CN209385120U - 水压致裂地应力测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及地质力学工程领域，提供一种水压致裂地应力测量系统，包括封隔器、封隔注水管路和压裂注水管路，上封隔器、下封隔器均与测试孔的壁面密封形成两段封隔段，上封隔器、下封隔器之间形成压裂测试段，封隔器上设有封隔器芯管和封隔器封孔注水管，还包括调控连接装置，调控连接装置连接上封隔器，封隔器封孔注水管与外界环境通过调控连接装置通断调节。本实用新型提供一种解决封隔器的封孔泄压与自动恢复封孔功能问题；在测点测试注水压力；降低地应力测量的钻孔施工成本且能够远程控制、适用于小孔径深孔的水压致裂地应力测量系统。

Description

水压致裂地应力测量系统

技术领域

本实用新型涉及地质力学工程领域，特别是涉及一种水压致裂地应力测量系统。

背景技术

地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，是在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生的内应力效应，是地壳应力的统称。通常，地壳内各点的地应力随距离地表深度的增加而增加，由于所处的构造部位和地理位置不同，各处的地应力随深度增加的梯度也不同。地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天岩土开挖与边坡工程变形和破坏的根本作用力，地壳各处发生的一切形变，如褶皱﹑断裂等也都是地应力作用的结果。

地应力的量值和方向与地下工程的稳定性紧密相关，准确测量地应力是确定工程岩土力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。了解地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、以及油田油井的稳定性、核废料的储存、岩爆、煤和瓦斯突出、地球动力学的研究等具有重要意义。开展地应力测量，探知地壳应力状态，不仅可以服务于各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重要的科学依据。地应力测量是地质力学研究的重要内容之一，广泛应用于工程建设、地质灾害预警以及断裂活动性研究等领域。

目前地应力测量方法较多，包括水压致裂法、声发射法、钻孔崩落法等直接测量法，和套芯应力解除法、应变恢复法等间接测量法。其中水压致裂地应力测量方法在岩体内进行原位测量，在无需获取相关岩石力学参数的情况下直接测量岩体内的应力状态，具有对原岩结构应力场扰动小、设备简单、操作方便、测值代表性强、适应性好等优点，普遍应用于各类岩土工程的地应力测量，尤其是在深部岩体工程的地应力测量中被广泛采用。

现有的水压致裂地应力测试装置，参考授权公告号为 CN2643300Y的专利文件，考虑施工难度、工程成本和测试系统要求，仍存在测试精度低、测试条件具有一定局限性等缺点。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的以下技术问题之一：

(1)封隔器受静水压力作用不能泄压回缩，测试系统回收困难，造成巨大工程浪费。

(2)径向占位尺寸大、易渗漏，测点附近不具备注水压力测试记录仪安装的空间条件，测试仪器与实际测点位置距离远、压差大、系统长，测试精度低。

(3)压裂过程缺少对封隔器封孔状态的有效监测，容易对封隔器渗漏不能正常压裂的情况造成误判，造成应有的测试数据缺失。

本实用新型的目的是：提供一种解决封隔器的封孔泄压与自动恢复封孔功能问题；可以对任意岩层条件的钻孔进行地应力测量；在测点测试注水压力，提高测试数据准确性；满足φ60mm～φ75mm的小孔径钻孔地应力测量要求，降低地应力测量的钻孔施工成本且能够远程控制、适用于小孔径深孔的水压致裂地应力测量系统。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种水压致裂地应力测量系统，包括封隔器、封隔注水管路和压裂注水管路，所述封隔器包括上封隔器、下封隔器，所述上封隔器、所述下封隔器均与测试孔的壁面密封形成两段封隔段，所述上封隔器、所述下封隔器之间形成压裂测试段，所述封隔器上设有封隔器芯管和封隔器封孔注水管，所述封隔注水管路向所述封隔器封孔注水管供给压力流体，所述封隔器封孔注水管内的压力流体使所述封隔器鼓胀且与测试孔密封形成封隔段，所述压裂注水管路向所述封隔器芯管供给压力流体，所述封隔器芯管内的压力流体流入压裂测试段，还包括调控连接装置，所述调控连接装置连接所述上封隔器，所述封隔器封孔注水管与外界环境通过所述调控连接装置通断调节。

优选的是，还包括封隔器控制管路，所述封隔器控制管路的压力流体向所述调控连接装置施压，所述调控连接装置内设有泄压组件，所述泄压组件承受压力变化而动作，调节所述封隔器封孔注水管与外界环境的通断。

在上述任意方案中优选的是，所述调控连接装置上设有压裂注水管接口、封孔注水管接口和封隔器控制注水管接口，所述压裂注水管接口一端连接所述封隔器芯管、另一端连接所述压裂注水管路，所述封孔注水管接口一端连接所述封隔器封孔注水管、另一端连接封隔注水管路，所述封隔器控制注水管接口与封隔器控制管路连接，调节所述封孔注水管与外界环境的通断。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔器控制注水管接口与所述封孔注水管接口之间设有泄压导水孔，所述封隔器控制注水管接口上连接有泄压组件，所述调控连接装置上开设有若干个封隔器泄水孔，所述泄压组件调节所述泄压导水孔与所述封隔器泄水孔的通断。

在上述任意方案中优选的是，所述泄压组件包括泄压阀针、密封体、复位阀芯、复位弹簧和调压螺塞，所述泄压阀针承受所述封隔器控制注水管接口内流体压力，所述泄压阀针抵接所述密封体，所述密封体移动使所述封隔器泄水孔与所述泄压导水孔连通或断开，所述调压螺塞旋拧调节所述复位弹簧的预设压紧力。

