一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置

摘要

一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，该装置由密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构和钻具总成组成，其中钻具总成在地壳岩石上钻出水平勘察孔；密封压送机构将装置压送至孔底；水压致裂机构进行水压致裂实验，孔内成像机构记录图像信息，该装置的密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构可以在钻具总成的内部移动，故测量时无需提钻，水压致裂与钻孔裂缝扩展信息获取整合为一次下钻工序，提高效率；测量的同时，还可以获取钻孔周围围岩体图像信息。

权利要求

1.一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，至少包括钻具总成和水压致裂机构，其特征在于：所述钻具总成的内部由上至下依次设有密封压送机构、到位报讯机构和孔内成像机构，其中所述水压致裂机构位于到位报讯机构和孔内成像机构之间；

所述水压致裂机构包括推拉管、中心杆、推拉阀、上封隔器、压裂管和下封隔器，推拉管设于中心杆的轴线上，中心杆的下部中空，且中空处设有推拉阀，中心杆与推拉阀配合形成两个封闭腔，分别为靠外侧的封隔器管路腔体和靠内侧的压裂管腔体，推拉阀的下端由上至下依次设有上封隔器、压裂管和下封隔器；

所述钻具总成包括单壁钻杆、双壁钻杆和钻头；

到位报讯机构包括悬挂座环和阀堵，阀堵设于中心杆与双壁钻杆之间，阀堵一侧外表面与中心杆全贴合，阀堵另一侧的下端外表面与双壁钻杆内表面贴合，且悬挂座环设于阀堵的上端、阀堵与双壁钻杆之间；

密封压送机构包括密封夹板和密封垫；

双壁钻杆中设有水口A和水口B；

推拉管上设有上水口和下水口；

压裂管外壁上设有水口C；

密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构整体到达孔底时水口A位于密封压送机构的上方，水口B位于密封压送机构的下方；

阀堵水口为压送到位后，在阀堵上方空间内形成的立体环形唯一泥浆通道，泥浆流经水口B然后通过阀堵水口冲顶阀堵；

使泥浆压力上升，直至泥浆压力足够大完全将阀堵冲开，泥浆压力下降，泥浆压力先上升后下降并基本稳定的现象代表水压致裂机构已到达预定位置；

当封隔水平勘察孔时，推拉阀将推拉管推动到底，推拉管的上水口连通封隔器管路腔体，推拉管下水口处于封堵状态，封隔器管路腔体连接上封隔器，上封隔器通过管道连接下封隔器，推拉管泵入液体依次至封隔器管路腔体、上封隔器，上封隔器、管道、下封隔器，当注入的液体将上封隔器与下封隔器膨胀至孔壁时，上封隔器与下封隔器之间的孔壁被封隔形成封闭腔；

当裂解孔壁时，推拉阀将推拉管推动到顶，推拉管的下水口连通压裂管腔体，推拉管上水口处于封堵状态，压裂管腔体与压裂管相连，推拉管泵入液体依次至压裂管腔体、压裂管，液体从水口流出至上封隔器与下封隔器之间，当输入的液体充满封闭腔C后，便挤压孔壁，直至岩体产生破裂。

2.根据权利要求1所述的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，其特征在于：所述单壁钻杆下端靠外侧部分突出，双壁钻杆上端靠外侧部分内陷，且突出长度与内陷深度一致，单壁钻杆突出处和双壁钻杆的内陷处的侧面互相贴合，贴合处为接头，接头的中部垂直设有螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，其特征在于：所述密封夹板数量为两个，分别位于中心杆的左右两端。

4.根据权利要求1所述的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，其特征在于：所述密封垫为圆环形，且密封垫的外侧面严密贴合所述双壁钻杆内表面，密封垫的内侧面严密贴合所述中心杆的外表面。

5.根据权利要求1所述的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，其特征在于：所述孔内成像机构包括综合电缆线管、激光发射器和高清摄像头。

6.根据权利要求5所述的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，其特征在于：所述激光发射器和高清摄像头外部设有保护罩。

