一种超深钻孔压水试验装置的制作方法

1.本发明涉及水利水电工程地质勘察超深钻孔的压水试验设备，具体涉及一种超深钻孔压水试验装置。


背景技术：

2.超深钻孔压水试验是水利水电工程地质勘察中获取岩层水文地质资料的一项重要工作内容。水利水电工程地质勘察钻孔深度一般小于100m称为浅孔、100～300m为中深孔、300～500m为深孔、大于等于500m为超深孔。
3.当前水利水电工程地质勘察行业，在深孔中实施压水试验的技术方案，一是采用全孔连接两条独立供水管道，分别单独负责对试验器栓塞充水和向试验孔段压水的两道独立工序；或者采用全孔连接一条供水管道，在压水试验装置连接具有两条独立水道并可适时控制开合与转换的装置，来同时负责对试验器栓塞充水和向试验孔段压水的工作。超深孔实施压水试验，按现有的技术手段难以采取全孔连接两条独立供水管道的方法，只能采用一条供水管道由压水试验装置连接双(多)水路通道与转换装置的方法。由于超深钻孔的实际条件及特殊需要，对所需孔内压水试验装置所应具备的多项性能，如试验器不同水路通道的打开封闭、水路通道转换动作的适时可靠、各组部件的耐超高压密封性能、栓塞胶囊卸压排水的充分可靠等方面，其技术指标与要求都须更高更严，目前现有用于深孔的压水试验器同类型装置均难以满足需要。
4.随着国民经济的发展，科学技术水平的提高，国家层面推进的一批批大型水利水电工程不仅规模大、建设工期紧、实施难度高，而且地质条件复杂，布置的超深钻探孔也越来越多，但市场上却没有性能成熟且稳定的压水试验装置。目前，在水利水电工程地质勘察领域，由于超深钻孔的压水试验工作存在着较大的难度，很多单位常用分析钻孔钻进返水现象或其他水文资料替代。综上，水利水电勘察行业对超深钻孔压水试验装置的研发和配套成为急需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种可切换成两条独立水路通道的超深钻孔压水试验装置。
6.本发明采用的技术方案为：一种超深钻孔压水试验装置，包括钻杆接头、芯管、压水芯管、芯管套、高低压过渡腔管、止水腔管和胶囊接头；所述钻杆接头、芯管、压水芯管自上而下依次连接且同轴布置，三者内部中空形成可依次连通的内部流道；所述芯管套套设于芯管外部，芯管套的侧部开设有轴向腔室形成第一过流通道；所述芯管套内壁与芯管外壁之间设有支撑密封件，支撑密封件上开有可与设于芯管上的第一导水孔连通的第一过流孔；
7.所述高低压过渡腔管套设于芯管和压水芯管的外部，高低压过渡腔管的上端与芯管套的下端相连，高低压过渡腔管的下端与止水腔管的上端相连，高低压过渡腔管的侧部
开设有第二过流通道；高低压过渡腔管的内侧壁与压水芯管的外壁之间留有过水腔；所述压水芯管上开设有可连通压水芯管内部流道与过水腔的第二导水孔；
8.所述止水腔管的侧部开设有第三过流通道；所述止水腔管内部中空形成中心腔室，中心腔室内安装有止水套和回位弹簧；所述止水套设于压水芯管的外部；止水套的外壁与止水腔管的内壁之间设有过水通道，过水通道连通过水腔和止水腔管的中心腔室；回位弹簧的上端与止水套的下端面压紧，回位弹簧的下端与安装在压水芯管下端的堵头连接；
9.所述胶囊接头安装在止水腔管的下端，胶囊接头设置有偏心孔和中心孔，偏心孔的上部与第三过流通道连通，偏心孔的下部与高压接头连接，高压接头与栓塞胶囊芯管及压水试验花管连通；所述中心孔与止水腔管的中心腔室连通；