在上述任意方案中优选的是，所述密封体设为球形结构，所述密封体设为聚酯球。

在上述任意方案中优选的是，所述复位弹簧设为若干个碟形弹簧。

在上述任意方案中优选的是，所述压裂注水管路、所述封隔注水管路和所述封隔器控制管路上连接有注水管路接头。

在上述任意方案中优选的是，所述注水管路接头包括接头体、限位滑板、锁紧螺钉和防脱螺钉，所述接头体用于连接相邻两段所述压裂注水管路，所述接头体上开设有定位槽，所述封隔注水管路和所述封隔器控制管路设置在所述定位槽内，所述定位槽上盖设所述限位滑板，所述接头体上可拆卸连接所述锁紧螺钉和所述防脱螺钉，所述锁紧螺钉锁紧固定所述限位滑板。

在上述任意方案中优选的是，所述注水管路接头上设有限位挡板，所述封隔注水管路和/或所述封隔器控制管路上设有对接接头，所述限位挡板卡接所述接头体与所述对接接头。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔注水管路、压裂注水管路、封隔器控制管路上连接有测压组件。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔注水管路上连接有第二注水压力测试仪，所述压裂注水管路上连接有第三注水压力测试仪。

在上述任意方案中优选的是，所述调控连接装置上连接有第一注水压力测试仪。

在上述任意方案中优选的是，所述第一注水压力测试仪与所述调控连接装置上的压裂注水管接口连通。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔注水管路、压裂注水管路、封隔器控制管路均连接到注水组件上，所述封隔注水管路、压裂注水管路、封隔器控制管路均与所述注水组件之间设有截止阀。

在上述任意方案中优选的是，所述封隔器控制管路上连接有泄压装置。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)使用具有特殊结构的调控连接装置直接与封隔器连接，控制封隔器的封孔和泄压，泄压组件使用碟形弹簧作为调控复位施力元件，调整每组弹簧叠加数量，和调节调压螺塞的松紧程度，简便实现控制系统的开启压力调整，显著提高控制系统的适应性；采用复位阀芯配合弹性球形的密封体，提高密封可靠性的同时降低制造成本；

(2)使用具有控制与测量功能的调控连接装置，形成测量与控制一体化结构，靠近测点安装第一注水压力测试仪，实现测点位置真实数据的直接测量记录；

(3)采用封孔、压裂、控制三条注水管路系统布置，与地面高压注水泵独立连接，在地面同时监测封孔系统和压裂系统压力变化，便于识别封孔渗漏造成的压裂测试失败等情况；

(4)系统中所有零部件组装后的径向尺寸限定在直径φ56mm以内，满足小孔径测试要求，尤其适用于工程施工中从上向下的小孔径、深度大的钻孔测试过程，并且利用注水管路接头约束全部管路系统，解决了软管在钻孔内的缠绕问题；

(5)压裂注水管路用于压裂注水的同时，兼备下放和回收测试系统作用，使用高强度厚壁无缝钢管，承载能力大，满足千米深孔地应力测试需求。

本实用新型提供的水压致裂地应力测量系统参考以下附图做进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型水压致裂地应力测量系统的整体结构示意图；

图2为本实用新型水压致裂地应力测量系统的封隔器单元的剖视结构示意图；

图3为本实用新型水压致裂地应力测量系统的封隔器的连接结构示意图；

图4为本实用新型水压致裂地应力测量系统的调控连接装置的整体结构示意图；

图5为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图4的左视结构示意图；

图6为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图4的右视结构示意图；

图7为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图4中A-A的结构示意图；

图8为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图7中B-B的结构示意图；

图9为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图8中C-C的结构示意图；

图10为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图8中D-D的结构示意图；

图11为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图10中E-E的结构示意图；

图12为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图10中I的局部放大结构示意图；

图13为本实用新型水压致裂地应力测量系统的注水管路接头组装结构示意图；

图14为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图13的侧视结构示意图；

图15为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图13所示状态的俯视结构示意图；

图16为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图13所示注水管路接头的接头体的剖视结构示意图；

图17为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图16所示接头体 F-F的剖视结构示意图；

图18为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图13所示注水管路接头的限位挡板的结构示意图；

图19为本实用新型水压致裂地应力测量系统的封隔器、调控连接装置和注水管路接头的连接状态局部剖视结构示意图；

图20为本实用新型水压致裂地应力测量系统的图19的俯视结构示意图。

图中，1、封隔器；101、封隔器芯管；102、封隔器封孔注水管； 103、锁紧环；104、封隔器胶筒；106、封孔注水管管堵；107、芯管管堵；108、压裂注水管接头；

2、注水件；

3、调控连接装置；301、压裂注水管接口；302、封孔注水管接口；303、封隔器控制注水管接口；304、封隔器泄水孔；305、注水压力测试导水测孔；306、泄压导水孔；307、泄压阀针；308、密封体；309、复位阀芯；310、复位弹簧；311、调压螺塞；

4、注水管路接头；401、接头体；402、限位挡板；403、限位滑板；404、锁紧螺钉；405、防脱螺钉；

5、测试孔；

7、测压组件；701、第一注水压力测试仪；702、第二注水压力测试仪；703、第三注水压力测试仪；

8、泄压装置；9、截止阀；10、注水组件；11、封隔注水管路； 12、压裂注水管路；13、封隔器控制管路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

水压致裂地应力测量方法，是在钻孔中利用封隔器封隔一段钻孔的两端，形成一段密封空间，向钻孔密封段内注入高压水，通过孔壁岩体的胀裂来确定地应力量值的测量方法。水压致裂地应力测量系统由封隔器、测试孔、注水管路、注水压力测试记录仪、高压注水泵等组成。