说明书

一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试验装置，属于工程地 质勘察器械领域。

背景技术

[0002] 地应力是对存在于地壳岩石中的应力的统称，更广义地说是指地球内的应力。

[0003] 现有水压致裂法地应力测量装置由钻具、一对可膨胀的橡胶封隔器和压裂管组成， 压裂管位于橡胶封隔器之间，钻具在岩体上钻出预定测试深度的水平勘察孔，然后取
出 钻具放入橡胶封隔器，泵入液体使橡胶封隔器膨胀至孔壁，橡胶封隔器与孔壁封隔一段 
孔壁，然后向压裂管泵入液体使压裂管膨胀，压裂管对孔壁施压，直至岩体产生破裂， 根据
压裂过程曲线的压力特征值与压裂缝方向，确定地应力量值、方向及其沿深度的变 化规
律；但现有水压致裂法地应力测量装置不能应用于长距离水平勘察孔的地应力测 量；现有
水压致裂法地应力测量装置需要从水平勘察孔中取出钻具，从而对于长距离的 水平勘察
孔测量效率很低。

发明内容

[0004] 为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种压送式水平定向钻进工 程地质勘察水压致裂试验装置，该装置适用于长距离水平勘察孔，对长距离的水平勘察 
孔的地应力测量效率高。

[0005] 实现本发明目的的技术方案为，一种压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试 验装置，至少包括钻具总成和水压致裂机构，钻具总成的内部由上至下依次设有密封压 
送机构、到位报讯机构和孔内成像机构，其中水压致裂机构位于到位报讯机构和孔内成 像
机构之间；

[0006] 水压致裂机构包括推拉管、中心杆、推拉阀、上封隔器、压裂管和下封隔器，推拉 管设于中心杆的轴线上，中心杆的下部中空，且中空处设有推拉阀，中心杆与推拉阀配 合
形成两个封闭腔，分别为靠外侧的封隔器管路腔体和靠内侧的压裂管腔体，推拉阀的 下端
由上至下依次设有推拉阀、上封隔器、压裂管和下封隔器；

[0007] 钻具总成包括单壁钻杆、双壁钻杆和钻头；

[0008] 到位报讯机构包括悬挂座环和阀堵，阀堵设于中心杆与双壁钻杆之间，阀堵一侧外 表面与中心杆全贴合，阀堵另一侧的下端外表面与双壁钻杆内表面贴合，且悬挂座环设 
于阀堵的上端与双壁钻杆之间；

[0009] 密封压送机构包括密封夹板和密封垫。

[0010] 对上述技术方案的进一步改进为：单壁钻杆下端靠外侧部分突出，双壁钻杆下端靠 外侧部分内陷，且突出长度与内陷深度一致，单壁钻杆突出处和双壁钻杆的内陷处的侧 
面互相贴合，贴合处为接头，接头的中部垂直设有螺纹孔。

[0011] 且双壁钻杆中设有两个水口A、B，水口A位于密封压送机构的上方，水口B位于 密封压送机构的下方。

[0012] 且密封夹板数量为两个，分别位于中心管的左右两端。

[0013] 且密封垫为圆环形，且密封垫的外侧面严密贴合双壁钻杆内表面，密封垫的内侧面 严密贴合中心杆的外表面。

[0014] 且推拉阀在推拉管推动到底时，推拉管上水口对应封隔器管路腔体，而推拉管下水 口处于封堵状态；在推拉管拉动到顶时，推拉管下水口对应压裂管腔体，而推拉管上水 
口处于封堵状态。

[0015] 且上封隔器和下封隔器之间通过管路连通。

[0016] 且压裂管外壁上设有至少一个水口C。

[0017] 且孔内成像机构包括综合电缆线管、激光发射器和高清摄像头。

[0018] 且激光发射器和高清摄像头外部设有保护罩。

[0019] 由上述技术方案可知，本发明提供的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试 验装置，由密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构和钻具总成组 
成,其中钻具总成在地壳岩石上钻出水平勘察孔；密封压送机构确保将除钻具总成的其他 
机构压送到孔底；水压致裂机构利用上封隔器和下封隔器膨胀来封闭孔壁，利用压裂管 上
的水口来进行水压致裂实验，孔内成像机构记录图像信息，该装置的密封压送机构、 到位
报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构设置在钻具总成的内部，故测量时无需提 钻，水
压致裂与钻孔裂缝扩展信息获取整合为一次下钻工序，提高效率；测量的同时， 还可以获
取钻孔周围围岩体图像信息。