10.所述第一过流通道、第二过流通道、第三过流通道和高压接头连通形成第一水路通道，当第一导水孔与第一过流孔连通时，第一水路通道导通；高低压过渡腔管的过水腔、止水套的外壁与止水腔管的内壁之间的过水通道、止水腔管的中心腔室连通形成第二水路通道，当第二导水孔与过水腔连通时，第二水路通道导通。
11.按上述方案，所述芯管套的上端面设有端盖，端盖表面配置有防尘圈压板，防尘圈压板和端盖通过内六角螺钉a与芯管套连接；所述端盖内侧与芯管外壁之间增设有防尘密封圈。
12.按上述方案，所述支撑密封件包括多个隔套和多个v型组合密封圈，隔套和v型组合密封圈间隔布置；所述v型组合密封圈的上端和下端均分别配置有支撑环，支撑环上开设有第一过流孔，第一过流孔可与芯管上的第一导水孔连通。
13.按上述方案，高低压过渡腔管内径大于其内侧相套的芯管及芯管下端的压水芯管外径；所述高低压过渡腔管的上端通过螺钉与芯管套的下端相连，连接处设置有密封圈；高低压过渡腔管的下端通过螺钉与止水腔管的上端相连，连接处设置有密封圈；高低压过渡腔管的侧部开设有第二过流通道；所述芯管的下端通过螺纹丝扣与压水芯管的上端连接，该螺纹丝扣位于高低压过渡腔管的过水腔内。
14.按上述方案，所述止水套上下两端外侧为花键状设置；所述止水套的内壁与压水芯管的外壁之间沿轴向设有多个o型密封圈。
15.按上述方案，止水腔管的下端采用六内角螺钉与胶囊接头相连，连接处设有密封圈b；回位弹簧套设于压水芯管和堵头外侧，回位弹簧的上端与止水套接触，回位弹簧的下端与堵头固定连接。
16.按上述方案，胶囊接头的偏心孔与高压接头采用螺纹丝扣连接，胶囊接头的中心孔与栓塞胶囊芯管采用螺纹丝扣连接。
17.本发明的有益效果为：
18.1、本发明设计两条独立水路通道，其中一条打开或封闭，则另一条同时封闭或打开，通过简单操作，即可实现截止功能实时转换动作，达到栓塞胶囊(单、双胶囊均可)的充水通道打开或封闭、与此同时试验孔段的压水通道封闭或打开的目的。
19.2、本发明中，压水试验装置两条水路通道可按充水胀塞及试段压水这两个工序的需要适时转换到位，各组部件结构的超高压密封性能有保证，栓塞胶囊卸压排水充分可靠，满足了超深钻孔特定条件对孔内压水试验装置的特殊需要。本发明所述装置连接耐超高压双栓塞胶囊，可用于深度大于千米的超深钻孔实施压水试验工作。
20.3、本发明对深孔或超深孔，无论选择采用常规钻具或绳索钻具钻进工艺、不同钻孔口径、采用水压式单栓塞或双栓塞的压水试验技术方案等均可实施，适应性广。
21.4、本发明设计合理、结构新颖、加工方便、性能可靠、操作容易、测试数据可靠。
附图说明
22.图1为本发明一个具体实施例的结构示意图。
23.图2为图1中a处的放大图(第一水路通道连通)。
24.图3为本实施例中第二水路通道连通时的结构示意图。
25.图4为图3中b处的放大图。
26.其中：1、钻杆接头；2、内六角螺钉a；3、防尘圈压板；4、端盖；5、芯管套；6、支撑环；7、v型组合密封圈；8、长间隔套；9、短间隔套；10、高低压过渡腔管；11、内六角螺钉b；12、芯管；13、o型密封圈a；14、压水芯管；15、止水套；16、止水腔管；17、回位弹簧；18、堵头；19、胶囊接头；20、高压接头；21、内六角螺钉c；22、o型密封圈b；23、o型密封圈c；24、o型密封圈d；25、内六角螺钉d；26、o型密封圈e；27、o型密封圈f；28、防尘密封圈；29、o型密封圈g；30、第一导水孔；31、第一过流通道；32、第二过流通道；33、第三过流通道；34、第二导水孔；35、第一过流孔。
