CN112267877B - 一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括：中空内管，其后端设有内管水口；中空外管，内管后端与外管前端插接，外管设有前端设有外管水口，且外管水口与内管水口在径向方向上对齐，内管与外管之间具有环形缓冲腔，缓冲腔内前部设有试压弹簧、后部设有可轴向滑动的滑块，滑块与试压弹簧连接，滑块上设有滑块水口，滑块受水压作用滑动使滑块水口连通或封堵内管水口和外管水口；以及环绕外管设置的栓塞。本发明的有益效果：利用钻井液液压从钻杆内部推送锥块进而打开栓塞泄压水口实现栓塞解封，适用于超长水平定向钻孔环境的压水试验装置，解决了现有压水试验装备无法在超长水平定向钻孔内进行栓塞膨胀和泄压的问题。

Description

一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置

技术领域

本发明涉及工程勘察设备技术领域，尤其涉及一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置。

背景技术

目前，随着长距离大埋深隧道工程的增加，传统的垂直钻孔勘察方法遇到很大挑战。如果仍然使用传统的垂直钻孔勘察方法会面临很多问题，如所获得的地层信息不能满足工程设计需要，有效钻进长度过低，钻孔过深，钻孔数目过多，造价过高，受地形限制大等问题。

压水试验是工程地质勘察工作中一项重要的组成部分，目的是获取岩层的水文地质资料。但是，目前的压水试验装置不能适应超长水平定向钻孔中的环境。目前水压式的栓塞封堵方法主要有以下两种，一是单独设置一根供水管路，给栓塞充水，使栓塞膨胀，二是利用钻机上下移动钻杆，通过钻杆的上下移动来控制栓塞水口的开关，以实现栓塞的封闭和压水过程的分别进行。在超长水平定向钻孔中，钻杆推进的时候，为了克服孔壁摩擦力，要进行钻杆的旋转。注水管布置在钻杆外，很容易发生缠绕，进而断裂，粗糙的孔壁也有可能对注水管造成损坏。水平定向钻孔长度可达几公里，这时钻杆柔性大，与孔壁摩擦力大，发生的弹性形变也较大，很可能做不到装置内钻杆精确前进后退，无法成功控制水口开关，或者推动力变化不均匀，使栓塞移动，造成试验失败。

综上所述，有必要提供一种适用于超长水平定向钻孔环境的压水试验装置，以解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置。

本发明的实施例提供一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括：

前端封闭的中空内管，所述内管后端设有内管水口；

后端与钻杆连接的中空外管，所述内管后端与所述外管前端插接，所述外管设有前端设有外管水口，且所述外管水口与所述内管水口在径向方向上对齐，所述内管与所述外管之间具有环形缓冲腔，所述缓冲腔内前部设有试压弹簧、后部设有可轴向滑动的滑块，所述滑块与所述试压弹簧连接，所述滑块上设有滑块水口，所述滑块受水压作用滑动使所述滑块水口连通或封堵所述内管水口和所述外管水口；

以及环绕所述外管设置的栓塞，所述栓塞与所述外管表面之间具有环形积水腔，在所述内管水口与所述外管水口连通时水流进入所述积水腔内使所述栓塞膨胀。

进一步地，还包括锥块，

所述积水腔后部设有朝向所述外管外部延伸的泄压水口以及用于封堵所述泄压水口的泄压块Z，所述外管外壁靠近所述泄压水口处设有阶梯座，所述阶梯座上设有轴向设置的泄压弹簧，所述泄压块与所述泄压弹簧后端连接，且所述泄压块前端封堵所述泄压水口、后端被相对所述外管内壁向内凸起形成限位部，所述限位部限制所述泄压块朝向后方移动；所述锥块受水压作用沿着所述钻杆运动直至被所述限位部挡住并推动所述泄压块朝前运动，使所述泄压块前端打开所述泄压水口。

