一种色素粉末投放装置的制作方法

1.本实用新型涉及涉及岩土试验领域，具体是一种色素粉末投放装置。


背景技术：

2.水压致裂地应力测量方法是岩体地应力测试方法中应用最广泛的方法，是国际岩石力学学会(isrm)、美国材料学会(astm)和国内相关规程规范的主要推荐方法。该方法通过对钻孔测试段岩体水力压裂特征参数的识别与提取，直接计算测点部位岩体地应力量值，且测试相对便捷，成果代表性强，因此，自该方法提出以来，一直作为学术界及工程应用中的重要测试方法获得推动与完善。
3.水压致裂法地应力测试有两个环节组成，其一为量值测试。该环节利用一对可膨胀的橡胶封隔器在选定钻孔深度封隔一段约1m长的孔段，封隔器和封隔孔段由一个或两个压力管道联通地表的压力泵。封隔器放到选定深度后，量值测试主要程序为：(1)膨胀橡胶封隔器，两封隔器间形成封隔孔段；(2)下面为试验操作和现象描述：对封隔孔段泵入水体持续加压，封隔孔段水压力增加直至孔壁岩体压裂，裂缝扩展，停泵，封闭压力管路，封隔孔段岩体渗透造成压力缓慢下降，裂缝关闭，对承压管路卸压。重复上述操作3个循环；(3)封隔器卸压操作，进行下一个孔段量值测试；(4)采集岩体承压试验过程的压力数据，根据其特征压力参数计算岩体地应力量值。
4.第二环节是方向测试，该环节在量值测试全部完成取出双封隔器后进行，一般由印模器执行，极少数情况下，可以由钻孔电视对破裂缝形态和位置进行记录。印模器主体是外表为生橡胶层的可膨胀封隔器。该环节主要程序为：(1)将印模器放入试验钻孔量值测试的深度；(2)地表的压力泵对压力管道泵入水，使印模器膨胀，致使量值测试时的破裂缝再次张开，部分表层生橡胶挤入破裂缝。(3)维持压力一定时间，使破裂缝形状固化。(4)卸压，提出印模器至孔口；(5)查看并由透明薄膜纸拓印破裂缝留下的凸起痕迹，由印模器连接的定向器确定方向。
5.目前，针对水压致裂法方向测试技术的改进集中在定向和提高印模效率上，主要有无时限定向装置、电子化定向方法和双印模器装置等。现有定向装置和方法可以满足地应力方向测试对定向的需求。但当前水压致裂法地应力方向测试存在仍存在以下主要问题：(1)国内印模测试压力通道由钻杆承载，印模单次测试均要连接和拆卸钻杆，方向测试时间远超量值测试时间，一般做法是减少方向测试数量，只进行量值测试数量的20％～40％，不同于国际上每段均进行量值和方向测试。(2)方向测试环节存在因破裂缝狭小无法采用钻孔电视等电法观测、传统方向测试所用印模器印痕容易模糊不清的情况，影响破裂缝形态和截面主应力方向判定。
6.特别说明，量值测试过程中孔壁破裂缝由内水压力、地应力和岩体抗拉强度等因素合力造成，为了不产生新的裂缝，方向测试印模器的内水压力必须处于重张压力和破裂压力之间，因此，印模测试中裂缝张开度较小，宽度一般小于1mm，且当内水压力小于关闭压力后，破裂缝随即闭合。上述原因是印模器印痕难以观察和钻孔录像等电测法难以作为地
应力方向测试的主要原因。
7.分析破裂缝印痕模糊不清的主要因素还有：(1)印模器外表生橡胶颜色呈黑灰色，正常破裂缝的印痕为微小凸起无其它差异性特征，故印痕难以寻找且形态不宜判断；(2)上下钻过程中印模器被孔壁和套管摩擦产生多余痕迹，或者破裂缝凸起痕迹被磨平。(3)钻孔录像等电子记录设备应用效果不佳。上述情况影响了破裂缝形态及其代表的主应力方向信息判定，并对水压致裂法地应力测试效率和数据准确性造成了较大影响。


技术实现要素：

8.针对现有水压致裂法方向测试中印模测试技术存在破裂缝难以电测和印模痕迹模糊不清的情况，本实用新型提供一种色素粉末投放装置，其可通过对测试孔段孔壁染色和粉末分布标示的方式增强破裂缝清晰度。