水压致裂地应力测试过程，考虑施工难度、工程成本和测试系统要求，用于测试的钻孔直径较小，可测试孔径包括φ75mm、φ91mm、φ110mm和φ130mm，钻孔直径限制了压裂系统的径向尺寸。现有测试系统使用管式二位三通滑阀，将封隔器的封孔注水管路和压裂注水管路，与同一条注水主管路连接，解决了小直径钻孔多条管路送入和回收的困难，但存在测试精度低、测试后封隔器泄压回缩困难、测试条件具有一定局限性等缺点，为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种能够远程控制的水压致裂地应力测量系统，尤其适用于小孔径且深度大的钻孔的地应力测试过程。

结合图1-20所示，本实施例提供一种水压致裂地应力测量系统，包括封隔器1、封隔注水管路11和压裂注水管路12，封隔器1包括上封隔器、下封隔器，上封隔器、下封隔器均与测试孔5的壁面密封形成两段封隔段，上封隔器、下封隔器之间形成压裂测试段，封隔器1上设有封隔器芯管101和封隔器封孔注水管102，封隔注水管路11 向封隔器封孔注水管102供给压力流体，封隔器封孔注水管102内的压力流体使封隔器1鼓胀且与测试孔5密封形成封隔段，压裂注水管路12向封隔器芯管101供给压力流体，封隔器芯管101内的压力流体流入压裂测试段，还包括调控连接装置3，调控连接装置3连接上封隔器，封隔器封孔注水管102与外界环境通过调控连接装置3通断调节。

为减小密封管路与压裂管路之间的相互干扰，设置相互独立的封隔注水管路11和压裂注水管路12，提高了封隔器芯管101和封隔器封孔注水管102之间的独立性，减小任何一个管路泄漏或管路故障对系统测试的影响。

封隔器封孔注水管102内的压力流体能够直接通过调控连接装置3排出，并且调控连接装置3与上封隔器连接，在压裂测试完成后，封隔器内的压力流体通过调控连接装置3直接泄流到测试孔5内，明显降低了封隔器封孔注水管102的泄压高度，解决了现有技术中需要通过管路回流到地面再进行泄压的问题，保证了封隔器泄压的可靠性。

本系统还包括封隔器控制管路13，封隔器控制管路13的压力流体向调控连接装置3施压，调控连接装置3内设有泄压组件，泄压组件承受压力变化而动作来调节封隔器封孔注水管102与外界环境的通断。

本系统为封孔、压裂与泄压控制三条独立的管路系统结构，为同一钻孔多管路布置的测量系统。

封隔器控制管路13用来向调控连接装置3内的泄压组件施压，以调节调控连接装置3内的泄压组件的状态。通常泄压组件关闭封隔器泄水孔，封孔注水管路处于密封状态；泄压时，泄压组件开启，封隔器封孔注水管102内的压力流体沿调控连接装置3流出，进行泄压。泄压组件的开启动力是封隔器控制管路13内的流体压力，泄压组件所需的开启压力可以随时调节。

封隔器1上设有封隔器芯管101和封隔器封孔注水管102，封隔器1上连接有调控连接装置3，调控连接装置3上设有压裂注水管接口301、封孔注水管接口302和封隔器控制注水管接口303，压裂注水管接口301连接封隔器芯管101，封孔注水管接口302连接封隔器封孔注水管102，封隔器控制注水管接口303与封隔器控制管路连接，调节封孔注水管接口302与外部环境的通断。

具体的，结合图1-图3、图19、20所示，本实施例的封隔器1 采用现有结构的封隔器1，封隔器1包括两个，分别为上封隔器和下封隔器，上封隔器和下封隔器结构相同，上、下封隔器分别与测试孔 5的内壁相互贴合密封形成封隔段，上、下封隔器之间的钻孔部位形成压裂测试段。

在封隔器1上连接有调控连接装置3，通过调控连接装置3的设置，单独进行封隔器1的封隔段和压裂测试段的压力流体的供给和监控。并且调控连接装置3上设有封隔器控制注水管接口303，封隔器封孔注水管102内的压力流体可以沿泄压通道直接排出，解决了现有的结构中需要回流到地面排出导致封隔器回缩效率低、回缩效果差、容易卡塞在测试孔5内等问题。

压力流体在调控连接装置3内分3条路径流动，分别为向封隔器芯管101提供的压裂用流体、向封隔器封孔注水管102提供的密封用流体、向封隔器控制注水管接口303提供封隔器泄压控制流体，三条路径的流体相互独立；并且封隔注水管路11、压裂注水管路12的压力流体的流动路径上均可以设置测压组件7，以便对每条路径上的压力流体的状态进行独立监控，提高测试过程的准确性；封隔器控制管路13上也可以设置测压组件7，实现对三条路径的远程监控。进一步的，调控连接装置3的结构紧凑、径向尺寸小，适用于小孔径钻孔的测试过程。

更进一步的，调控连接装置3上连接压裂注水管路12、封隔注水管路11和封隔器控制管路13，三条独立的管路向调控连接装置3 的三条路径独立供给压力流体。具体的，压裂注水管接口301上连接有压裂注水管路12，封孔注水管接口302上连接有封隔注水管路11，封隔器控制注水管接口303上连接有封隔器控制管路13。

在实际应用中，压裂注水管路12、封隔注水管路11和封隔器控制管路13均沿地面深入到测试位置，管路的长度能够达到几百至上千米，管路采用分段对接的方式连接，便于整个系统的生产和运输。

