CN116973291B - 一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仪器设备技术领域，尤其是涉及一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，以解决现有设备无法获得针对特定岩层段的详细渗透率数据，本装置包括测杆系统，测杆系统包括第一固定段、第二固定段和注水段，注水段的周壁设置有单向出水孔，第一固定段内有第一通道，第二固定段内有第二通道，注水段上下贯通形成注水通道，第一通道、第二通道和注水通道连通，液体介质自第一通道流向注水通道，然后由单向出水孔流出，进而完成针对特定岩层的渗透率测量。

Description

一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置

技术领域

本发明涉及仪器设备技术领域，尤其是涉及一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置。

背景技术

原地浸出是当前铀资源主要开采方式之一，该方法对铀资源储层渗透性具有较高的要求。为了实现铀资源的高效开采，需要对储层进行改造，同时需要对改造完的储层进行准确的渗透性测量，以确保铀资源的原地浸出顺利进行。因此，对储层的改造和渗透性测量对于铀资源的高效开采具有重要的影响和意义。

目前国内关于岩石渗透率的测量研究主要集中在实验室测量方面，通常采用稳态法或瞬态法在测试设备上对不同岩石样品的渗透特性进行了试验研究。但由于试件尺寸较小，导致结果测量范围有限，且能加工的试件一般都来自较完整密实的岩石或岩芯样品与现场实际情况有所差异，因此测量结果一般比现场介质低数个量级，导致实验室测量结果在应用上有一定的局限性。现有的大多数原位渗透率测定仪器只能实现单一渗透率的测定方法，不能使用同一个设备进行不同渗透率方法测量，导致设备测出的结果具有较多的额外误差。而且现有的渗透率测量方法主要依赖于获取整体平均值来推断岩层的渗透率特征。

因此，现有设备无法获得针对特定岩层段的详细渗透率数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，以解决现有设备无法获得针对特定岩层段的详细渗透率数据的问题。

本发明的目的可以通过以下装置实现：

一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，包括测杆系统；

测杆系统包括第一固定段、第二固定段和位于第一固定段和第二固定段之间的注水段；

第一固定段包括第一膨胀气囊，第一膨胀气囊上下贯通形成有第一通道；

第二固定段包括第二膨胀气囊，第二膨胀气囊上下贯通形成有第二通道；

注水段上下贯通形成注水通道，注水段上端与第一固定段可拆卸连接，注水段下端与第二固定段可拆卸连接，注水段的周壁设置有单向出水孔，自注水段指向外部的方向，出水孔导通，自外部指向注水段内部，出水孔闭合；

