CN114810048B - 压力控制换向器、原地应力测量装备及原地应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种压力控制换向器、应用该压力控制换向器的原地应力测量装备，以及使用该装备的原地应力测量方法。通过本申请，可以便捷地实现多工作通道的切换，增加电磁阀的个数，可以增加更多的工作通道。本申请的原地应力测量装备，只需串联多个封隔器和印模器，就可在一次下钻的情况下，同时完成多个压裂段的“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务，提高工作效率。

Description

压力控制换向器、原地应力测量装备及原地应力测量方法

技术领域

本申请涉及水压致裂法原地应力测量技术，尤其涉及压力控制换向器、原地应力测量装备以及使用该装备的原地应力测量方法。

背景技术

水压致裂法原地应力测量是70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值可靠等特点，因此近年来得到了广泛应用，并取得大量的成果。

水压致裂法地应力测量的原理如图1所示。

利用一对可膨胀的封隔器(包括上封隔器22和下封隔器31)在钻孔8a中选定的测量深度封隔一段长度(压裂段)，然后通过至压裂段的水路19a泵入流体(通常为水)，流体从上封隔器22和下封隔器31之间的连接钢管27的出水孔29进入压裂段。随着流体压力的增大，压裂段处围岩8破裂，从而得到岩石力学参数。在完成压裂工作后，需要将印模器放到钻孔压裂段的位置，然后对印模器的可膨胀腔体中注入高压水，并保持一段时间，使裂缝的痕迹转印至印模器橡胶层外壁。由于印模器下部固接有电子罗盘，因此可以对裂缝的方向进行判定。

整个测量过程可以概括为“岩石压裂-裂缝定向”两大工作内容。由于该方法测量的深度较大，一般用钻杆将测量用的封隔器或者印模器运送到钻孔深处，测量深度一般有数百米至一千多米深。

此外，由于钻杆内腔只有一个水路，测量时至少需要两个水路，因此需要在钻杆底部和上封隔器之间安装一个换向阀，用来切换水路19a和水路20a。其中水路19a是通往压裂段，水路20a通往上封隔器22的可膨胀腔23，上封隔器22的可膨胀腔23通过管路28与下封隔器31的可膨胀腔32连通。

现有换向阀属于机械换向阀。机械换向阀有拉开、压缩和中间位置三个状态，拉开状态和压缩状态分别对应水路20a和水路19a。在水压致裂测试完成后，需要放出上、下封隔器的可膨胀腔23、32中的高压水，使封隔器回缩至无压力状态，因此在拉开和压缩两个位置状态之中，还设有一个中间位置用来连通放水水路。

在水压致裂测试中，换向阀的拉伸状态和压缩状态两个位置可以通过提升钻杆和降低钻杆找到，中间位置的确定则完全依靠钻机操作员和地应力测量人员的工作经验，具有一定的难度。有时钻孔孔壁较滑，膨胀的封隔器会随钻杆缓慢移动，导致换向阀开关拉伸或者压缩位置定位不准，地面人员难以确定换向阀工作状态。更严重的会导致中间位置难以确定，放水水路无法接通，测量设备卡在井底从而造成测量失败的意外事故。

另外，机械换向阀只有三个工作通道，在完成压裂测量后，必须将压裂用的封隔器等设备提升到地面，换成印模器后再次放到压裂段位置进行定向测量。在测量深度较大时，更换设备非常耗费人力和时间，严重影响测量效率。

发明内容

鉴于上述问题，本申请的第一目的是提出一种压力控制换向器，其通过压力信号来控制换向器的工作通道的切换，方便进行准确控制，其便于实现更多工作通道的控制。本申请的第二目的是提出一种原地应力测量装备，其能够方便实现工作通道的转换，使得水压致裂法原地应力测量能够顺利地实施。本申请的第三目的是提出一种使用该装备的原地应力测量方法，该方法可以准确且便捷地实现工作通道的转换。