其中压裂注水管路12作为主管路，采用承重能力强的高强度无缝钢管，封隔注水管路11和封隔器控制管路13选用直径较小的高压胶管，封隔注水管路11和封隔器控制管路13延伸长度大时，容易发生缠绕问题。为解决管路之间相互缠绕的问题，在管路的对接部位设计具有限位功能的注水管路接头4，注水管路接头4对压裂注水管路 12、封隔注水管路11和封隔器控制管路13进行定位，防止管路之间交叉缠绕。

具体的，压裂注水管路12使用外径φ25mm壁厚7.5mm的高强度无缝钢管制作定尺管路，兼作系统的承重提送职能，承重能力22 吨，满足承载测试系统连接1.5km总重量需求；封隔注水管路11和封隔器控制管路13使用直径φ12mm的高压胶管，缩小整体径向尺寸。

调控连接装置3上压裂注水管接口301与封隔器芯管101之间通过压裂注水管接头108连接，连接结构简单。

系统的远程监控

结合图1、图4、图19-20所示，封隔注水管路11、压裂注水管路12上连接有测压组件7，测压组件7包括第一注水压力测试仪701、第二注水压力测试仪702、第三注水压力测试仪703；具体的，封隔注水管路11上连接有第二注水压力测试仪702，压裂注水管路12上连接有第三注水压力测试仪703。第二注水压力测试仪702、第三注水压力测试仪703分别在地面两个管路的入口端设置，两个注水压力测试仪分别对封隔注水管路11和压裂注水管路12的注入压力进行监测。

泄压时，封隔注水管路11上的第二注水压力测试仪702和压裂注水管路12上的第三注水压力测试仪703，显示的系统压力都将快速降低，能够直接反应封隔器控制管路13的工作状态。封隔器控制管路13上也可以设置注水压力测试仪，监测泄压过程控制管路系统压力，多重监测，对测试过程和泄压过程的监控更加完善。

调控连接装置3的压裂注水管接口301上连接有第一注水压力测试仪701，压裂注水管接口301上开设注水压力测试导水测孔305，第一注水压力测试仪701测试注水压力测试导水测孔305内的压力流体的压力，实现对压裂注水管接口301内压力流体的监测。第一注水压力测试仪701与第三注水压力测试仪703配合，对压裂注水管路 12进行多重监测，以便及时发现压裂注水管路12的问题。第一注水压力测试仪701、第二注水压力测试仪702、第三注水压力测试仪703 均选用具有记录功能的器件。其中，注水压力测试导水测孔305设为连接在压裂注水管接口301上的支路，用来连接第一注水压力测试仪 701，保证测试准确性。

封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13均连接到注水组件10上，封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13均与注水组件10之间设有截止阀9，封隔器控制管路13上连接有泄压装置8。

注水组件10设为高压泵，高压泵向注水管路内提供压力流体，压力流体优选为高压水，高压泵设为高压水泵；在高压泵上连接封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13，三个管路上均设有截止阀9，以便调控高压泵与管路的通断。封隔器控制管路13上的泄压装置8设为泄压阀，以便对泄压过程进行调控。

其中，第一注水压力测试仪701、第二注水压力测试仪702、第三注水压力测试仪703、泄压阀、截止阀9等调控组件均可以通过远程调节，以便对系统进行集中操作和监控。

封隔器结构的一种优选实施例

结合图2和图3所示，封隔器1包括可膨胀高强度的封隔器胶筒 104、封隔器芯管101和封隔器封孔注水管102、锁紧环103等。每个封隔器的封隔器胶筒104内穿过一根用于压裂注水的封隔器芯管 101，并利用锁紧环103将封隔器胶筒104两端扣压在封隔器芯管101 上，在两端锁紧环103位置，封隔器芯管101与封隔器胶筒104之间相互密封，保证封隔段与压裂测试段的相互独立。封隔器胶筒104的两端安装有封隔器封孔注水管102，封隔器封孔注水管102穿过锁紧环103，并且封隔器封孔注水管102与封隔器胶筒104内腔和封隔器芯管101外壁之间的缝隙连通，实现向封隔器胶筒104内充填压力流体的过程。

上封隔器、下封隔器的封隔器封孔注水管102相互对接，封隔器封孔注水管102向封隔器胶筒104内注水，使封隔器胶筒104鼓胀与测试孔5密封接触；两个封隔器的封隔器芯管101通过注水件2相互对接，注水件2为中空管接头，注水件2中部设有径向导水孔，注水件2将封隔器芯管101与外部导通，向压裂测试段填充压力流体，实施压裂测试过程。

下封隔器的封隔器封孔注水管102、封隔器芯管101需要通过封堵结构进行封闭，封隔器封孔注水管102上连接封孔注水管管堵106，封隔器芯管101上连接芯管管堵107。

调控连接装置3的一种优选实施例

结合图3-图12所示，系统利用调控连接装置3解决封隔器封孔与泄压控制问题，同时利用调控连接装置3设置第一注水压力测试仪 701的安装位置，实现在测点位置对压裂过程的注水压力进行直接测量。

调控连接装置3内管路路径：压裂注水管接口301一端连接压裂注水管路12、另一端连接封隔器芯管101，封孔注水管接口302一端连接封隔注水管路11、另一端连接封隔器封孔注水管102，封隔器控制注水管接口303连接封隔器控制管路13，内部安装泄压阀针，用于控制封隔注水管路12与外部的通断。

其中，压裂注水管接口301上连通有注水压力测试导水测孔305，第一注水压力测试仪701测量注水压力测试导水测孔305内的流体压力，用来测量封隔器芯管101内流体压力。