附图说明

[0020] 图1为本发明提供的水压致裂试验装置的结构示意图；

[0021] 图2至图4为图1由上至下的依次局部放大图；

[0022] 图中：1、综合电缆线管；2、推拉管；3、中心杆；4、单壁钻杆；5、接头；6、双 壁钻杆；7、水口A；8、密封夹板；9、密封垫；10、悬挂座环；11、弹簧销；12、水 口B；13、阀堵水口；14、阀
堵；15、弹簧销；16、钻头；17、上水口；18、封隔器管 路腔体；19、压裂管腔体；20、推拉阀；21、
下水口；22、上封隔器；23、压裂管；24、 水口C；25、管路；26、下封隔器；27、保护罩；28、激光
发射器和高清摄像头；29、 封闭腔A；30、封闭腔B；31、封闭腔C。

[0023] 阀堵水口13为虚拟描述水口，其实为装置压送到位后，在阀堵上方空间内形成的 立体环形唯一泥浆通道，泥浆必须流经水口12，然后通过阀堵水口13冲顶阀堵14，泥 浆压
力先上升后下降，实现装置到位报讯；

[0024] 弹簧销15为推拉管2的配合部件，实现对推拉管的牵拉，自然状态下推拉管在底 部，弹簧销收缩，对推拉管提拉时弹簧销拉伸。

具体实施方式

[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0026] 如图1至图4所示，本发明实施例的压送式水平定向钻进工程地质勘察水压致裂试 验装置，包括钻具总成和水压致裂机构，钻具总成的内部由上至下依次设有密封压送机 
构、到位报讯机构和孔内成像机构，其中所述水压致裂机构位于到位报讯机构和孔内成 像
机构之间；

[0027] 水压致裂机构包括推拉管2、中心杆3、推拉阀20、上封隔器22、压裂管23和下 封隔器26，推拉管2设于中心杆3的轴线上，中心杆3的下部中空，且中空处设有推拉 阀20，中心
杆3与推拉阀20配合形成两个封闭腔，分别为靠外侧的封隔器管路25腔体 18和靠内侧的压
裂管23腔体19，推拉阀20的下端由上至下依次设有推拉阀20、上封 隔器22、压裂管23和下
封隔器26；

[0028] 钻具总成包括单壁钻杆4、双壁钻杆6和钻头16；本实施例中双壁钻杆6为满眼钻 具,双壁钻杆6与孔壁间隙小于5mm,故破碎岩块没有坍塌的空间条件,双壁钻杆6对孔壁 还
有一定的支护作用，避免了钻孔所形成的压力和抽吸作用给钻孔造成的破坏。

[0029] 到位报讯机构包括悬挂座环10和阀堵14，阀堵14设于中心杆3与双壁钻杆6之间， 阀堵14一侧外表面与中心杆3全贴合，阀堵14另一侧的下端外表面与双壁钻杆6内表 面贴
合，且悬挂座环10设于阀堵14的上端与双壁钻杆6之间，悬挂座环10用于支撑 阀堵14；

[0030] 密封压送机构包括密封夹板8和密封垫9。

[0031] 本实施例中：单壁钻杆4下端靠外侧部分突出，双壁钻杆6下端靠外侧部分内陷， 且突出长度与内陷深度一致，单壁钻杆4突出处和双壁钻杆6的内陷处的侧面互相贴合， 贴
合处为接头5，接头5的中部垂直设有螺纹孔,通过螺钉使单壁钻杆4和双壁钻杆6固 定连
接。

[0032] 双壁钻杆6中设有两个水口A7、B12，水口A7位于密封压送机构的上方，水口B12 位于密封压送机构的下方。

[0033] 且密封夹板8数量为两个，分别位于中心管的左右两端。

[0034] 且密封垫9为圆环形，且密封垫9的外侧面严密贴合双壁钻杆6内表面，密封垫9 的内侧面严密贴合中心杆3的外表面。

[0035] 且推拉阀20在推拉管2推动到底时，推拉管2上水口17对应封隔器管路25腔体 18，而推拉管2下水口21处于封堵状态；在推拉管2拉动到顶时，推拉管2下水口21 对应压裂管
23腔体19，而推拉管2上水口17处于封堵状态。

