CN210509117U - 一种干孔封隔栓塞控制阀 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种干孔封隔栓塞控制阀，控制阀包括同轴设置的卡位变径、限位套筒、活塞和阀体；卡位变径设置在限位套筒内部，且其上端伸出限位套筒的顶部；阀体位于限位套筒下方并与其固定连接；阀体内设置有第一腔体，活塞上下两端分别伸入限位套筒和第一腔体内部；卡位变径内部设置有过水通道，活塞上设置有与过水通道对接的进水孔，活塞上设置有与进水孔相连的出水孔，出水孔与第一腔体连通；阀体自上而下间隔设置有与第一腔体相连的第一流体通道、第二流体通道和卸压通道。优点是：实现了单通道水压致裂法加压方式下，通过依靠该控制阀的提升及下落，分别对封隔栓塞、压裂段加压及卸压，能够在干孔及低水位钻孔内开展水压致裂地应力测量试验。

Description

一种干孔封隔栓塞控制阀

技术领域

本实用新型涉及水压致裂法应力测量领域，尤其涉及一种干孔封隔栓塞控制阀。

背景技术

地应力是存在于地层中的天然应力，它是造成地下厂房及其他地下工程变形、破坏的根本作用力。因此，地应力的大小、方向直接影响到地下工程围岩的稳定性，测量地下工程初始应力，研究围岩的应力分布特征是进行地下工程围岩稳定性分析以及实现地下工程开挖设计科学化的必要前提。水压致裂法是地应力测量应用最广泛最普遍的方法，这种方法的原理是利用一对可膨胀的橡胶栓塞，在预定的测试深度封隔一段岩体钻孔，然后向封隔段注入液体介质，液体压力逐渐升高，压迫被封隔的岩体发生破裂，进而，根据压裂过程中的液体压力曲线特征值，获得测量段的地应力大小和方向。

水压致裂法地应力测量有单通道和双通道两种液体加压方式，其中单通道法设备简单，安装拆卸方便。单通道测试时，首先要通过钻杆对橡胶封隔栓塞加压，上下两个橡胶栓塞同时膨胀，被这两个膨胀的橡胶栓塞封隔的钻孔岩体为试验段，下放的上封隔栓塞上方的控制阀，切换流体通道到试验段，对试验段进行泵液打压(此时上下两个橡胶封隔栓塞仍为膨胀保压状态)，直至封隔段钻孔岩体破裂，记录试验过程中泵入的液体压力变化曲线，根据特征值计算地应力大小，这就完成了一段测试；之后提升钻杆及控制阀，使钻杆与橡胶封隔栓塞连通，卸掉封隔栓塞中的压力，使其在自身弹性状态下恢复原状，进行下一段测试。

给设备加压的装置位于孔口地面，当测试段较深时，如果钻孔孔内无水，而连接加压装置与封隔栓塞的钻杆内是满水状态，此时橡胶封隔栓塞外没有外水压力，内部承受上方钻杆内的水柱内水压力，封隔栓塞在水柱压力下无法恢复原状，处于膨胀状态，紧贴孔壁，形成卡钻现象，无法上下移动进行下一测段测试工作，强行提拉，容易造成封隔栓塞的破损甚至是设备断裂脱落。因此，在干钻孔、低水位或地层渗漏严重情况下进行测试难度非常大，甚至造成失败、设备损坏，现有技术使用受限。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种干孔封隔栓塞控制阀，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种干孔封隔栓塞控制阀，所述控制阀包括同轴设置的卡位变径、限位套筒、活塞和阀体；所述限位套筒内部中空且下端敞口设置，所述卡位变径设置在所述限位套筒内部，且其上端伸出所述限位套筒的顶部；所述阀体位于所述限位套筒下方并与其固定连接；所述阀体内设置有与其同轴且贯穿其顶部的第一腔体，所述活塞上下两端分别对应伸入所述限位套筒内部和所述第一腔体内部，且所述活塞的上表面与所述卡位变径的下表面对应接触固定；所述卡位变径内部设置有与其同轴且贯穿其上下两端的过水通道，所述活塞上设置有与其同轴的进水孔，所述进水孔贯穿所述活塞的顶部与所述过水通道对接，所述活塞上设置有与所述进水孔相连的出水孔，所述出水孔与所述第一腔体连通；所述阀体自上而下间隔设置有与所述第一腔体相连的第一流体通道、第二流体通道和卸压通道，所述活塞在所述第一腔体内上下移动，以令所述出水孔与所述第一流体通道或第二流体通道或卸压通道连通。