本申请的压力控制换向器，其包括主控仓、连接杆、主控板、压力计、多个电磁阀；

沿着连接杆的延伸方向，在连接杆的内部形成有过水通道；连接杆的上端自主控仓的顶端延伸到外部，以安装进钻杆内；连接杆上端形成过滤孔；连接杆的下端液密性地且能够转动地安装在主控仓内，由此钻杆内的水能够经由过滤孔、过水通道后进入主控仓内；

该多个电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀；压力计连接至主控板；

主控仓形成有将主控仓内外连通的第一通道、第二通道；自第一通道分支出延伸到主控仓外的第四通道；

第一电磁阀安装在第一通道中，用于控制第一通道的通断；第二电磁阀安装在第二通道中，用于控制第二通道的通断；第四电磁阀安装在第四通道中，用于控制第四通道的通断；

主控制板根据控制信号来控制多个电磁阀中的至少一个工作；该控制信号至少包括压力计测得的压力值或压力规律。

优选地，主控仓形成有将主控仓内外连通的第三通道；

多个电磁阀中还包括第三电磁阀；第三电磁阀安装在第三通道中，用于控制第三通道的通断。

优选地，进一步包括流量计；流量计连接至主控板；

主控仓内形成第一空间部和第二空间部；第一空间部与第二空间部连通；流量计设置在第一空间部与第二空间部之间；

所述控制信号还包括流量计测得的流速值。

优选地，进一步包括安全阀；

主控仓形成有将主控仓内外连通的第五通道；第五通道为安全通道，用于在主控仓内的流体压力高于安全值时进行泄压；安全阀安装在第五通道中，用于控制第五通道的通断。

本申请的原地应力测量装备，其包括：压力控制换向器、多个封隔器；

压力控制换向器为上述的压力控制换向器；

多个封隔器顺次通过连接钢管串联在一起；多个封隔器的可膨胀腔顺次通过连接软管串联在一起；

压力控制换向器的第一通道用于向所述多个封隔器的可膨胀腔内注入流体；

压力控制换向器的第二通道用于向连接钢管供应流体，流体经由连接钢管上的孔进入岩孔的压裂段；

压力控制换向器的第四通道用于释放所述多个封隔器的可膨胀腔内的流体。

优选地，进一步包括：印模器、定向器；

印模器刚性连接在最下端的封隔器的下端；定向器刚性连接在印模器的下端；

压力控制换向器的第三通道连接至印模器，用于向印模器的可膨胀腔提供流体。

优选地，所述多个封隔器为两个分封隔器。

本申请的原地应力测量方法，其使用上述的原地应力测量装备进行原地应力的测量，其步骤包括：

使用钻杆将整套原地应力测量装备输送到钻孔深部，使连接相邻两个封隔器的连接钢管处于待测岩石位置；

将钻杆中灌满水；

在地面通过高压泵对钻杆中的水按第一规律施加压力；

压力控制换向器的主控板通过压力计识别出压力变化第一规律，控制所述多个电磁阀，使得第一通道被打开，水进入所述多个封隔器的可膨胀腔中；

操作地面高压泵加压，使所述多个封隔器膨胀，封闭压裂段，然后保持该压力一段时间；

压力控制换向器的主控板通过压力计识别出保持压力和持续时间，控制所述多个电磁阀，使得第二通道被打开，连通地面高压泵与压裂段的水路；

操作地面高压泵加压，使高压水通过连连接钢管的出水孔进入压裂段，压裂围岩；

操作地面高压泵，按第二规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第二规律，控制所述多个电磁阀，使得第四通道被打开，释放所述多个封隔器膨胀腔和钻杆中的水，解除封闭状态。

优选地，原地应力测量装备进一步包括：印模器、定向器；

印模器刚性连接在最下端的封隔器的下端；定向器刚性连接在印模器的下端；

压力控制换向器的第三通道连接至印模器，用于向印模器的可膨胀腔提供流体。

优选地，操作地面高压泵，按第三规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第三规律，控制所述多个电磁阀，使得第三通道被打开，连通地面高压泵与印模器的水路；

移动整套测量装备，使印模器橡胶层对准压裂段；

操作地面高压泵加压，使印模器的可膨胀腔注满高压水，保持印模压力一段时间，使岩石裂缝转印到印模器的橡胶层上；

操作地面高压泵，按第四规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第四规律，打开所述多个电磁阀，释放所有井下设备压力，然后关闭所有电磁阀。