具体实施方式
27.为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
28.一种超深钻孔压水试验装置，包括钻杆接头1、芯管12、压水芯管14、芯管套5、高低压过渡腔管10、止水腔管16和胶囊接头19；所述钻杆接头1、芯管12、压水芯管14自上而下依次连接且同轴布置，三者内部中空形成可依次连通的内部流道；所述芯管套5套设于芯管12外部，芯管套5的侧部开设有轴向腔室形成第一过流通道31，芯管套5内壁与芯管12外壁之间设有支撑密封件，支撑密封件上开有可与设于芯管12上的第一导水孔30连通的第一过流孔35；
29.所述高低压过渡腔管10套设于芯管12和压水芯管14的外部，高低压过渡腔管10的上端与芯管套5的下端相连，高低压过渡腔管10的下端与止水腔管16的上端相连，高低压过渡腔管10的侧部开设有第二过流通道32；高低压过渡腔管10的内侧壁与压水芯管14的外壁之间留有过水腔；所述压水芯管14上开设有连通压水芯管14内部流道与过水腔的第二导水孔34；
30.所述止水腔管16的侧部开设有第三过流通道33；所述止水腔管16内部中空形成中心腔室，中心腔室内安装有止水套15和回位弹簧17；所述止水套15设于压水芯管14的外部，止水套15的外壁与止水腔管16的内壁之间设有过水通道，过水通道连通过水腔和止水腔管16的中心腔室；回位弹簧17的上端与止水套15的下端面压紧，回位弹簧17的下端与安装在压水芯管14下端的堵头18连接；
31.所述胶囊接头19通过螺钉(具体为内六角螺钉c21)安装在止水腔管16的下端，胶囊接头19设置有偏心孔和中心孔，偏心孔的上部与第三过流通道33连通，偏心孔的下部与高压接头20连接，高压接头20与栓塞胶囊的高压充水口用高压钢编管连接，给栓塞胶囊充高压水，使栓塞胶囊充胀；所述中心孔与栓塞胶囊芯管及压水试验花管连通；所述中心孔与
止水腔管16的中心腔室连通。
32.本发明中，支撑密封件上的过流孔、第一过流通道31、第二过流通道32、第三过流通道33和高压接头20连通后形成第一水路通道(如图1和图2中的水路通道a)；高低压过渡腔管10的过水腔、止水套15的外壁与止水腔管16的内壁之间的过水通道、止水腔管16的中心腔室连通后形成第二水路通道(如图3和图4中的水路通道b)。芯管12上的第一导水孔30与支撑密封组件上的第一过流孔35连通时，第一水路通道导通，第二水路通道关闭。压水芯管14跟随芯管12及钻杆接头1在止水套15及高低压过滤腔管10内向上移动，直至压水芯管14上端外侧与高低压过渡腔管10内腔贴合，无继续上升余地时，芯管12的第一导水孔30与支撑密封组件上的第一过流孔35错开，压水芯管14上的第二导水孔34与高低压过渡腔管10的过水腔、止水腔管16的中心腔室连通，此时第二水路通道导通，第一水路通道关闭。
33.本实施例中，芯管12的上端采用螺纹丝扣与钻杆接头1连接，连接处设有密封圈，具体为o型密封圈g29；芯管12的内部流道与钻杆接头1的内部流道连通。
34.优选地，所述芯管套5的上端面设有端盖4，端盖4表面配置有防尘圈压板3，防尘圈压板3和端盖4通过螺钉(具体为内六角螺钉a2)与芯管套5连接；所述端盖4内侧与芯管12外壁之间增设有防尘密封圈28。所述支撑密封件包括多个隔套和多个v型组合密封圈7，隔套和v型组合密封圈7间隔布置；所述v型组合密封圈7的上端和下端均分别配置有支撑环6，支撑环6上开设有第一过流孔35，第一过流孔35可与芯管12上的第一导水孔30连通。所述隔套包括长间隔套8和短间隔套9。