进一步地，所述钻杆与所述外管之间还串接有与所述外管结构相同的续接外管以及与所述内管结构相同的续接内管，所述续接外管表面设有栓塞，且所述续接外管前端与所述续接内管后端的连接方式与所述外管前端与所述内管后端的连接方式相同；

所述锥块包括内锥块、外锥块和绳索，所述绳索连接所述内锥块，所述内锥块设置于所述外锥块的内部且二者可分离连接，所述锥块在水压驱动下沿着所述钻杆运动，在运动至所述续接外管内的限位部时所述外锥块被所述限位部阻挡，使所述内锥块与所述外锥块分离，通过所述外锥块推动所述续接外管内的泄压块运动；在所述内锥块继续运动至所述外管内的限位部时，通过所述内锥块推动所述外管内的泄压块运动。

进一步地，所述泄压水口为L形，包括垂直连接的径向段和轴向段，所述轴向段与所述积水腔连通，所述泄压块前端设有L形的塞头，所述塞头可滑动设置于所述轴向段内。

进一步地，所述内管前端设有泄压阀。

进一步地，所述内管前端外壁设有高压封闭阀门。

进一步地，所述外管的表面设有阶梯环形安装槽，所述栓塞嵌入所述安装槽内。

进一步地，所述外管内壁设有阶梯端面，所述泄压块后端与所述阶梯端面抵接。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，利用钻杆作为栓塞注水和压水试验用水的水通道，利用钻井液液压从钻杆内部推送锥块进而打开栓塞泄压水口实现栓塞解封，适用于超长水平定向钻孔环境的压水试验装置，相比现有技术不需要另外一套为栓塞准备的高压供水管路和水泵，也不需要精确移动钻杆，解决了现有压水试验装备无法在超长水平定向钻孔内进行栓塞膨胀和泄压的问题，保障了压水试验的顺利进行，满足工程勘察要求，实现超长水平定向钻孔内水文地质参数的获取，并满足快速、可靠的要求。

附图说明

图1是本发明一种适用于单栓塞状态的液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的整体剖面图；

图2是图1中的A处局部放大示意图；

图3是图1中一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的注水示意图；

图4是图1中一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的解封示意图；

图5是本发明一种适用于双栓塞状态的液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的示意图。

图中：1-内管、2-外管、3-栓塞、4-钻杆、5-滑块、6-滑块水口、7-内管水口、8-外管水口、9-缓冲腔、10-积水腔、11-试压弹簧、12-泄压水口、13-泄压块、14-泄压弹簧、15-塞头、16-限位部、17-泄压阀、18-高压封闭阀门、19-锥块、20-绳索、21-续集内管、22-续接外管、23-外锥块、24-内锥块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1

请参考图1、2、3和4，本发明的实施例提供了一种适用于单栓塞状态的液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括内管1、外管2和栓塞3。

具体的，所述内管1为前端封闭的中空管体结构，这里所述内管1前端设有泄压阀17，所述内管1前端通过所述泄压阀17密封，所述泄压阀17的作用是避免钻杆及所述内管内水压过大，对装置造成损坏。所述内管1后端设有内管水口7，所述内管水口7贯穿所述内管1外壁。所述内管1前端外壁设有高压封闭阀门18，所述高压封闭阀门18可以设置多个，设置于所述内管1管壁靠近所述泄压阀17处。所述高压封闭阀门18在高压时封闭，低压时打开。具体地，该种阀门的封闭压力小于栓塞3的注水压力，大于压水试验压水步骤的工作压力，以保证栓塞3封闭时钻杆内部有足够的压力，也可以使压水试验的压水步骤进行时水路通畅。