优选的，所述第一流体通道和所述第二流体通道均自上而下延伸；且所述第一流体通道和所述第二流体通道在所述阀体的径向上相距一定距离，所述第一流体通道和所述第二流体通道均与所述阀体内壁相距一定距离。

优选的，所述阀体内设置有与其同轴且贯穿其底部的第二腔体，所述第二腔体的顶部与所述第一腔体的底部相距一定距离；所述第一流体通道的延伸端和所述第二流体通道的延伸端均与所述第二腔体连通。

优选的，所述阀体上设置有连通第一腔体与外界的排气孔，所述排气孔沿所述阀体的径向延伸；所述排气孔在所述阀体的轴线方向上位于所述第二流体通道与所述第一阀体连接点的下方。

优选的，所述卸压通道沿所述阀体的径向延伸，且所述卸压通道连通所述第一腔体与外界。

优选的，所述限位套筒呈圆柱体型，且其下端沿其径向向外凸出延伸形成直径突变的圆台，所述圆台的上表面与所述限位套筒顶部下表面对应接触贴合，所述圆台的外壁与所述限位套筒的内壁对应贴合接触。

优选的，所述活塞的外壁与所述阀体的内壁对应贴合接触，所述第一腔体的直径小于所述限位套筒的内径，所述活塞的外壁与所述限位套筒的内壁相距一定距离。

优选的，所述阀体上自上而下间隔设置有至少四个密封圈槽，所述密封圈槽自所述阀体内壁沿其径向向外凸出延伸，所述密封圈槽内设置有密封圈或四氟垫；所述密封圈槽分别设置在所述第一流体通道和所述阀体顶部之间、所述第一流体通道和所述卸压通道之间、所述卸压通道和所述第二流体通道之间、所述第二流体通道下方；且沿所述阀体轴线方向处于最下游的密封圈槽位于所述第一腔体底部的上方。

优选的，所述出水孔与所述进水孔的延伸端相连，所述出水孔沿所述活塞周向间隔均匀设置，且沿所述活塞的径向延伸，所述出水孔的个数为至少八个。

优选的，所述阀体顶端沿其径向向靠近其轴线的方向凹陷形成直径突变的台阶，所述阀体顶部对应伸入所述限位套筒内部，且所述限位套筒的下表面与所述台阶的上表面对应接触，所述阀体顶端外周壁与限位套筒的内壁对应接触，所述限位套筒和所述阀体经紧固件固定连接。

本实用新型的有益效果是：1、本实用新型通过控制活塞在所述阀体内部不同位置停留，使进水孔分别与第一流体通道、第二流体通道或卸压通道连通，从而实现对三个通道的加压和卸压，实现对封隔栓塞的充液打压、停液保压及卸压效果。2、本实用新型克服了现有设备的技术缺陷，实现了单通道水压致裂法加压方式下，通过依靠该控制阀的提升及下落，分别对封隔栓塞、压裂段加压及卸压，操作简单易于控制，能够在干孔及低水位钻孔内开展水压致裂地应力测量试验，测试稳定。

附图说明

图1是本实用新型实施例中控制阀的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中控制阀与钻杆和封隔栓塞对接使用的结构示意图。

