棒以及压裂密封构件；

所述压裂密封构件，包括两组密封圈组，两组所述密封圈组间隔套设在所述本体棒外与所述本体棒配合形成压裂密封部，当所述本体棒伸入钻孔中时，所述压裂密封部能够与所述钻孔的内壁密封配合以形成压裂密封腔；

所述本体棒包括高压水通道以及用于与钻杆连接的接头端；所述高压水通道的一端口开设在所述接头端的端面上，另一端口开设在所述压裂密封部内所述本体棒的外表面上。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述压裂密封构件的个数为多个，多个所述压裂密封构件由内向外依次嵌套设置以形成由内向外依次嵌套的多个所述压裂密封部。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述密封圈组包括外径不同的多个密封圈，多个所述密封圈沿所述本体棒的长度方向依次排列设置。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述密封圈组的多个密封圈直径由大到小依次排列设置。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述本体棒的外表面设置有用于安装所述密封圈的环形槽。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述环形槽内设置有用于固定所述密封圈的密封圈挡片。

7.根据权利要求1-6任一项所述的检测装置，其特征在于，所述本体棒还包括排泄通道以及与所述接头端相对的导入端；所述排泄通道的一端口开设在所述导入端的端面上，另一端口开设在所述接头端与所述压裂密封构件之间的所述本体棒的外表面上。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述导入端的端面为弧形端面。

9.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述高压水通道的转角为圆弧角。

10.一种水压致裂应力检测系统，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的水压致裂应力检测装置、钻杆以及导正轮，所述钻杆与所述接头端连接，所述导正轮安装在所述钻杆上。

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