35.本实施例中，芯管套5内部从上至下依次设置有长型v型组合密封圈7、支撑环6、短间隔套9、长型v型组合密封圈7、长间隔套8、长型v型组合密封圈7、支撑环6、长型v型组合密封圈7、短间隔套9，各支撑密封件分别与芯管12外壁贴合。
36.优选地，高低压过渡腔管10内径大于其内侧相套的芯管12及芯管12下端的压水芯管14外径；所述高低压过渡腔管10的上端通过螺钉(内六角螺钉b11)与芯管套5的下端相连，连接处设置有密封圈(如图中的o型密封圈e26和o型密封圈f27)；高低压过渡腔管10的下端通过内六角螺钉d25与止水腔管16的上端相连(二者之间的连接面上设有密封圈，具体为o型密封圈a13)，连接处设置有密封圈(图中的o型密封圈d24)；高低压过渡腔管10的侧部开设有第二过流通道32；所述芯管12的下端通过螺纹丝扣与压水芯管14的上端连接，该螺纹丝扣位于高低压过渡腔管10的过水腔内。压水芯管14的下端通过螺纹丝扣与堵头18连接形成封闭。
37.本实施例中，所述止水套15上下两端外侧为花键状，与可止水腔管16内壁形成通道用于过水；所述止水套15的内壁与压水芯管14的外壁之间沿轴向设有多个密封圈(4个o型密封圈c23)。止水腔管16的下端采用六内角螺钉c21与胶囊接头19相连，连接处设有密封圈(o型密封圈b22)；回位弹簧17套设于压水芯管14和压水芯管堵头18外侧，回位弹簧17的上端与止水套15接触，回位弹簧17的下端与堵头18固定连接。胶囊接头19的偏心孔与高压接头20采用螺纹丝扣连接，胶囊接头19的中心孔与栓塞胶囊芯管采用螺纹丝扣连接。
38.回位弹簧17呈自然伸缩状态。芯管套5内长型v型组合密封圈7起到密封芯管12外壁与芯管套5内壁间隙的作用；止水套15内的密封圈(o型密封圈c23)起到密封压水芯管14与止水套15内壁间隙的作用；堵头18和压水芯管14连接形成封闭，与胶囊接头19处的密封圈(o型密封圈b22)、高低压过渡腔管10上下端接头处的密封圈(o型密封圈d24和o型密封圈
e26)共同起到密封胶囊接头19和高低压过渡腔管10间隙的作用。
39.如图1～图4所示的压水试验装置，具体配置为：
40.钻杆接头1与上部钻孔的钻杆连接，不同型号的钻杆则选用相对应的钻杆接头1。防尘圈压板3、端盖4、芯管套5、芯管12、压水芯管14和堵头18共同组成压水芯管组件；芯管12内部沿轴线方向贯通，其套设在芯管套5与高低压过渡腔管10内，芯管12上端与钻杆接头1内部的过流通道连通；芯管12中部设有第一导水孔30，第一导水孔30通过支撑环6上的第一过流孔35与芯管套5侧部的第一过流通道31连通，第一过流通道31依次与高低压过渡腔管10侧边的第二过流通道32、止水腔管16侧部的第三过流通道33连通，第三过流通道33与胶囊接头19侧边的高压接头20连通，高压接头20下端与栓塞胶囊连通。水流从钻杆接头1流入芯管12，通过芯管12中部的第一导水孔30和支撑环6上的第一过流孔35进入芯管套5侧边的第一过流通道31，经过高低压过渡腔管10侧边的第二过流通道32和止水腔管16侧部的第三过流通道33后流出高压接头20，最后进入栓塞胶囊，第一水路通道导通，如图1和图2所示。