本申请的压力控制换向器，可以便捷地实现多工作通道的切换，增加电磁阀的个数，可以增加更多的工作通道。

本申请的原地应力测量装备，只需串联多个封隔器，就可在一次下钻的情况下，可同时完成多个压裂段的“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务，提高工作效率。

本申请中，主控仓内的控制板通过压力计对压力变化规律的识别，可以组合出多种控制方式，分别控制不同的电磁阀。解决了钻孔较深时，地面设备与井下控制电路的信号传输问题。

本申请中，主控仓内安装有压力计和流量计，可同时获取准确的压力数据和流量数据,消除钻杆漏水的影响。通过流量压力耦合分析,可更准确的获得水压致裂原地应力测试的应力特征值,提高此种测试方法的精确度。

附图说明

图1为现有技术的水压致裂法地应力测量的原理图；

图2为本申请的原地应力测量装备的结构示意图；

图3为本申请的压力控制换向器的结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本申请进行详细说明。

说明书附图中的实施例中包括两个封隔器，但本申请不限于两个封隔器的情形，可以是三个，甚至更多个封隔器。

压力控制换向阀由连接杆4和主控仓6组成。

连接杆4固接于钻杆1底部，连接杆4上部设置有过滤孔2，中央设置有过水通道5。过滤孔2的作用是滤掉水中的泥沙等杂质，保护后端器件。连接杆4与主控仓6可相对自由转动，转动接触部位设置有密封圈4a，密封圈4a可以防止钻孔内的水进入主控仓6内部。

主控仓6内部设置有主控板9(通常由单片机实现)、电池7、压力计10、若干电磁阀13、14、16、17、流量计12和安全阀15，并通过线缆11完成主控板9与其他电气元器件之间的电连接。主控板9的作用是接收压力计10测得的水压信息和流量计12的流量信息，记录到内部存储，并根据水压变化规律控制各个电磁阀13、14、16、17动作。流量信息可为地应力值的计算提供依据和参考。电池的作用是为各个电子器件提供电源。电磁阀13的作用是连通钻杆1与封隔器22、31可膨胀腔23、32的水路20，电磁阀14的作用是释放封隔器22、31可膨胀腔23、32中的高压水，电磁阀16的作用是连通钻杆1与压裂段的水路19，电磁阀17的作用是连通钻杆1与印模器36的可膨胀腔37的水路18。当电磁阀13、电磁阀14和电磁阀16同时打开，可释放压裂段的高压水。当电磁阀13、电磁阀14和电磁阀17同时打开，可释放印模器36的可膨胀腔的高压水。安全阀15的作用是防止主控仓内部压力异常升高，保护内部设备。当整套设备需要接1个以上的印模器时，各印模器36可以是串联设置。每个印模器对应一个控制电磁阀和一个过水通道。

如图2所示，整个测量设备由连接杆4、主控仓6、上封隔器22、下封隔器31、若干个印模器36和一个定向器40组成(图中只示意性给出一个印模器)。连接杆4与钻杆1底部固接，固接方式可以采用螺纹、法兰或其它固定方式。连接杆4下部与主控仓6连接，二者可相对自由转动。主控仓6下部固接有上封隔器22。上封隔器22外部是可膨胀橡胶层21，内部有通往压裂段的管路24和通往印模器的管路25。下封隔器31外部是可膨胀橡胶层30，内部有通往印模器的管路33；上封隔器22和下封隔器31通过钢管27固接。钢管27上设置有出水孔29，高压水通过出水孔29到达压裂段。上封隔器22的可膨胀腔23和下封隔器31的可膨胀腔32通过软管28连接。上封隔器22和下封隔器31内部通往印模器36的管路25、33通过软管26相连。下封隔器31与印模器36通过钢管34固接。印模器36下方可继续串接更多印模器，但是需要在主控仓6中设置对应的控制电磁阀，并在上封隔器22和下封隔器31中设置对应的过水通道，图中只给出了一个印模器的配置方案。每串接一个印模器可以完成一次裂缝定向任务，每个印模器36都有一个可膨胀的橡胶外壳35，用来转印岩石裂缝的痕迹。印模器36内部设置有级联下一个印模器的通水管路38。在最下方一个印模器的下方固接有一个定向器40，用来对设备方向进行记录。定向器40为现有技术，其通常包括电源单元41、地磁传感器42和控制电路43。