结合图10-12所示，封隔器控制注水管接口303对封孔注水管接口302的通断调节结构：

封隔器控制注水管接口303与封孔注水管接口302之间设有泄压导水孔306，封隔器控制注水管接口303内部连接泄压组件，调控连接装置3上开设有封隔器泄水孔304，泄压组件调节泄压导水孔306 与封隔器泄水孔304的通断。

封孔注水管接口302、泄压导水孔306、封隔器泄水孔304连通形成泄压通道，封隔器封孔注水管102内的压力流体通过泄压通道流出，泄压通道的泄压动力是控制注水管接口303通入的流体压力。控制注水管接口303的流体压力使泄压导水孔306、封隔器泄水孔304 连通，封隔器封孔注水管102内的压力流体可以直接排出，完成封隔器泄压。

进一步的，泄压组件包括泄压阀针307、密封体308、复位阀芯 309、复位弹簧310和调压螺塞311，泄压阀针307承受封隔器控制注水管接口303内的流体压力，泄压阀针307抵接密封体308，泄压阀针307推动密封体308移动使封隔器泄水孔304与泄压导水孔306 连通或断开。

密封体308设为球形结构，密封体308设为聚酯球；复位弹簧 310设为若干个碟形弹簧。

泄压导水孔306设置在密封体308所在的腔体与封隔器封孔注水管102之间，封隔器泄水孔304设置在泄压阀针307与密封体308之间，封隔器泄水孔304与调控连接装置3的壳体的径向外壁导通，以便流体流出。封隔器泄水孔304在调控连接装置3的壳体的径向分布有若干个，保证快速泄压。

调控连接装置3的壳体设为不规则管状结构，封孔注水管接口 302与压裂注水管接口301均为贯通壳体两端的管路，封隔器控制注水管接口303也设为壳体内的管路结构，泄压组件的各个部件均连接在封隔器控制注水管接口303内，泄压导水孔306为在壳体内倾斜设置的用来连通封孔注水管接口302与密封体308所在腔体的管路，封隔器泄水孔304为与封隔器控制注水管接口303连通的在壳体的径向分布的管路。密封体308设置在封隔器控制注水管接口303的管路内，密封体308用来隔断或连通泄压导水孔306与封隔器泄水孔304。

压裂注水管接口301的管路延伸路径设有U型凹陷段，用来适配第一注水压力测试仪701的安装，压裂注水管接口301的U型凹陷位置在壳体上形成槽状结构，第一注水压力测试仪701安装在槽状结构内，减小第一注水压力测试仪701相对于壳体凸出的尺寸。

封隔器控制注水管接口303和封孔注水管接口302设置在压裂注水管接口301的径向，封隔器控制注水管接口303和封孔注水管接口 302相对于压裂注水管接口301的中心成90°夹角，既满足结构安装需要，又有效控制径向结构尺寸。

泄压阀针307的安装孔后端为封隔器控制注水管接口303与封隔器控制管路13的连接端，封隔器控制管路13内的压力流体向泄压阀针307施压，推动泄压阀针307移动，泄压阀针307推动密封体308 移动，复位弹簧310压缩，泄压导水孔306与封隔器泄水孔304连通，完成泄压排水过程。封隔器胶筒104回缩后，封隔器控制管路13泄压；复位弹簧310的弹性回复力推动复位阀芯309和密封体308，密封体308压紧封隔器控制注水管接口303的端面，使泄压阀针307的安装孔自动封闭，泄压导水孔306与封隔器泄水孔304隔断，即隔断泄压通道，使系统自动恢复密封测试状态，实现在地面对钻孔内部测试系统的远程控制。

测试过程控制系统压力始终保持有测试深度的静水压力作用，而且，不同地点地应力测量的钻孔深度变化大，从几十米到上千米，静水压力变化很大。泄压系统一方面要满足钻孔最大测试深度时静水压力下保持密封，另一方面又不宜使泄压时的控制系统压力过高，以保证系统可靠性。

调节调压螺塞311的拧紧程度，改变复位弹簧310的初始变形力。压力流体推动泄压阀针307泄压时，泄压阀针307推动密封体308的推力大于调压螺塞311对复位弹簧310的预置压紧力时，复位弹簧 310压缩，密封体308、复位阀芯309同时向调压螺塞311一侧滑移，完成泄压。

调压螺塞311用于调节复位弹簧310的预置压紧力，调压螺塞 311的松紧程度变化时，复位弹簧310的压紧力不同，泄压阀针307 顶开密封体308所需的泄压力(泄压控制系统压力)不同。泄压组件通常要保持密封状态，以满足测试需要，即密封体308要压紧于泄压阀针307的孔口，泄水通道保持密封；泄压时，在封隔器控制管路 13的压力流体作用下，泄压阀针307推动密封体308移动，解除密封，使泄压通道打开，封隔器自动泄压。

系统加压测量和泄压过程

地应力测量系统组装后，封隔器1的控制系统处于停止(静水压力)状态时，测量系统应处于测试状态，可以直接完成封孔和压裂测试过程；启动封隔器1的控制系统进行泄压时，应使封孔系统完全卸压，包括高压注水泵提供的水压和测点深度形成的静水压力，保证封隔器胶筒104顺利回缩至原尺寸，使测量系统在钻孔内提送自如；封隔器1泄压完成并在地面对控制系统泄压后，测量系统应自动恢复到密封测试状态。

封孔和封孔后压裂过程，调控连接装置3不发生泄压动作，封孔系统和压裂系统保持密封状态。调控连接装置3安装的第一注水压力测试仪701，测试并记录钻孔测试段压裂全过程压力流体的压力。