图中：1、卡位变径；11、过水通道；12、圆台；2、限位套筒；3、活塞；31、进水孔；32、出水孔；4、阀体；41、第一腔体；42、第二腔体；43、第一流体通道；44、第二流体通道；45、卸压通道；46、排气孔；5、上封隔栓塞；51、上腔体；52、限制环；53、通孔；6、下封隔栓塞；61、下腔体；7、钻杆；71、注水孔；8、岩体钻孔；9、连接管；91、压裂花管；10、压裂钢管。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1至2所示，本实施例中提供了一种干孔封隔栓塞控制阀，所述控制阀包括同轴设置的卡位变径1、限位套筒2、活塞3和阀体4；所述限位套筒2内部中空且下端敞口设置，所述卡位变径1设置在所述限位套筒2内部，且其上端伸出所述限位套筒2的顶部；所述阀体4位于所述限位套筒2下方并与其固定连接；所述阀体4内设置有与其同轴且贯穿其顶部的第一腔体41，所述活塞3上下两端分别对应伸入所述限位套筒2内部和所述第一腔体41内部，且所述活塞3的上表面与所述卡位变径1的下表面对应接触固定；所述卡位变径1内部设置有与其同轴且贯穿其上下两端的过水通道11，所述活塞3上设置有与其同轴的进水孔31，所述进水孔31贯穿所述活塞3的顶部与所述过水通道11对接，所述活塞3上设置有与所述进水孔31相连的出水孔32，所述出水孔32与所述第一腔体41连通；所述阀体4自上而下间隔设置有与所述第一腔体41相连的第一流体通道43、第二流体通道44和卸压通道45，所述活塞3在所述第一腔体41内上下移动，以令所述出水孔32与所述第一流体通道43或第二流体通道44或卸压通道45连通。

本实施例中，在使用该控制阀的时候，需要将所述控制阀放置在岩体钻孔8中，所述控制阀与所述钻孔同轴设置，所述控制阀位于地面下，并将钻杆7与所述控制阀上的卡位变径1对接，钻杆7与所述卡位变径1同轴，且所述钻杆7的底部与所述卡位变径1的顶部对应接触固定，所述钻杆7内沿其轴向设置有贯穿其上下两端的注水孔71，所述注水孔71与所述卡位变径1的过水通道11对接，将水流引入到活塞3的进水孔31内。

本实施例中，所述第一流体通道43和所述第二流体通道44均自上而下延伸；且所述第一流体通道43和所述第二流体通道44在所述阀体4的径向上相距一定距离，所述第一流体通道43和所述第二流体通道44均与所述阀体4内壁相距一定距离。

本实施例中，所述阀体4内设置有与其同轴且贯穿其底部的第二腔体42，所述第二腔体42的顶部与所述第一腔体41的底部相距一定距离；所述第一流体通道43的延伸端和所述第二流体通道44的延伸端均与所述第二腔体42连通。

本实施例中，所述第一流体通道43沿所述阀体4的轴线方向自上而下竖直延伸，并与所述第二腔体42连通；所述第二流体通道44沿所述阀体4的轴线方向自上而下竖直延伸一段，之后其延伸端沿所述阀体4径向向靠近所述阀体4轴线的方向延伸，之后再沿所述阀体4轴线方向竖直向下延伸，且该延伸端与所述阀体4同轴，并与所述第二腔体42连通。

本实施例中，所述阀体4上自上而下间隔设置有至少四个密封圈槽48，所述密封圈槽48自所述阀体4内壁沿其径向向外凸出延伸，所述密封圈槽48内设置有密封圈或四氟垫；所述密封圈槽48分别设置在所述第一流体通道43和所述阀体4顶部之间、所述第一流体通道43和所述卸压通道45之间、所述卸压通道45和所述第二流体通道44之间、所述第二流体通道44下方；且沿所述阀体4轴线方向处于最下游的密封圈槽48位于所述第一腔体41底部的上方。