工作流程：

1.使用钻杆将整套原地应力测量设备输送到钻孔深部，使连接上下封隔器的钢管27处于待测岩石位置；

2.将钻杆中灌满水3；

3.在地面通过高压泵对钻杆中的水按规律一施加压力(示例：地面泵表压5MPa，保压10秒，停压10秒，重复2次)；

4.主控仓内的主控板9通过压力计10识别出压力变化规律一，打开电磁阀13，使水进入上封隔器和下封隔器的可膨胀腔；

5.地面高压泵加压，使上下封隔器膨胀，封闭压裂段，然后保持该压力一段时间(示例：保持30秒)；

6.主控板9通过压力计10识别出保持压力和持续时间，关闭电磁阀13，打开电磁阀16，连通地面高压泵与压裂段的水路；

7.操作地面高压泵加压，使高压水通过连接上下封隔器钢管的出水孔进入压裂段，压裂围岩；

8.操作地面高压泵，按规律二对钻杆内的水施加压力，主控板9通过压力计10识别出压力变化规律二，打开电磁阀13和电磁阀14，释放上下封隔器膨胀腔和钻杆中的水，解除封闭状态；

9.操作地面高压泵，按规律三对钻杆内的水施加压力，主控板9通过压力计10识别出压力变化规律三，关闭电磁阀13、电磁阀14和电磁阀16，打开电磁阀17，连通地面高压泵与印模器的水路；

10.移动整套测量设备，使印模器橡胶层对准压裂段；

11.地面高压泵加压，使印模器的可膨胀腔37注满高压水，保持印模专用压力一段时间(示例：20MPa，30分钟)，使岩石裂缝转印到印模器的橡胶层上；

12.操作地面高压泵，按规律四对钻杆内的水施加压力，主控板9通过压力计10识别出压力变化规律四，打开电磁阀13、电磁阀14、电磁阀16和电磁阀17，释放所有井下设备压力，然后关闭所有电磁阀；

13.至此，该压裂段的岩石压裂和裂缝定向测量任务结束，可以移动整套测量设备进入下一位置开始测量工作。

本申请中压力变化规律是指压力大小、增减差值、保持时间、间隔时间和重复次数的不同组合；压力计接收到的压力不仅包括地面高压泵施加的压力，还包含钻杆中的水柱产生的压力；装备最下方的定向器用于记录每次印模的设备朝向(方位角)。

除非另有定义，本申请中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本发明所涉及的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本申请中提到的材料、方法和实施例仅为说明性的，而非限制性的。

虽然已结合具体实施方式对本发明进行了描述，在本申请的发明主旨下，本领域的技术人员可以进行适当的替换、修改和变化，这种替换、修改和变化仍属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种压力控制换向器，其包括主控仓、连接杆、主控板、压力计、多个电磁阀；

沿着连接杆的延伸方向，在连接杆的内部形成有过水通道；连接杆的上端自主控仓的顶端延伸到外部，以安装进钻杆内；连接杆上端形成过滤孔；连接杆的下端液密性地且能够转动地安装在主控仓内，由此钻杆内的水能够经由过滤孔、过水通道后进入主控仓内；