所述外管2同样为中空管体结构，所述外管2的内径与所述内管1的外径大致相同。所述内管1后端插入所述外管2前端并与其螺纹连接，所述外管2设有前端设有外管水口8，且所述外管水口8与所述内管水口7在径向方向上对齐，所述内管1与所述外管2之间具有间隙，二者之间的空间环形缓冲腔9。所述缓冲腔9内前部设有试压弹簧11、后部设有可轴向滑动的滑块5，所述试压弹簧11前端固定与所述内管1上，且所述试压弹簧11环绕所述内管1设置。所述滑块5为筒状结构，其套设于所述内管1表面，所述滑块5与所述试压弹簧11连接，所述滑块5上设有滑块水口6，所述滑块5受水压作用滑动使所述滑块水口6连通或封堵所述内管水口7和所述外管水口8。

所述栓塞3环绕所述外管2设置，所述栓塞3与所述外管2表面之间具有环形积水腔10，在所述内管水口7与所述外管水口8连通时水流进入所述积水腔10内使所述栓塞膨胀。这里所述外管2的表面设有阶梯环形安装槽，所述栓塞3嵌入所述安装槽内，所述栓塞3内表面与所述外管2外壁之间形成所述积水腔10。

请参考图2和4，液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置还设有用于泄压放水的锥块19，所述锥块9设有与其连接的绳索20，具体的，所述积水腔10后部设有朝向所述外管2外部延伸的泄压水口12以及用于封堵所述泄压水口12的Z形泄压块13，所述外管2外壁靠近所述泄压水口12处设有阶梯座，所述阶梯座上设有轴向设置的泄压弹簧14，所述泄压块13与所述泄压弹簧14后端连接，且所述泄压块13前端封堵所述泄压水口12、后端被相对所述外管2内壁向内凸起形成限位部16，所述限位部16限制所述泄压块13朝向后方移动。所述外管2内壁设有阶梯端面，所述泄压块13后端与所述阶梯端面抵接，所述限位部16沿着所述外管2径向设置。

这里所述泄压水口12为L形，包括垂直连接的径向段和轴向段，所述轴向段与所述积水腔10连通，所述泄压块13前端设有L形的塞头15，所述塞头15可滑动设置于所述轴向段内，所述塞头15在沿着所述轴向段滑动至所述积水腔10内时，所述泄压水口12被打开，在回到所述轴向段内时，所述泄压水口12被堵住。即所述锥块19受水压作用沿着所述钻杆4运动直至被所述限位部16挡住并推动所述泄压块13朝前运动，使所述泄压块13前端打开所述泄压水口12。

上述液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置(以下简称装置)可进行单栓塞的压水试验，具体步骤如下：

S1.全面钻进或者测井等步骤完成之后，回拖拆卸所有钻杆4；

具体地，为了减少岩粉堵塞，压水试验钻孔最好采用金刚石钻进或者硬质合金钻进，并且钻井液最好采用清水。

为了对所述栓塞3设置位置、孔内水位和钻孔倾斜方向进行分析判断，可以通过孔内电视和水下声纳等测试仪器对钻孔情况进行预先勘察，确定不同孔段孔内水位和钻孔空间位置，指导所述栓塞安装位置和试段长度，合理规划工程进度。

S2.进行准备流程，根据现场情况和需求选择试验类型，合理配置装置；

具体地，试段的所述栓塞3止水长度和位置可以根据具体情况确定，以求得不良地层孔段的真实透水性。所求的渗透系数为封堵孔段的平均值，因此应保证封堵段岩性一致。

洗孔采用压水洗孔法，为了确保把孔内的岩粉有效地排出孔外，冲洗时要把钻具下到孔底，流量大于钻进供水量；当在破碎地层进行钻孔冲洗时，可视情况减少或增加冲洗时间。

根据装置深入钻孔的长度，考虑管路压力损失，预先在孔外测定每米钻杆4和每副接头在不同流量下的压力损失，并绘制出图表供现场使用。

S3.将装置安装在钻杆4前端，推送进入水平钻孔内指定位置；

S4.开启水泵，通过钻杆4内部的通道向栓塞3注水，缓慢对所述滑块5增大压力，所述滑块5朝向所述试压弹簧11滑动，直至达到所述外管水口8打开的压力，所述滑块水口6运动至所述内管水口7和所述外管水口8之间，三者对齐，所述外管水口8打开，向所述积水腔10内注入高压水，所述栓塞3膨胀；这里所述栓塞3的膨胀压力小于所述外管水口8的开启压力。