[0036] 弹簧销15为推拉管2的配合部件，实现对推拉管2的牵拉，自然状态下推拉管2 在底部，弹簧销15收缩，对推拉管2提拉时弹簧销15拉伸。

[0037] 且上封隔器22和下封隔器26之间通过管路25连通。

[0038] 且压裂管23外壁上设有至少一个水口C24。

[0039] 且孔内成像机构包括综合电缆线管1、激光发射器28和高清摄像头28。

[0040] 且激光发射器28和高清摄像头28外部设有保护罩27。

[0041] 在钻机的作用下，钻头16靠钻机带动单壁钻杆4、双壁钻杆6联动钻头16钻进， 钻头16用于破开地壳岩石，双壁钻杆6用于传递扭矩、旋转钻进。

[0042] 到达预定位置时，钻机停止转动，钻头16停止钻进，先把密封压送机构、到位报 讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构整体放入钻杆内，然后向双壁钻杆6内封闭腔 A29泵入
泥浆或清水，在水压的作用下，密封压送装置连同到位报讯机构、水压致裂机 构和孔内成
像机构整体在双壁钻杆6内向前移动直至孔底。

[0043] 密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构整体到达孔底时水口 A7位于位于密封压送机构的上方，水口B12位于密封压送机构的下方，泥浆通过双壁 钻
杆的水口流经双壁钻杆到达封闭封闭腔B30冲顶阀堵14，使泥浆压力上升，直至泥 浆压力
足够大完全将阀堵14冲开，泥浆压力下降，泥浆压力先上升后下降并基本稳定 的现象代表
水压致裂机构已到达预定位置。

[0044] 阀堵水口13为为装置压送到位后，在阀堵14上方空间内形成的立体环形唯一泥浆 通道，泥浆必须流经水口B12，然后通过阀堵水口13冲顶阀堵14；

[0045] 弹簧销11为配合阀堵14的部件，实现对阀堵14的牵拉，泥浆冲顶阀堵14，弹簧 销11拉伸，自然状态弹簧销11收缩；

[0046] 所述密封垫9为圆环形，且密封垫9的外侧面严密贴合所述双壁钻杆6内表面，密 封垫9的内侧面严密贴合所述中心杆3的外表面，密封垫9起密封封闭腔B30和限位的 作用，
密封夹板8位于密封垫9的上端，用于防止当封闭腔B30的压力过大时，压力挤 压密封垫9使
密封垫9向上位移。

[0047] 当封隔水平勘察孔时，推拉阀20将推拉管2推动到底，推拉管2的上水口17流通 封隔器管路25腔体18，推拉管2下水口21处于封堵状态，封隔器管路25腔体18连接 上封隔器
22，上封隔器22通过管道连接下封隔器26，推拉管2泵入液体依次至封隔器 管路25腔体18、
上封隔器22，上封隔器22、管道、下封隔器26，当注入的液体将上 封隔器22与下封隔器26膨
胀至孔壁时，上封隔器22与下封隔器26之间的孔壁被封隔 形成封闭腔C31。

[0048] 当裂解孔壁时，推拉阀20将推拉管2推动到顶，推拉管2的下水口21流通压裂管 23腔体19，推拉管2上水口17处于封堵状态，压裂管23腔体19与压裂管23相连， 推拉管2泵入
液体依次至压裂管23腔体19、压裂管23，液体从水口流出至上封隔器22 与下封隔器26之
间，当输入的液体充满封闭腔C31后，便挤压孔壁，直至岩体产生破 裂，根据压裂过程曲线
的压力特征值与压裂缝方向，确定地应力量值、方向及其沿深度 的变化规律。

[0049] 高清摄像头28用于记录视频信息，激光发射器28为高清摄像头28提供光线，综 合电缆线管1用于传输视频信息。

[0050] 当测量完成后将密封压送机构、到位报讯机构、水压致裂机构和孔内成像机构整体 提出，故该测量时无需提钻，水压致裂与钻孔裂缝扩展信息获取整合为一次下钻工序， 
提高效率；测量的同时，还可以获取钻孔周围围岩体图像信息。