9.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
10.一种色素粉末投放装置，用于安装于钻孔中的上封隔器、下封隔器之间，压力管上设有切换阀，与切换阀连通设有软管，所述色素粉末投放装置中设有色素粉末块、与色素粉末块连通的水流通道、连通压力管的压力通道、以及可将压力通道阻断或导通的滑块，所述滑块在上封隔器和下封隔器未膨胀时将压力通道阻断，在软管泵入水流使上封隔器和下封隔器膨胀时推动滑块进而将压力通道导通，压力管中的水流通过压力通道、水流通道冲刷色素粉末块，进而实现色素粉末投放以将封隔孔段染色。
11.进一步的，所述色素粉末投放装置包括主体腔及与主体腔盖合的盖板，所述主体腔中设有内装色素粉末块的色素粉末笼，色素粉末笼顶部开设有与封隔孔段连通的水流孔，色素粉末笼的底部设置色素粉末槽，色素粉末槽通过水流通道与所述压力通道连通。
12.进一步的，所述主体腔的上下端面分别设有上压裂段钢管接口、上软管接口以及下压裂段钢管接口、下软管接口，软管与上封隔器连通，上封隔器与上软管接口之间通过上软管接口连接，下封隔器与下软管接口之间通过下软管连接；压力管从上封隔器下端伸出的部分作为上压裂段钢管与上压裂段钢管接口连接，下压裂段钢管从下封隔器穿出后与下压裂段钢管接口连接。
13.进一步的，上压裂段钢管接口与下压裂段钢管接口之间通过压力通道连通，所述压力通道以及上软管接口与下软管接口之间的管道被横向设置的滑道贯通，滑道中设有可将压力通道阻断或导通的滑块。
14.进一步的，所述滑块设计为两端粗中间细的杠铃式结构，所述滑块的两端分别通过滑块弹簧固定于两侧的侧壁，上封隔器、下封隔器未膨胀时，滑块两端的滑块弹簧的反力使得杠铃状滑块的另一端可以阻断上、下压裂段钢管之间的压力通道，当试验开始增加封隔器水路压力时，封隔器水路压力作用于滑块的一端，推挤滑块滑向另一侧，压力通道经由杠铃段滑块的中间段联通水流通道、色素粉末槽，允许压裂段水流出压力通道并冲刷色素粉末笼中的色素粉末块。
15.本实用新型可将地应力测试封隔孔段的孔壁整体被染色，破裂缝部位作为水流入口，其流态异于其它部位自然使得粉末颗粒累积密度不同于其它部位，在孔壁染色背景下可使破裂缝的形态展示效果得到增强，使得钻孔录像等电测法获取破裂缝形态和方向成为可能；在使用钻孔录像或其它电子采集技术时可以大大减少地应力方向测试时间，提高水
压致裂法地应力试验效率；并可以对所有量值测试的测段进行方向测试，总体提升我国水压致裂法地应力测试资料质量。
附图说明
16.图1是本实用新型实施例色素粉末投放装置应用时的结构示意图；
17.图2是本实用新型实施例色素粉末投放装置的剖视图；
18.图3是本实用新型实施例色素粉末投放装置的俯视图。
19.图中附图标记分述如下：
20.1—计算机，2—数据采集仪，3—水泵，4—流量传感器，5—压力传感器，6—压力表，7—压力管，8—切换阀，9—上封隔器，10—封隔孔段，11—上压裂段钢管，12—上软管，13—色素粉末投放装置，14—下软管，15—下压裂段钢管，16—下封隔器，17—钻孔，18—软管，131—盖板，132—主体腔，133—色素粉末块，134—色素粉末笼，135—色素粉末槽，136—上压裂段钢管接口，137—上软管接口，138—滑块检修口，139—滑块，140—下软管接口，141—下压裂段钢管接口，142—水流通道，143—水路封口，144—滑块弹簧，145—压力通道，146—水流孔，147—固定螺钉。
具体实施方式
21.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