S5.继续降低钻杆4内的水压力直至试验压力，按照规范进行压水试验；

具体地，装置内水压力大于所述栓塞3的开启压力保持一段时间后，下降压力至栓塞3的开启压力，此时所述钻杆4内水压力大于栓塞3的膨胀压力，但是所述滑块水口6与所述内管水口7和所述外管水口8错开，所述栓塞3内部压力仍然大于栓塞3的膨胀压力。之后继续下降所述钻杆4内水压力，所述积水腔10内部水与所述钻杆4隔绝，所述栓塞3仍然保持膨胀。

压水试验的压水步骤开始时，通过带高压封闭阀门18的内管向被封堵段注水。该种阀门在高压时封闭，低压时打开。具体地，该种阀门的封闭压力小于栓塞的注水压力，大于压水试验压水步骤的工作压力，以保证栓塞3封闭时钻杆4内部有足够的压力，也可以使压水试验的压水步骤进行时水路通畅。

具体地，压水试验用水和栓塞封堵用水均通过钻杆4输送。所使用的水泵可以为钻进过程使用的泥浆泵，若不能满足需要，也可以在全面钻进完成后更换精度更高的压水试验专用水泵和配套的流量、压力测量装置。

具体地，试验过程中，绘制P-Q曲线，反映流量随压力的变化关系。

具体地，常规压水试验按P1＝0.3MPa，P2＝0.6MPa，P3＝1.0MPa三级压力进行，或P1—P2—P3—P3—P1五个阶段进行。压力和流量观测有两种方式，一是依靠人工观测数据再记录的方式，另一种是通过试验记录系统，用仪器记录试验过程中压力、流量、时间等参数的变化。观测每隔1min或2min一次。5次流量读数的相对差不大于10％，或是绝对差不大于1L/min，该阶段试验即可结束。

S6.泄栓塞3压，封闭孔段解封。压水试验完成之后，将带绳索20的锥块19通过液压推送进入钻杆4内直至本装置内部，推动栓塞3泄压水口打开，栓塞3泄压；

当压水试验完成之后，将水泵拆卸，将带绳索20的锥块放入钻杆4内，再装上水泵。之后利用钻杆4内流动的水的水动力将锥块19送入钻杆4端部本装置处。所述锥块19应具有较低的质量，方便以较小的水压力推送。

具体地，所述锥块19到达装置内之后，所述锥块19卡在所述外管2的内的限位部16上，与所述泄压块13之间接触，将水路大部分堵塞。提升水压力，推动锥块19以及泄压块13，栓塞3的泄压水口12打开，所述栓塞3泄压。

S7.通过绳索20回拖所述锥块19。

S8.继续推进，进行下一段试验，或者回拖钻杆4，取出设备，结束试验。

实施例2

另外，请参考图5，本发明的实施例提供了一种适用于双栓塞状态的液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，在上述实施例1中液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置基础上，所述钻杆4与所述外管2之间还串接有与所述外管2结构相同的续接外管22以及与所述内管1结构相同的续接内管21，所述续接外管22表面设有栓塞3，且所述续接外管22前端与所述续接内管21后端的连接方式与所述外管2前端与所述内管1后端的连接方式相同；

所述锥块19包括内锥块24和外锥块23，所述绳索20连接所述内锥块24，所述内锥块24设置于所述外锥块23的内部且二者可分离连接，所述内锥块24的最大跨度小于所述续接内管21的内径。所述锥块19在水压驱动下沿着所述钻杆4运动，在运动至所述续接外管22内的限位部16时所述外锥块23被所述限位部16阻挡，使所述内锥块24与所述外锥块23分离，通过所述外锥块23推动所述续接外管22内的泄压块13运动；在所述内锥块24继续运动至所述外管2内的限位部16时，通过所述内锥块24推动所述外管2内的泄压块13运动。