本实施例中，所述卸压通道45沿所述阀体4的径向延伸，且所述卸压通道45连通所述第一腔体41与外界。

本实施例中，设置有四个密封圈槽48，这四个密封圈槽48将所述第一流体通道43、第二流体通道44和卸压通道45分割开来，保证了各个通道在与出水孔32连通时的唯一性，避免水流经其他通道流出，影响控制阀的正常工作。将这四个密封圈槽48内的密封圈自上而下依次称为第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈和第四密封圈。

本实施例中，在使用该控制阀时，需要将控制阀的下端与橡胶封隔栓塞相连，首先将上下两个橡胶封隔栓塞沿岩体钻孔8的轴线放置到岩体钻孔8内，两个橡胶封隔栓塞在其轴线方向上相距一定距离，上下封隔栓塞6内部均设置有与其同轴的压裂钢管10，上封隔栓塞5内部的压裂钢管10的顶部与控制阀阀体4内的第二腔体42的顶部接触固定，且该压裂钢管10与所述第二流体通道44对应连通。上封隔栓塞5内的压裂钢管10经压裂花管91与下封隔栓塞6中压裂钢管10连通。所述压裂花管91与压裂钢管10同轴设置。上下两个橡胶封隔栓塞内部分别设置有与其同轴的上腔体51和下腔体61，上封隔栓塞5内的压裂钢管10的外壁与上封隔栓塞5的内壁之间相隔一定距离；下封隔栓塞6内的压裂钢管10的外壁与下封隔栓塞6的内壁之间相隔一定距离；压裂花管91的外壁与连接管9的内壁也相隔一定距离。上封隔栓塞5的顶部经限制环52与控制阀阀体4的底部对应固定连接，上封隔栓塞5底部套设有限制环52，下封隔栓塞6顶部和底部均套设有限制环52，上封隔栓塞5底部的限制环52与下封隔栓塞6顶部的限制环52经连接管9相连。限制环52上设置有贯穿其上下两端的通孔53，所述连接管9的上下两端分别与上封隔栓塞5底部的限制环52上的通孔53和下封隔栓塞6顶部的限制环52上的通孔53连通。连接管9与压裂花管91平行且在阀体4径向方向上相距一定距离。

本实施例中，所述阀体4上设置有连通第一腔体41与外界的排气孔46，所述排气孔46沿所述阀体4的径向延伸；所述排气孔46在所述阀体4的轴线方向上位于所述第二流体通道44与所述第一阀体4连接点的下方。

本实施例中，所述排气孔46的设置能够将第一腔体41内存储的空气排出阀体4外。

本实施例中，所述卡位变径1呈圆柱体型，且其下端沿其径向向外凸出延伸形成直径突变的圆台12，所述圆台12的上表面与所述限位套筒2顶部下表面对应接触贴合，所述圆台12的外壁与所述限位套筒2的内壁对应贴合接触。

本实施例中，所述卡位变径1的顶部与钻杆7对应固定连接。

本实施例中，所述活塞3的外壁与所述阀体4的内壁对应贴合接触，所述第一腔体41的直径小于所述限位套筒2的内径，所述活塞3的外壁与所述限位套筒2的内壁相距一定距离。所述第一腔体41的直径略大于活塞3的直径，也就是说活塞3的直径小于限位套筒2的内径，能够令活塞3在限位套筒2内自由上下移动，不会与限位套筒2发生摩擦碰撞，从而影响控制阀的正常工作。

本实施例中，所述出水孔32与所述进水孔31的延伸端相连，所述出水孔32沿所述活塞3周向间隔均匀设置，且沿所述活塞3的径向延伸，所述出水孔32的个数为至少八个。出水孔32的个数能够根据具体情况自行设置，以保证控制阀具有更好的使用效果。

本实施例中，所述出水孔32均匀间隔设置在所述活塞3周向，出水孔32沿活塞3周向设置的设置方式能够保证出水孔32可以与第一流体通道43、第二流体通道44和卸压通道45对接。