22.请参阅图1，本实用新型实施例提供一种色素粉末投放装置13，其安装于钻孔17中的上封隔器9、下封隔器16之间，上封隔器9、下封隔器16之间形成封隔孔段10，封隔孔段10中安装所述色素粉末投放装置13。压力管7上设有切换阀8，与切换阀8连通设有软管18。软管18与上封隔器9、下封隔器16和色素粉末投放装置13连通，压力管7与色素粉末投放装置13连通。上封隔器9、下封隔器16采用可膨胀的橡胶封隔器。
23.如图2及图3所示，所述色素粉末投放装置13包括主体腔132及与主体腔132盖合的盖板131，所述主体腔132为与封隔孔段10外径一致的圆柱体结构。所述主体腔132中设有内装色素粉末块133的色素粉末笼134，色素粉末笼134顶部开设有与封隔孔段10连通的水流孔146，所述色素粉末笼134可设计为环形圆柱体结构。
24.所述主体腔132的上下端面分别设有上压裂段钢管接口136、上软管接口137以及下压裂段钢管接口141、下软管接口140，软管18与上封隔器9连通，上封隔器9与上软管接口137之间通过上软管接口137连接，下封隔器16与下软管接口140之间通过下软管14连接；力管7从上封隔器9下端伸出的部分作为上压裂段钢管11与上压裂段钢管接口136连接，下压裂段钢管15从下封隔器16穿出后与下压裂段钢管接口141连接。
25.上压裂段钢管接口136与下压裂段钢管接口141之间通过压力通道145连通，上压裂段钢管接口136与下压裂段钢管接口141之间的管道(即所述压力通道145)以及上软管接口137与下软管接口140之间的管道被横向设置的滑道贯通，滑道中设有可将压力通道145阻断或导通的滑块139。所述滑块139可设计为两端粗中间细的杠铃式结构，所述滑块139的
两端分别通过滑块弹簧144固定于两侧的侧壁。滑块139安装和检修通过一侧的滑块检修口138进行。
26.色素粉末笼134的底部设置色素粉末槽15，色素粉末槽135通过水流通道142与所述压力通道145连通，即色素粉末投放装置13的中间部位上下连接压裂段钢管和软管，上、下压裂段钢管(11、15)之间的管路连通水流通道142，水流通道142流向色素粉末槽15；上、下软管(12、14)连通上封隔器9、下封隔器16，上、下软管(12、14)之间的管道与滑块139所在滑道联通，可以将上封隔器9、下封隔器16等同的压力作用于滑块139的一端。上封隔器9、下封隔器16未膨胀时，滑块139两端的滑块弹簧144的反力使得杠铃状滑块139的另一端可以阻断上、下压裂段钢管(11、15)之间的压力通道145。当试验开始增加封隔器水路压力时，封隔器水路压力作用于滑块139的一端，推挤滑块139滑向另一侧，压裂段水流通道(即压力通道145)经由杠铃段滑块139的中间段联通所有水流通道(压力通道145、水流通道142、色素粉末槽135)，允许压裂段水流出压力通道并冲刷色素粉末笼134中的色素粉末块133，以进行色素和粉末投放。
27.所述色素粉末块133中的色素粉末是包含染料和粉末颗粒的混合物质。色素粉末制成致密的块状，水流冲刷下缓慢给出染料和粉末颗粒。其中染料溶于水形成单一质溶液，粉末颗粒不溶于水，与水混合形成悬浊液，在水流带动下运动。色素粉末的设计依据为：水溶液条件下孔壁湿磨擦染色牢度好，粉末颗粒自身颜色和染料的色称颜色构成对比色，粉末颗粒对孔壁有粘性或者含有粘结性成分。色素粉末不得影响岩体裂隙扩展，针对不同颜色岩石时可配置不同染料颜色和粉末自身颜色。一种简单色素粉末制作方法如下：将大于300目的石英粉(质量占比86％)、糊精(质量占比5％)、黑色染料(质量占比4％)、水(质量占比5％)，放入模具压制成适合色素粉末笼134尺寸的块状，干燥保存。该示例中石英粉自身颜色为白色，染料将孔壁染为黑色，黑白色构成明度对比色，糊精溶于水可提供孔壁与粉末颗粒的粘结力。