压裂测试结束后，由封隔器控制注水管接口303进入的高压水，推动泄压阀针307向前移动，泄压阀针307推动球形的密封体308，使球形的密封体308与泄压阀针307的安装孔分离并形成间隙，储存在封隔器胶筒104的内腔和封隔注水管路11内的水，经过泄压导水孔306，进入球形的密封体308所在的腔体，再经过泄压阀针307的安装孔前端，进入封隔器泄水孔304直接排入钻孔，从而使封孔系统整体泄压，封隔器胶筒104在变形力作用下顺利回缩。

本系统以水压为动力，在地面对泄压组件进行远端的开启控制。为保证控制系统可靠性，控制系统在封隔注水管路11内不设置泄压机构，因此控制系统不启动时，泄压阀针307仍然受到测点至地面高度产生的系统静水压力作用。进行水压致裂地应力测量时，将测量系统一次送入钻孔后要连续完成多点测试，要求测量系统必须能够顺利泄压，同时泄压后系统又能自动恢复到密封测试状态，即：在地面关闭控制系统上的截止阀9并打开泄压装置8泄压后，球形的密封体 308应反向推动泄压阀针307，使球形的密封体308重新压紧泄压阀针307的安装孔口，并保持密封状态。封隔器泄压后，控制系统的复位动力由泄压组件的内部复位弹簧310提供。

不同深度的岩层测点位置，形成的静水压力不同。钻孔测试深度越大，静水压力就越高，测量系统在钻孔最大深度测点时，控制系统的静水压力最大，所需的复位力也最大。控制系统对球形的密封体 308提供的复位力，应满足最深测点的密封要求。

根据水压致裂地应力测量静水压力变化特点，封隔器泄压控制系统中，复位弹簧310优选为外径φ10mm的碟形弹簧，根据钻孔最大测试深度进行组合安装。改变每组复位弹簧310的组合数量，可以顺利改变控制系统复位力的大小，具体的，每组碟形弹簧数量越多，在一定变形条件下提供的复位力越大。调整调压螺塞311的拧紧程度，可以改变复位弹簧310的初始压紧力，进而改变泄压阀针307顶开密封体308所需的控制系统压力。

控制系统的复位密封采用复位阀芯309与球形的密封体308组合结构，复位阀芯309对碟形的复位弹簧310定位导向，同时传递复位弹簧310的作用力推动密封体308，利用球形的密封体308的球面滚动作用，使密封体308自动与泄压阀针307的安装孔对中，同时球形的密封体308使用具有较高强度和较好弹性的聚酯球，提高密封体 308对孔口加工形状的适应性，在保证密封效果的同时降低加工精度要求。

注水管路接头4的一种优选实施例

为实现小孔径测量，制约测量系统径向尺寸的结构，除了封隔器和调控连接装置3的径向尺寸以外，管路系统用接头是测试系统径向占位的最大结构。测试系统中注水管路接头4在连接压裂注水管路 12的同时，设置有封隔注水管路11和封隔器控制管路13的约束机构，即缩小了系统整体径向尺寸，又避免软管在钻孔内提送时的缠绕。

以压裂注水管路12作为主管路，压裂注水管路12为高强度无缝钢管，封隔注水管路11和封隔器控制管路13使用小直径高压胶管，以缩小径向尺寸。注水管路接头4在沿地面向测试位置延伸的管路上间隔设置有若干个，以保证管路之间的对接，还能防止管路相互缠绕。

结合图3-图18所示，注水管路接头4包括接头体401、限位滑板403、锁紧螺钉404和防脱螺钉405，接头体401用于连接相邻两段压裂注水管路12，接头体401上开设有定位槽，封隔注水管路11 和封隔器控制管路13设置在定位槽内，定位槽上盖设限位滑板403，接头体401上可拆卸连接锁紧螺钉404和防脱螺钉405，锁紧螺钉404 锁紧固定限位滑板403。其中，定位槽的形状与封隔注水管路11、封隔器控制管路13的形状相适配，封隔注水管路11、封隔器控制管路 13设置在定位槽内。

注水管路接头4连接时，将接头体401与压裂注水管路12连接，接头体401设为管状结构，接头体401内开设螺纹孔，螺纹孔在接头体401的两端对称设置，压裂注水管路12的端部设有螺纹段，压裂注水管路12的端部套设有密封圈，两段压裂注水管路12在接头体 401内对接，接头体401与压裂注水管路12通过螺纹连接、密封圈密封，对接方式简单、密封效果好、结构强度高。限位滑板403、锁紧螺钉404、防脱螺钉405配合对封隔注水管路11和封隔器控制管路13的高压胶管进行定位。锁紧螺钉404在接头体401的两侧对称设置，限位滑板403设为倒梯形结构，限位滑板403的小端的端面压紧封隔注水管路11和封隔器控制管路13，锁紧螺钉404贯穿限位滑板403，锁紧螺钉404将限位滑板403锁紧固定在接头体401上，限位滑板403的端部抵接防脱螺钉405。限位滑板403上开设相互连通的沉孔和通孔，锁紧螺钉404可在沉孔和通孔内滑动调节。

限位滑板403用来压紧封隔注水管路11和封隔器控制管路13的端面可以向管路的方向延伸为弧形曲面，保证限位滑板403对管路的固定稳定性。

封隔注水管路11和封隔器控制管路13的定位过程：将防脱螺钉 405旋入螺纹孔内，松开锁紧螺钉404取下限位滑板403，然后将封隔注水管路11和封隔器控制管路13的管件均卡接在接头体401的定位槽内，再将限位滑板403由通孔端套入锁紧螺钉404，滑动限位滑板403至沉孔端，拧紧锁紧螺钉404，将防脱螺钉405退出3-5mm，防脱螺钉405对接头体401上的限位滑板403进行定位，连接完毕。