本实施例中，所述阀体4顶端沿其径向向靠近其轴线的方向凹陷形成直径突变的台阶47，所述阀体4顶部对应伸入所述限位套筒2内部，且所述限位套筒2的下表面与所述台阶47的上表面对应接触，所述阀体4顶端外周壁与限位套筒2的内壁对应接触，所述限位套筒2和所述阀体4经紧固件固定连接。所述限位套筒2的外壁与台阶47以下的阀体4直径相同。这样能够保证控制阀自上而下都是均匀的，能够与岩体钻孔8更好的贴合，避免控制阀直径不同影响其放置在岩体钻孔8内，影响试验效果。

本实施例中，活塞3在阀体4内可以上下移动，以处于不同的工位。当活塞3处于上工位，第一密封圈和第二密封圈起作用，此时，活塞3的出水孔32与第一流体通道43相连，活塞3的进水孔31内的水流则会进入第一流体通道43内，并经第一流体通道43和限制环52上的通孔53进入上封隔栓塞5内的上腔体51，然后经上封隔栓塞5和连接管9之间的限制环52上的通孔53进入连接管9内，再经连接管9和下封隔栓塞6之间的限制环52上的通孔53进入下封隔栓塞6的下腔体61内。当活塞3向下移动处于中工位时，第二密封圈和第三密封圈起作用，活塞3的出水孔32与卸压通道45相连，活塞3的进水孔31内的水流则会进入卸压通道45内，水流则排出阀体4外部，控制阀卸压。当活塞3向下移动处于下工位时，第三密封圈和第四密封圈起作用，活塞3的出水孔32与第二流体通道44相连，活塞3的进水孔31内的水流则会进入第二流体通道44内，并进入上封隔栓塞5的压裂钢管10内，之后进入压裂花管91内，再进入下封隔栓塞6的压裂钢管10内。

本实施例中，当活塞3处于上工位，此时地面加压装置高压泵打出的高压流体通过钻杆7的注水孔71进入进水孔31，之后通过出水孔32进入第一流体通道43，进而对上下两个封隔栓塞进行加压，封隔栓塞加压膨胀，当两个封隔栓塞都受压膨胀后，将试验压裂段岩体钻孔8完全封闭。

本实施例中，当活塞3处于下工位，此时是对压裂段进行加压，钻杆7通过卡位变径1、活塞3与阀体4内的第二流体通道44连通，高压流体通过第二流体通道44进入上封隔栓塞5的压裂钢管10、连接管9的压裂花管91、进入下封隔栓塞6的压裂钢管10内，完成对试验段的高压压裂试验。

本实施例中，当活塞3位于中工位时，钻杆7通过卡位变径1、活塞3与阀体4上的卸压通道45连通，此时可将钻杆7内的流体通过卸压通道45排出，使钻杆7内外压力平衡，继续提升钻杆7，使活塞3再次位于上工位，连通封隔栓塞与钻杆7，通过地面不断提升、下放活塞3，切换钻杆7与卸压通道45和封隔栓塞连接，最终使封隔栓塞卸压恢复原状，进行下一测段工作。