第一通道、第二通道和注水通道连通，液体介质自第一通道流向注水通道，然后由单向出水孔流出。

更进一步地，

注水段内壁沿注水段的轴线方向设置有多个单向结构，单向结构包括第一斜壁和第二斜壁，第一斜壁和第二斜壁相交形成角部，角部为单向出水孔，

当介质自内向外流动，第一斜壁和第二斜壁在角部的端点分离，单向出水孔打开；

当介质自外向内流动，第一斜壁和第二斜壁在角部的端点闭合，单向出水孔闭合；

注水段外周设置有外层过滤网。

更进一步地，

第一固定段还包括第一封堵部，第一封堵部设置于第一膨胀气囊的远离注水段的一端，第一封堵部上下贯通并且与第一通道导通；

第二固定段还包括第二封堵部，第二封堵部设置于第二膨胀气囊的远离注水段的一端，第二封堵部上下贯通并且与第二通道导通。

更进一步地，

还包括调节机构，调节机构包括第三膨胀气囊、丝杠、螺母座和活塞环；

丝杠自上而下贯穿注水通道；

丝杠沿轴向方向内部中空；

螺母座活动连接于丝杠外壁；

活塞环套装于螺母座；

第三膨胀气囊位于螺母座上部并且在充气状态下能够封闭注水段内壁的单向出水孔。

更进一步地，

调节机构还包括第一轴承座和第二轴承座；

第一轴承座设置于第一固定段的上部，并与丝杠上端活动连接；

第二轴承座设置于第二固定段的下部，并与丝杠下端活动连接。

更进一步地，

调节机构还包括驱动部；

驱动部包括第一齿轮、第二齿轮和第一电机；

第一齿轮与第一电机套接，并与第二齿轮转动连接；

第二齿轮与丝杠的上端套接。

更进一步地，

还包括挖掘机构；

挖掘机构包括贯穿设置于丝杠内部的钻头扶杆、与钻头扶杆下端固定连接的钻头、两个位于钻头扶杆与丝杠之间的环形轴承和第二电机；

环形轴承的内壁与钻头扶杆套接；

环形轴承的外壁与丝杠的内壁套接。

更进一步地，

测量装置还包括稳态测量管路和瞬态测量管路，稳态测量管路和瞬态测量管路择一与测杆系统导通；

稳态测量管路和瞬态测量管路的起始端交点上设置有第一换向阀，末端交点上设置有第二换向阀。

更进一步地，

稳态测量管路上依次设置有稳态压力传感器和流量计；

瞬态测量管路上依次设置有脉冲发生器、瞬态截止阀和瞬态压力传感器。

更进一步地，

还包括注水管路和通气管路；

注水管路与测杆系统导通并且在注水管路上设置有第三换向阀；

第三换向阀与第二换向阀通过管路连接；

第三换向阀可以将注水管路和第二换向阀导通的管路择一与测杆系统导通；

注水管路依次设置有试压泵、水箱、回压泵和压力缓冲器；

通气管路包括气罐，第一膨胀气囊、第二膨胀气囊和第三膨胀气囊分别与气罐连接。

本方案提供了一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，该装置包括测杆系统，测杆系统包括可拆卸式的第一固定段、第二固定段和位于第一固定段和第二固定段之间的注水段，第一固定段、第二固定段和注水段上下贯通形成注水通道，注水段的周壁设置有单向出水孔，液体介质在注水通道内流动从单向出水孔流出。

当机会测量的岩层长度与注水段长度不一致时，可以通过增加或减速注水段的数量来调整实际的测量范围，并将测杆系统放置于岩层内部，以实现对特定岩层的渗透率测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为第一固定段、第二固定段和注水段的安装示意图；

图3为测杆系统的结构示意图；

图4为注水段的结构示意图；

图5为第一固定段的结构示意图；

图6为第二固定段的结构示意图；

图7为螺母座的结构示意图；

图标：100-测杆系统；110-第一固定段；111-第一膨胀气囊；112-第一封堵部；120-第二固定段；121-第二膨胀气囊；122-第二封堵部；130-注水段；131-第一斜壁；132-第二斜壁；133-单向出水孔；134-外层过滤网；140-调节机构；141-第三膨胀气囊；142-丝杠；143-螺母座；144-活塞环；145-第一轴承座；146-第二轴承座；147-第一齿轮；148-第二齿轮；149-第一电机；150-挖掘机构；151-钻头扶杆；152-钻头；153-环形轴承；154-第二电机

200-稳态测量管路；210-稳态压力传感器；220-流量计；

300-瞬态测量管路；310-压力计；320-脉冲发生器；330-瞬态截止阀；340-瞬态压力传感器；

400-第一换向阀；

500-第二换向阀；

600-注水管路；610-试压泵；620-水箱；630-回压泵；640-压力缓冲器；

700-通气管路；710-气罐

800-第三换向阀；

910-数据处理器；920-电脑。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1-7所示，一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，包括测杆系统100；

测杆系统100包括第一固定段110、第二固定段120和位于第一固定段110和第二固定段120之间的注水段130；

第一固定段110包括第一膨胀气囊111，第一膨胀气囊111上下贯通形成有第一通道；

第二固定段120包括第二膨胀气囊121，第二膨胀气囊121上下贯通形成有第二通道；

注水段130上下贯通形成注水通道，注水段130上端与第一固定段110可拆卸连接，注水段130下端与第二固定段120可拆卸连接，注水段130的周壁设置有单向出水孔133，自注水段130指向外部的方向，单向出水孔133导通，自外部指向注水段130内部，单向出水孔133闭合；

第一通道、第二通道和注水通道连通，液体介质自第一通道流向注水通道，然后由单向出水孔133流出。

测杆系统100能够进入岩层内部，针对岩层进行测量，同时通过可拆卸连接的方式能够将多个注水段130拼装在一起，实现测量范围的扩展。

关于注水段130的形状和结构，如图4所示：

注水段130内壁沿注水段130的轴线方向设置有多个单向结构，单向结构包括第一斜壁131和第二斜壁132，第一斜壁131和第二斜壁132相交形成角部，角部为单向出水孔133；注水段130的材质优选为塑料材质，注水段130内常通入液体介质，使用塑料材质能够显著提高设备的使用寿命；