上述结构，封隔注水管路11或封隔器控制管路13的长度方向无管件对接的情况，接头体401直接对封隔注水管路11和封隔器控制管路13进行卡接定位，防止管线之间相互缠绕。

注水管路接头4的另一种优选实施例

结合图3-图18所示，本实施例的注水管路接头4包括上述注水管路接头4的全部特征，与上述注水管路接头4的实施例的区别在于：

注水管路接头4上还设有限位挡板402，封隔注水管路11和/或封隔器控制管路13上设有对接接头，限位挡板402卡接接头体401 与对接接头。

限位挡板402设为开设有U形槽口的长条形板材，U形槽口的形状与封隔注水管路11、封隔器控制管路13的管路形状相适配，封隔注水管路11、封隔器控制管路13卡接在U形槽口内。限位挡板402 设置在接头体401的凸台与管路上的对接接头之间，限位挡板402对管路的对接接头进行限位，防止管路轴向转动。

封隔注水管路11和封隔器控制管路13的定位过程：将防脱螺钉 405旋入螺纹孔内，松开锁紧螺钉404取下限位滑板403，在接头体 401的定位槽内放入限位挡板402，将封隔注水管路11和封隔器控制管路13放入限位挡板402，限位滑板403由通孔端套入锁紧螺钉404，滑动限位滑板403至沉孔端，拧紧锁紧螺钉404，将防脱螺钉405退出3-5mm，防脱螺钉405对接头体401上的限位滑板403进行定位，连接完毕。

本实施例的结构适用于封隔注水管路11或封隔器控制管路13在注水管路接头4上进行两段管件对接的位置，限位挡板402用来对管件的轴向进行限位，防止管件松脱或缠绕，提高系统的运行稳定性。

以上两种实施例中记载的注水管路接头4结构，可以设计为两种结构不同的部件，还能集成在一个注水管路接头4上，其中一个管路为管路对接位置、另一个管路为无对接的贯通式管件结构。

水压致裂地应力测量方法，包括如下步骤，

步骤一，测量系统组装，封隔器上连接有调控连接装置3，调控连接装置3上连接注水管路接头4，注水管路接头4上连接封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13，封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13连接到注水组件10；

步骤二，测试过程，注水组件10向封隔注水管路11注入压力流体，压力流体通过注水管路接头4、调控连接装置3注入封隔器，使封隔器鼓胀抵接在测试孔5的内壁上形成封隔段，相邻两个封隔段之间形成封闭的压裂测试段，使封隔器处于封孔保压状态；

注水组件10向压裂注水管路12注入压力流体，压力流体通过注水管路接头4、调控连接装置3并贯穿上封隔器沿注水件2流入压裂测试段，持续注入压力流体直至完成压裂过程，注水组件10停止向压裂注水管路12注入压力流体；

步骤三，封隔器泄压过程，注水组件10向封隔器控制管路13注入压力流体，压力流体通过注水管路接头4注入调控连接装置3，调控连接装置3内封隔器控制注水管接口303的压力达到其内泄压组件的开启压力，封隔器控制管路13进入保压状态；调控连接装置3内封孔注水管接口302通过泄压导水孔306与封隔器泄水孔304连通，封隔器内的压力流体流出；直至封隔器回缩，封隔器控制管路13停止保压；

步骤四，封隔器控制管路13泄压过程，开启封隔器控制管路13 上的泄压装置8，直至封隔器控制管路13的压力降至静水压力，泄压组件复位。

具体的，测量时现场组装连接测试系统，封隔器组装后，顺序连接安装调控连接装置3、测压组件7，利用注水管路接头4逐渐接长封隔注水管路11、压裂注水管路12、封隔器控制管路13，直至将封隔器下放至测试层位。封隔注水管路11和压裂注水管路12连接至地面后，分别安装测压组件7、截止阀9、连通高压注水泵。将封隔器控制管路13连接至地面后，安装泄压装置8和截止阀9，之后与高压注水泵连接。

测量过程，系统连接完成后，启动高压注水泵，打开封隔注水管路11，高压水经过封隔注水管路11、调控连接装置3进入封隔器两端封隔器胶筒104内腔，完成压裂测试段钻孔封隔。封孔结束后关闭封隔注水管路11，使封孔系统处于封闭保压状态。

之后打开压裂注水管路12，高压水经过压裂注水管路12、调控连接装置3进入封隔器芯管101，高压水由封隔器芯管101流入注水件2并注入压裂测试段，持续注水完成压裂过程。

压裂测试完成后，关闭压裂注水管路12，打开封隔器控制管路 13，高压水经过封隔器控制管路13进入调控连接装置3，水压达到泄压组件的调定开启压力时，储存在封隔器胶筒104内腔和封隔注水管路11内的高压水，由调控连接装置3的封隔器泄水孔304排入钻孔，封隔器泄压并自动回缩，同时压裂过程储存在压裂测试段的存水排入钻孔。

封隔器泄压回缩后，关闭封隔器控制管路13和高压注水泵，打开封隔器控制管路13的泄压装置8，使封隔器控制管路13的系统压力降至静水压力，调控连接装置3内部的泄压组件自动复位，关闭封隔器泄压通道，系统恢复至测试状态。

将封隔器送至钻孔内下一层位测试点，重复测试过程，直至钻孔的全部测点测试结束，泄压后回收测试系统。

利用封隔注水管路11和压裂注水管路12，在地面分别安装的第二注水压力测试仪702、第三注水压力测试仪703，同时监测测试过程封孔系统和压裂系统的水压变化，分析测试段压裂过程异常情况，鉴别封孔泄漏和岩层破碎情况。