该多个电磁阀包括第一电磁阀、第二电磁阀、第四电磁阀；压力计连接至主控板；

主控仓形成有将主控仓内外连通的第一通道、第二通道；自第一通道分支出延伸到主控仓外的第四通道；

第一电磁阀安装在第一通道中，用于控制第一通道的通断；第二电磁阀安装在第二通道中，用于控制第二通道的通断；第四电磁阀安装在第四通道中，用于控制第四通道的通断；

主控仓形成有将主控仓内外连通的第三通道；多个电磁阀中还包括第三电磁阀；第三电磁阀安装在第三通道中，用于控制第三通道的通断；

主控制板根据控制信号来控制多个电磁阀中的至少一个工作；该控制信号至少包括压力计测得的压力值或压力规律；主控板用于通过压力计识别出压力变化第一规律，以控制所述多个电磁阀使得第一通道被打开，从而水进入多个封隔器的可膨胀腔中；主控板用于通过压力计识别出保持压力和持续时间，以控制所述多个电磁阀使得第二通道被打开，从而连通地面高压泵与压裂段的水路；主控板用于通过压力计识别出压力变化第二规律，以控制所述多个电磁阀使得第四通道被打开，从而释放多个封隔器膨胀腔和钻杆中的水，解除封闭状态；主控板用于通过压力计识别出压力变化第三规律，以控制所述多个电磁阀使得第三通道被打开，从而连通地面高压泵与印模器的水路。

2.根据权利要求1所述的压力控制换向器，其特征在于：进一步包括流量计；流量计连接至主控板；

主控仓内形成第一空间部和第二空间部；第一空间部与第二空间部连通；流量计设置在第一空间部与第二空间部之间；

所述控制信号还包括流量计测得的流速值。

3.根据权利要求1所述的压力控制换向器，其特征在于：进一步包括安全阀；

主控仓形成有将主控仓内外连通的第五通道；第五通道为安全通道，用于在主控仓内的流体压力高于安全值时进行泄压；安全阀安装在第五通道中，用于控制第五通道的通断。

4.一种原地应力测量装备，其包括：压力控制换向器、多个封隔器；

压力控制换向器为权利要求1-3中任一项所述的压力控制换向器；

多个封隔器顺次通过连接钢管串联在一起；多个封隔器的可膨胀腔顺次通过连接软管串联在一起；

压力控制换向器的第一通道用于向所述多个封隔器的可膨胀腔内注入流体；

压力控制换向器的第二通道用于向连接钢管供应流体，流体经由连接钢管上的孔进入岩孔的压裂段；

压力控制换向器的第四通道用于释放所述多个封隔器的可膨胀腔内的流体；

所示至少一个印模器刚性连接在最下端的封隔器的下端；定向器刚性连接在印模器的下端；

压力控制换向器的第三通道连接至印模器，用于向印模器的可膨胀腔提供流体。

5.根据权利要求4所述原地应力测量装备，其特征在于：

所述多个封隔器为两个封隔器。

6.一种原地应力测量方法，其使用权利要求4的原地应力测量装备进行原地应力的测量，其步骤包括：

使用钻杆将整套原地应力测量装备输送到钻孔深部，使连接相邻两个封隔器的连接钢管处于待测岩石位置；

将钻杆中灌满水；

在地面通过高压泵对钻杆中的水按第一规律施加压力；

压力控制换向器的主控板通过压力计识别出压力变化第一规律，控制所述多个电磁阀，使得第一通道被打开，水进入所述多个封隔器的可膨胀腔中；

操作地面高压泵加压，使所述多个封隔器膨胀，封闭压裂段，然后保持该压力一段时间；

压力控制换向器的主控板通过压力计识别出保持压力和持续时间，控制所述多个电磁阀，使得第二通道被打开，连通地面高压泵与压裂段的水路；

操作地面高压泵加压，使高压水通过连接钢管的出水孔进入压裂段，压裂围岩；

操作地面高压泵，按第二规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第二规律，控制所述多个电磁阀，使得第四通道被打开，释放所述多个封隔器膨胀腔和钻杆中的水，解除封闭状态；

操作地面高压泵，按第三规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第三规律，控制所述多个电磁阀，使得第三通道被打开，连通地面高压泵与印模器的水路；

移动整套测量装备，使印模器橡胶层对准压裂段；

操作地面高压泵加压，使印模器的可膨胀腔注满高压水，保持印模压力一段时间，使岩石裂缝转印到印模器的橡胶层上；

操作地面高压泵，按第四规律对钻杆内的水施加压力，主控板通过压力计识别出压力变化第四规律，打开所述多个电磁阀，释放所有井下设备压力，然后关闭所有电磁阀。

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