当介质自内向外流动，第一斜壁131和第二斜壁132在角部的端点分离，单向出水孔133打开；

当介质自外向内流动，第一斜壁131和第二斜壁132在角部的端点闭合，单向出水孔133闭合；

单向出水孔133可以单向出水的原理是：

当注水段130内的液体介质压力大于外部岩层压力时，在压力的挤压下，将第一斜壁131和第二斜壁132挤开一定角度，使得注水段130液体介质从单向出水孔133流入岩层内；

当注水段130内的液体介质压力小于外部岩层压力时，由于第一斜壁131和第二斜壁132所形成的角部指向岩层，在压力的挤压下，单向出水孔133闭合，使得岩层中的液体介质不能从单向出水孔133进入注水段130内，

另外，注水段130外周设置有外层过滤网134。外层过滤网134的材质优选为不锈钢，在测杆系统100进入岩层内部时，会与岩层产生摩擦，使用不锈钢可以提高设备的耐磨能力，使用寿命更高。

关于第一固定段110和第二固定段120的形状和结构，如图2、5、6所示：

第一固定段110包括第一膨胀气囊111，还包括第一封堵部112，第一封堵部112设置于第一膨胀气囊111的远离注水段130的一端，第一封堵部112上下贯通并且与第一通道导通；

第二固定段120包括第二膨胀气囊121、还包括第二封堵部122，第二封堵部122设置于第二膨胀气囊121的远离注水段130的一端，第二封堵部122上下贯通并且与第二通道导通。

第一封堵部112和第二封堵部122的作用是：

在向测杆系统100内注入液体介质后，给第一封堵部112和第二封堵部122充气，使得测杆系统100的第一固定段110和第二固定段120封闭，避免从上下端漏液。

关于调节机构140的形状和结构，如图3、图7所示：

调节机构140包括第三膨胀气囊141、丝杠142、螺母座143和活塞环144；

丝杠142自上而下贯穿注水通道；

丝杠142沿轴向方向内部中空；

螺母座143活动连接于丝杠142外壁；

活塞环144套装于螺母座143；

第三膨胀气囊141位于螺母座143上部并且在充气状态下能够封闭注水段130内壁的单向出水孔133。

调节机构140还包括第一轴承座145和第二轴承座146；第一轴承座145设置于第一固定段110的上部，并与丝杠142上端活动连接；二轴承座146设置于第二固定段120的下部，并与丝杠142下端活动连接。

调节机构140还包括驱动部；

驱动部包括第一齿轮147、第二齿轮148和第一电机149；

第一齿轮147与第一电机149套接，并与第二齿轮148转动连接；

第二齿轮148与丝杠142的上端套接。

通过第一齿轮147和第二齿轮148的转动配合，可以将第一电机149输出的扭矩传递给丝杠142，使得丝杠142可以旋转。

在尽显渗透率检测前，会将多个注水段130组装在一起，使得实际的测量区间大于预定的测量区间，此时，利用调节机构140调整适当的测量范围，这样做可以使测量结果更加准确；

调节机构140的具体工作过程是：

通过正向或逆向启动驱动部，可以调节丝杠142的旋转方向，从而控制螺母座143上下移动的方向；

当螺母座143移动至目标位置后，给第三膨胀气囊141充气，封闭不需测量的部分，以针对特定岩层进行渗透率测量。

关于挖掘机构150的形状和结构，如图3所示：

挖掘机构150包括贯穿设置于丝杠142内部的钻头扶杆151、与钻头扶杆151下端固定连接的钻头152、两个位于钻头扶杆151与丝杠142之间的环形轴承153和第二电机154；