上述液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置(以下简称装置)可进行双栓塞的压水试验，与实施例1中单栓塞的压水试验的方法不同之处在于步骤S6，其他步骤均相同，本实施例中的步骤S6具体为：

在双栓塞状况下，为了对两个栓塞3都实现解封，向所述钻杆4内放入所述锥块19，在水压的推动作用下所述锥块19到达所述续接外管22内的限位部16时所述外锥块23被所述限位部16阻挡，使所述内锥块24与所述外锥块23分离，而后所述外锥块23受水压作用继续运动，推动所述续接外管22内的泄压块13运动，使所述续接外管22的泄压水口12被打开，完成所述续接外管22表面的栓塞3泄压；所述内锥块24继续运动至所述外管2内的限位部16时，通过所述内锥块24推动所述外管2内的泄压块13运动，使所述外管2的泄压水口12被打开，完成所述续接外管2表面的栓塞3泄压。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于，包括：

前端封闭的中空内管，所述内管后端设有内管水口；

后端与钻杆连接的中空外管，所述内管后端与所述外管前端插接，所述外管前端设有外管水口，且所述外管水口与所述内管水口在径向方向上对齐，所述内管与所述外管之间具有环形缓冲腔，所述缓冲腔内前部设有试压弹簧、后部设有可轴向滑动的滑块，所述滑块与所述试压弹簧连接，所述滑块上设有滑块水口，所述滑块受水压作用滑动使所述滑块水口连通或封堵所述内管水口和所述外管水口；

以及环绕所述外管设置的栓塞，所述栓塞与所述外管表面之间具有环形积水腔，在所述内管水口与所述外管水口连通时水流进入所述积水腔内使所述栓塞膨胀；

还包括锥块，

所述积水腔后部设有朝向所述外管外部延伸的泄压水口以及用于封堵所述泄压水口的Z形泄压块，所述外管外壁靠近所述泄压水口处设有阶梯座，所述阶梯座上设有轴向设置的泄压弹簧，所述泄压块与所述泄压弹簧后端连接，且所述泄压块前端封堵所述泄压水口、后端相对所述外管内壁向内凸起形成限位部，所述限位部限制所述泄压块朝向后方移动；所述锥块受水压作用沿着所述钻杆运动直至被所述限位部挡住并推动所述泄压块朝前运动，使所述泄压块前端打开所述泄压水口。

2.如权利要求1所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述钻杆与所述外管之间还串接有与所述外管结构相同的续接外管以及与所述内管结构相同的续接内管，所述续接外管表面设有栓塞，且所述续接外管前端与所述续接内管后端的连接方式与所述外管前端与所述内管后端的连接方式相同；

所述锥块包括内锥块、外锥块和绳索，所述绳索连接所述内锥块，所述内锥块设置于所述外锥块的内部且二者可分离连接，所述锥块在水压驱动下沿着所述钻杆运动，在运动至所述续接外管内的限位部时所述外锥块被所述限位部阻挡，使所述内锥块与所述外锥块分离，通过所述外锥块推动所述续接外管内的泄压块运动；在所述内锥块继续运动至所述外管内的限位部时，通过所述内锥块推动所述外管内的泄压块运动。

3.如权利要求2所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述泄压水口为L形，包括垂直连接的径向段和轴向段，所述轴向段与所述积水腔连通，所述泄压块前端设有L形的塞头，所述塞头可滑动设置于所述轴向段内。

4.如权利要求1所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述内管前端设有泄压阀。

5.如权利要求1所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述内管前端外壁设有高压封闭阀门。

6.如权利要求1所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述外管的表面设有阶梯环形安装槽，所述栓塞嵌入所述安装槽内。

7.如权利要求2所述的一种液压驱动式水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，其特征在于：所述外管内壁设有阶梯端面，所述泄压块后端与所述阶梯端面抵接。

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