通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本实用新型提供了一种干孔封隔栓塞控制阀，通过将控制阀与钻杆和封隔栓塞对接，经钻杆向控制阀内注入流体，流体通过控制阀进入封隔栓塞内，实现对试验段的高压压裂试验。本控制阀通过控制活塞在所述阀体内部不同位置停留，使进水孔分别与第一流体通道、第二流体通道或卸压通道连通，从而实现对三个通道的加压和卸压，实现对封隔栓塞的充液打压、停液保压及卸压效果。同时，本实用新型克服了现有设备的技术缺陷，实现了单通道水压致裂法加压方式下，通过依靠该控制阀的提升及下落，分别对封隔栓塞、压裂段加压及卸压，操作简单易于控制，能够在干孔及低水位钻孔内开展水压致裂地应力测量试验，测试稳定。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述控制阀包括同轴设置的卡位变径、限位套筒、活塞和阀体；所述限位套筒内部中空且下端敞口设置，所述卡位变径设置在所述限位套筒内部，且其上端伸出所述限位套筒的顶部；所述阀体位于所述限位套筒下方并与其固定连接；所述阀体内设置有与其同轴且贯穿其顶部的第一腔体，所述活塞上下两端分别对应伸入所述限位套筒内部和所述第一腔体内部，且所述活塞的上表面与所述卡位变径的下表面对应接触固定；所述卡位变径内部设置有与其同轴且贯穿其上下两端的过水通道，所述活塞上设置有与其同轴的进水孔，所述进水孔贯穿所述活塞的顶部与所述过水通道对接，所述活塞上设置有与所述进水孔相连的出水孔，所述出水孔与所述第一腔体连通；所述阀体自上而下间隔设置有与所述第一腔体相连的第一流体通道、第二流体通道和卸压通道，所述活塞在所述第一腔体内上下移动，以令所述出水孔与所述第一流体通道或第二流体通道或卸压通道连通。

2.根据权利要求1所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述第一流体通道和所述第二流体通道均自上而下延伸；且所述第一流体通道和所述第二流体通道在所述阀体的径向上相距一定距离，所述第一流体通道和所述第二流体通道均与所述阀体内壁相距一定距离。

3.根据权利要求2所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述阀体内设置有与其同轴且贯穿其底部的第二腔体，所述第二腔体的顶部与所述第一腔体的底部相距一定距离；所述第一流体通道的延伸端和所述第二流体通道的延伸端均与所述第二腔体连通。

4.根据权利要求3所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述阀体上设置有连通第一腔体与外界的排气孔，所述排气孔沿所述阀体的径向延伸；所述排气孔在所述阀体的轴线方向上、位于所述第二流体通道与所述阀体两者的连接点的下方。

5.根据权利要求4所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述卸压通道沿所述阀体的径向延伸，且所述卸压通道连通所述第一腔体与外界。

6.根据权利要求1至5任一所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述限位套筒呈圆柱体型，且其下端沿其径向向外凸出延伸形成直径突变的圆台，所述圆台的上表面与所述限位套筒顶部下表面对应接触贴合，所述圆台的外壁与所述限位套筒的内壁对应贴合接触。

7.根据权利要求6所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述活塞的外壁与所述阀体的内壁对应贴合接触，所述第一腔体的直径小于所述限位套筒的内径，所述活塞的外壁与所述限位套筒的内壁相距一定距离。

8.根据权利要求1所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述阀体上自上而下间隔设置有至少四个密封圈槽，所述密封圈槽自所述阀体内壁沿其径向向外凸出延伸，所述密封圈槽内设置有密封圈或四氟垫；所述密封圈槽分别设置在所述第一流体通道和所述阀体顶部之间、所述第一流体通道和所述卸压通道之间、所述卸压通道和所述第二流体通道之间、所述第二流体通道下方；且沿所述阀体轴线方向处于最下游的密封圈槽位于所述第一腔体底部的上方。

9.根据权利要求1所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述出水孔与所述进水孔的延伸端相连，所述出水孔沿所述活塞周向间隔均匀设置，且沿所述活塞的径向延伸，所述出水孔的个数为至少八个。

10.根据权利要求1所述的干孔封隔栓塞控制阀，其特征在于：所述阀体顶端沿其径向向靠近其轴线的方向凹陷形成直径突变的台阶，所述阀体顶部对应伸入所述限位套筒内部，且所述限位套筒的下表面与所述台阶的上表面对应接触，所述阀体顶端外周壁与限位套筒的内壁对应接触，所述限位套筒和所述阀体经紧固件固定连接。

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