环形轴承153的内壁与钻头扶杆151套接；

环形轴承153的外壁与丝杠142的内壁套接。

挖掘机构150的具体工作过程是：

通过启动第二电机154控制钻头扶杆151带动钻头152旋转破开岩层，实现测杆系统100向下挖掘的功能。

本发明的测量管路如图1所示：

测量装置还包括稳态测量管路200和瞬态测量管路300，稳态测量管路200和瞬态测量管路300择一与测杆系统100导通；

具体地，稳态测量管路200和瞬态测量管路300的两个交点上依次设置有第一换向阀400和第二换向阀500；

当需要启动稳态测量时，第一换向阀400和第二换向阀500将导通稳态测量管路200和测杆系统100导通；

当需要启动瞬态测量时，第一换向阀400和第二换向阀500将导通瞬态测量管路200和测杆系统100导通；

关于稳态测量管路，更为详细地：

稳态测量管路200上依次设置有稳态压力传感器210和流量计220，稳态压力传感器210和流量计220设置于第一换向阀400和第二换向阀500之间；

稳态测量的机理在于：将液体介质从稳态测量管路200以恒定的速率注入测杆系统100内，液体介质会从测杆系统100的单向出水孔133排出，导致岩层内的液体开始向外扩散和渗透，当注入的液体介质的流量稳定时，通过稳态压力传感器210可以测量压力的变化、流量计220测量注入的水量和时间，并将数据发送给数据处理器910，经过数据处理器910整理后发送给电脑920，即可获得岩层的稳态渗透率特性。

关于瞬态测量管路，更为详细地：

瞬态测量管路300上依次设置有压力计310、脉冲发生器320、瞬态截止阀330和瞬态压力传感器340，压力计310、脉冲发生器320、瞬态截止阀330和瞬态压力传感器340设置于第一换向阀400和第二换向阀500之间；

瞬态测量的机理在于：将瞬态测量管路300和测杆系统100充满液体介质，关闭瞬态截止阀330，打开脉冲发生器320，调整产生一定数值的脉冲，此时打开关闭瞬态截止阀330，液体介质从单向出水孔133排出会使得脉冲数值发生变化，通过压力计310测量压力的变化、瞬态压力传感器340测量脉冲数值的变化，并将数据发送给数据处理器910，经过数据处理器910整理后发送给电脑920，即可获得岩层的瞬态渗透率特性。

本实施例地可选方案中，如图1所示：还包括注水管路600；注水管路600与测杆系统100导通并且在注水管路600上设置有第三换向阀800；

第三换向阀800与第二换向阀500通过管路连接；

第三换向阀800可以将注水管路600和第二换向阀500导通的管路择一与测杆系统100导通；

注水管路600依次设置有试压泵610、水箱620、回压泵630和压力缓冲器640；

注水管路600的工作过程为：

在进行稳态测量或瞬态测量前，先将液体介质从水箱620泵至测杆系统100内，然后通过第一换向阀400和第二换向阀500导通需要的测量管路并进行测量；

由于在测量结束后测杆系统100内的压力仍较大，需要降压后将液体介质泵回水箱内，压力缓冲器640作为第一级降压设备、回压泵630作为第二级降压设备，可以将液体介质的压力降为0并通过回压泵630将液体介质泵回水箱620内。

本实施例地可选方案中，如图1所示：还包括通气管路700；

通气管路700包括气罐710，第一膨胀气囊111、第二膨胀气囊121和第三膨胀气囊141分别与气罐710连接。

本装置可以取得的有益效果如下：

1.测杆系统100内设置了可拆卸连接第一固定段110、第二固定段120和注水段130，在注水段130上设置了单向出水孔133，在测量时，可以将多个注水段130拼装在一起，延长对岩层的测量范围，再通过调节机构140进一步调节实际的测量范围，实现了对特定岩层的渗透率测量，并且此测量结果的精度较高。

2.本装置一体化设置了稳态测量管路200和瞬态测量管路300，可以进行两种渗透率方法测量，具有使用设备少、误差小的优点。

3.本装置可以直接进入岩层内部进行实地测量，相较于传统方法提取岩石样本进行实验室测量，测量结果更加准确。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

包括测杆系统（100）；

所述测杆系统（100）包括第一固定段（110）、第二固定段（120）和位于所述第一固定段（110）和所述第二固定段（120）之间的注水段（130）；

所述第一固定段（110）包括第一膨胀气囊（111），所述第一膨胀气囊（111）上下贯通形成有第一通道；

所述第二固定段（120）包括第二膨胀气囊（121），所述第二膨胀气囊（121）上下贯通形成有第二通道；

所述注水段（130）上下贯通形成注水通道，上端与所述第一固定段（110）可拆卸连接，下端与所述第二固定段（120）可拆卸连接，所述注水段（130）的周壁设置有单向出水孔（133），自所述注水段（130）指向外部的方向，所述单向出水孔（133）导通，自外部指向所述注水段（130）内部，所述单向出水孔（133）闭合；