由以上实施例可以看出，

(1)使用具有特殊结构的调控连接装置3直接与封隔器连接，控制封隔器的封孔和泄压，泄压组件使用碟形弹簧作为调控复位施力元件，调整每组弹簧叠加数量配合调压螺塞的拧紧程度，简便实现控制系统的开启压力调整，显著提高控制系统的适应性；采用复位阀芯 309配合弹性球形的密封体308，提高密封可靠性的同时降低制造成本；

(2)使用具有控制与测量功能的调控连接装置3，形成测量与控制一体化结构，靠近测点安装第一注水压力测试仪701，实现测点位置真实数据的直接测量记录；

(3)采用封孔、压裂、控制三条注水管路系统布置，与地面高压注水泵独立连接，在地面同时监测封孔系统和压裂系统压力变化，便于识别封孔渗漏造成的压裂测试失败等情况；

(4)系统中所有零部件组装后的径向尺寸限定在直径φ56mm 以内，满足小孔径测试要求，利用注水管路接头4约束全部管路系统，解决了软管在钻孔内的缠绕问题；

(5)尤其适用于地面孔径小、深度大的钻孔的测试，工程施工中，缩减钻孔孔径能有效缩减施工成本，但现有的地应力测试系统不能满足小于70mm钻孔的测试要求；

(6)压裂注水管路12用于压裂注水的同时，兼备下放和回收测试系统作用，使用高强度厚壁无缝钢管，承载能力大，满足千米深孔地应力测试需求。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，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，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上。

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

Claims (10)

1.一种水压致裂地应力测量系统，其特征在于，包括封隔器、封隔注水管路和压裂注水管路，所述封隔器包括上封隔器、下封隔器，所述上封隔器、所述下封隔器均与测试孔的壁面密封形成两段封隔段，所述上封隔器、所述下封隔器之间形成压裂测试段，所述封隔器上设有封隔器芯管和封隔器封孔注水管，所述封隔注水管路向所述封隔器封孔注水管供给压力流体，所述封隔器封孔注水管内的压力流体使所述封隔器鼓胀且与测试孔密封形成封隔段，所述压裂注水管路向所述封隔器芯管供给压力流体，所述封隔器芯管内的压力流体流入压裂测试段，还包括调控连接装置，所述调控连接装置连接所述上封隔器，所述封隔器封孔注水管与外界环境通过所述调控连接装置通断调节。

2.根据权利要求1所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，还包括封隔器控制管路，所述封隔器控制管路的压力流体向所述调控连接装置施压，所述调控连接装置内设有泄压组件，所述泄压组件承受压力变化而动作来调节所述封隔器封孔注水管与外界环境的通断。

3.根据权利要求2所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述调控连接装置上设有压裂注水管接口、封孔注水管接口和封隔器控制注水管接口，所述压裂注水管接口一端连接所述封隔器芯管、另一端连接所述压裂注水管路，所述封孔注水管接口一端连接所述封隔器封孔注水管、另一端连接封隔注水管路，所述封隔器控制注水管接口与封隔器控制管路连接，调节所述封孔注水管接口与外界环境的通断，所述调控连接装置上连接有第一注水压力测试仪，所述第一注水压力测试仪与所述调控连接装置上的压裂注水管接口连通。

4.根据权利要求3所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述封隔器控制注水管接口与所述封孔注水管接口之间设有泄压导水孔，所述封隔器控制注水管接口上连接有所述泄压组件，所述调控连接装置上开设有若干个封隔器泄水孔，所述泄压组件调节所述泄压导水孔与所述封隔器泄水孔的通断。

5.根据权利要求4所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述泄压组件包括泄压阀针、密封体、复位阀芯、复位弹簧和调压螺塞，所述泄压阀针承受所述封隔器控制注水管接口内流体压力，所述泄压阀针抵接所述密封体，所述密封体移动使所述封隔器泄水孔与所述泄压导水孔连通或断开，所述调压螺塞旋拧调节所述复位弹簧的预设压紧力，所述密封体设为球形结构，所述密封体设为聚酯球，所述复位弹簧设为若干个碟形弹簧。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述压裂注水管路、所述封隔注水管路和所述封隔器控制管路上连接有注水管路接头。

7.根据权利要求6所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述注水管路接头包括接头体、限位滑板、锁紧螺钉和防脱螺钉，所述接头体用于连接相邻两段所述压裂注水管路，所述接头体上开设有定位槽，所述封隔注水管路和所述封隔器控制管路设置在所述定位槽内，所述定位槽上盖设所述限位滑板，所述接头体上可拆卸连接所述锁紧螺钉和所述防脱螺钉，所述锁紧螺钉锁紧固定所述限位滑板。

8.根据权利要求7所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述注水管路接头上设有限位挡板，所述封隔注水管路和/或所述封隔器控制管路上设有对接接头，所述限位挡板卡接所述接头体与所述对接接头。

9.根据权利要求6所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述封隔注水管路、压裂注水管路上连接有测压组件，所述封隔注水管路上连接有第二注水压力测试仪，所述压裂注水管路上连接有第三注水压力测试仪。

10.根据权利要求2所述的水压致裂地应力测量系统，其特征在于，所述封隔注水管路、压裂注水管路、封隔器控制管路均连接到注水组件上，所述封隔注水管路、压裂注水管路、封隔器控制管路均与所述注水组件之间设有截止阀，所述封隔器控制管路上连接有泄压装置。