28.色素粉末仅在试验孔段投放为佳，适宜在量值测试所用双封隔器的中间位置设置所述色素粉末投放装置13，所述色素粉末投放装置13当且仅当双封隔器膨胀、形成封隔空间，水泵3对封隔孔段10加压时投放色素粉末，该方式投放仅对测试孔段染色，对钻孔水体影响小。
29.试验时的地面试验设备包括计算机1、数据采集仪2、水泵3、流量传感器4、压力传感器5、压力表7，水泵3用于与伸入钻孔17中的压力管7连通，水泵3与压力管7连通的管道上设有流量传感器4、压力传感器5，流量传感器4、压力传感器5与数据采集仪2连接，数据采集仪2与计算机1连接，压力传感器5还与压力表7连接。
30.本实用新可用于通过色素粉末增强水压致裂法印模效果，其包括如下步骤：
31.在量值测试环节的试验开始前，孔内设备由钻杆通过钻孔17送到预先选定孔深；
32.随后水泵3工作，将水泵入压力管7，控制切换阀8将通道切换至软管18，水由压力管7进入软管18，进而通过软管18通入上封隔器9，通过上软管12、下软管14后进入下封隔器16，上封隔器9、下封隔器16膨胀形成封隔空间，同时封隔器水路压力作用于滑块139，使滑块139移动从而将色素粉末投放装置13中的压力通道145导通；
33.控制切换阀8将通道切换至压力管7，即通过上压裂段钢管11将压力管7中的水导入色素粉末投放装置13中的上压裂段钢管接口136，进而通过已导通的压力通道145从水流
通道142、色素粉末槽135导入色素粉末笼134，对色素粉末笼134中的色素粉末块133进行冲刷，水泵3加压后，色素粉末从色素粉末投放装置13中流出到封隔孔段10，色素粉末部分溶解、部分形成悬浊液，当封隔孔段10的孔壁裂隙张开后含色素粉末水溶液进入裂隙并随之扩展；
34.关闭水泵3，无水流进入封隔孔段10，含色素粉末水流不再流出，封隔孔段压力逐渐降低，裂隙关闭后水流停止。一般进行3～4个循环。
35.在上述裂隙张开和关闭过程中，色素粉末中的染料对封隔孔段的水体和孔壁染色，其中的粉末随着裂隙张开后水流剧烈流动，裂隙部位水流的流态和色素粉末累积密度不同于其它部位，在其它部位相对染色均匀的情况下，可以使破裂缝形态相对突出。通过上述方式，地应力压裂孔段整体被染色，破裂缝部位作为水流入口，其流态异于其它部位，粉末颗粒累积密度自然不同于其它部位，在孔壁染色背景下可使破裂缝的形态展示效果得到增强，使得钻孔录像或其它影像装置获取破裂缝形态和方向成为可靠技术。使用钻孔录像或其它电子采集技术可以大量减少地应力方向测试时间(方向测试约占总测试时间的2/3)。
36.采用传统印模方法需要在量值测试环节完成后取出孔内设备，随后将压力通道底部的双封隔器更换成传统印模器，地面设备仅需保留压力表7和水泵3。印模测试过程如下：由压力通道将印模器放至量值测试的压裂孔段深度，随即由水泵3对压力管道增压，使印模器膨胀，量值测试环节残留的色素粉末在印模器膨胀时嵌入生橡胶层中。保持压力一段时间，释放管路压力，印模器收缩，提出印模器查看和拓印印痕；随即可进行下一段印模测试。该投放色素粉末的方式由于色素粉末的分布可以让破裂缝形态获得更为清晰的表达，方便破裂缝的查找和形态确定。
37.本实用新型通过在地应力量值测试环节的孔内设备增设粉末投放装置，可实现正常试验程序中只对压裂孔段部位进行色素粉末投放，色素粉末中的染料对压裂孔段孔壁染色，粉末颗粒受水流带动部分粘结于孔壁，孔壁染色和粉末分布特征使破裂缝形态展示的更为清晰完整，可提高破裂缝形态辨识度和方向测量准确度，为钻孔录像等电测法快速准确获得地应力方向提供便利条件，也能够增强传统印模测试破裂缝的形态的辨识度。
38.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。