所述第一通道、所述第二通道和所述注水通道连通，液体介质自所述第一通道流向所述注水通道，然后由所述单向出水孔（133）流出；

所述注水段（130）内壁沿所述注水段（130）的轴线方向设置有多个单向结构，所述单向结构包括第一斜壁（131）和第二斜壁（132），所述第一斜壁（131）和第二斜壁（132）相交形成角部，所述角部为所述单向出水孔（133）；

当介质自内向外流动，所述第一斜壁（131）和所述第二斜壁（132）在角部的端点分离，所述单向出水孔（133）打开；

当介质自外向内流动，所述第一斜壁（131）和所述第二斜壁（132）在角部的端点闭合，所述单向出水孔（133）闭合；

所述注水段（130）外周设置有外层过滤网（134）；

还包括稳态测量管路（200）和瞬态测量管路（300），所述稳态测量管路（200）和瞬态测量管路（300）择一与所述测杆系统（100）导通；

所述稳态测量管路（200）和所述瞬态测量管路（300）的起始端交点上设置有第一换向阀（400），末端交点上设置有第二换向阀（500）。

2.根据权利要求1所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

所述第一固定段（110）还包括第一封堵部（112），所述第一封堵部（112）设置于所述第一膨胀气囊（111）的远离所述注水段（130）的一端，所述第一封堵部（112）上下贯通并且与所述第一通道导通；

所述第二固定段（120）还包括第二封堵部（122），所述第二封堵部（122）设置于所述第二膨胀气囊（121）的远离所述注水段（130）的一端，所述第二封堵部（122）上下贯通并且与所述第二通道导通。

3.根据权利要求2所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

还包括调节机构（140），所述调节机构（140）包括第三膨胀气囊（141）、丝杠（142）、螺母座（143）和活塞环（144）；

所述丝杠（142）自上而下贯穿所述注水通道；

所述丝杠（142）沿轴向方向内部中空；

所述螺母座（143）活动连接于所述丝杠外壁；

所述活塞环（144）套装于所述螺母座（143）；

所述第三膨胀气囊（141）位于所述螺母座（143）上部并且在充气状态下能够封闭所述注水段（130）内壁的单向出水孔（133）。

4.根据权利要求3所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

所述调节机构（140）还包括第一轴承座（145）和第二轴承座（146）；

所述第一轴承座（145）设置于所述第一固定段（110）的上部，并与所述丝杠（142）上端活动连接;

所述第二轴承座（146）设置于所述第二固定段（120）的下部，并与所述丝杠（142）下端活动连接。

5.根据权利要求4所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

所述调节机构（140）还包括驱动部；

所述驱动部包括第一齿轮（147）、第二齿轮（148）和第一电机（149）；

所述第一齿轮（147）与所述第一电机（149）套接，并与所述第二齿轮（148）转动连接；

所述第二齿轮（148）与所述丝杠（142）的上端套接。

6.根据权利要求5所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

还包括挖掘机构（150）；

所述挖掘机构（150）包括贯穿设置于所述丝杠（142）内部的钻头扶杆（151）、与钻头扶杆（151）下端固定连接的钻头（152）、两个位于钻头扶杆（151）与所述丝杠（142）之间的环形轴承（153）和第二电机（154）；

所述环形轴承（153）的内壁与所述钻头扶杆（151）套接；

所述环形轴承（153）的外壁与所述丝杠（142）的内壁套接。

7.根据权利要求6所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

所述稳态测量管路（200）上依次设置有稳态压力传感器（210）和流量计（220）；

所述瞬态测量管路（300）上依次设置有压力计（310）、脉冲发生器（320）、瞬态截止阀（330）和瞬态压力传感器（340）。

8.根据权利要求7所述的基于岩层水压原位稳瞬一体渗透率测量装置，其特征在于：

还包括注水管路（600）和通气管路（700）；

所述注水管路（600）与所述测杆系统（100）导通并且在所述注水管路（600）上设置有第三换向阀（800）；

所述第三换向阀（800）与所述第二换向阀（500）通过管路连接；所述第三换向阀（800）可以将所述注水管路（600）和所述第二换向阀（500）导通的管路择一与所述测杆系统（100）导通；

所述注水管路（600）依次设置有试压泵（610）、水箱（620）、回压泵（630）和压力缓冲器（640）；

所述通气管路（700）包括气罐（710），所述第一膨胀气囊（111）、第二膨胀气囊（121）和第三膨胀气囊（141）分别与所述气罐（710）连接。