41.如图3和图4所示为芯管12、压水芯管14、压水芯管堵头18随着钻杆上升，芯管12上的第一导水孔30与支撑环6上的第一过流孔30错开，此时芯管套5侧边的第一过流通道31在长型v型组合密封圈7的作用下形成封闭，第一水路通道关闭。压水芯管14的内腔与芯管12的内腔连通，压水芯管14中部的第二导水孔34与高低压过渡腔管10的过水腔连通；高低压过渡腔管10下端安装止水套15，止水套15上下两端为花键状设置，与止水腔管16的内壁之间留有过水通道，止水套15的上端与高低压过渡腔管10的过水腔连通，压水芯管14下端出水口连接堵头18形成封闭，回位弹簧17上端与止水套15外侧下端相连通，下端与胶囊接头19连通，胶囊接头19下端连接栓塞胶囊芯管及压水试验花管。水流从钻杆接头1流入芯管12，通过芯管12下端进入压水芯管14的内腔，再通过压水芯管14的第二导水孔34进入高低压过渡腔管10的过水腔，向下流入止水套15和止水腔管16间的过水通道，再经过止水腔管16的内腔进入胶囊接头19，通过胶囊接头19下端出水口流入栓塞胶囊芯管进水接口，经过栓塞胶囊芯管至试验段花管出水口，第二水路通道导通。
42.钻进采用常规钻具或绳索钻具时，本发明所述压水试验装置上部需连接与其钻杆相对应的钻杆接头1；选择采用水压式单栓塞法或水压式双栓塞法时，试验装置下部则连接技术参数与试验段相匹配的相对应单栓塞或双栓塞胶囊(定型产品)。本发明的工作原理如下：
43.(a)压水充胀栓塞胶囊过程：开泵送水至所述压水试验装置充胀栓塞胶囊，此过程全钻杆柱的水流路径如图1和图2所示，具体为：钻杆内径孔
→
钻杆接头1内的过流通道
→
芯管12内部流道
→
芯管12上的第一导水孔30
→
支撑环6上的第一过流孔35
→
芯管套5侧部的第一过流通道31
→
高低压过渡腔管10侧部的第二过流通道32
→
止水腔管16侧部的第三过流通道33
→
高压接头20
→
栓塞胶囊内腔，开始压水充胀栓塞胶囊体动作(本发明中，胶囊接头19与栓塞胶囊体的连接为现有技术，栓塞胶囊体与胶囊接头19的连接未在附图中示出)。
44.(b)形成适时高压截止阀过程：压力表达到试验压力值并基本稳定后，此时栓塞胶囊已被压水充盈膨胀且与孔壁接触压紧，操作钻机立轴控制使钻杆柱缓慢上升h；芯管套5、高低压过渡腔管10、止水腔管16、胶囊接头19采用螺栓连接装配于一体，均随栓塞胶囊体与孔壁的接触压紧呈固定不动状态；而芯管12、压水芯管14、压水芯管堵头18通过螺纹丝扣连
接且套设于试验装置内，通过压缩回位弹簧17可随钻杆及钻探接头1同步上升h，压水芯管14上端外侧与高低压过渡腔管10内腔贴合，无继续上升余地。芯管12的第一导水孔30与支撑环6上的第一过流孔35错开，通过v型密封圈7起到芯管12外壁与芯管套5内壁之间的密封作用，使得支撑环6上的第一过流孔35以下至栓塞胶囊体内腔范围均呈高压水密封区，封闭第一水流路径，停止压水充胀栓塞胶囊动作，胶囊接头内腔的高压水也保持不会向外泄流。
45.(c)开启试段正式压水试验通道过程：芯管12、压水芯管14、压水芯管堵头18随着钻杆上升到位后，压水芯管14中部第二导水孔34离开止水套15，与高低压过渡腔管10内部间隙连通，第二导水孔34的密封同时随之解除，水流通道适时转换成开启试段压水试验水流通道，此过程全钻杆柱的水流路径如图4所示为：钻杆内径孔
→
钻杆接头1内的过流通道
→
芯管12的内部流道
→
压水芯管14的内部流道
→
压水芯管14上的第二导水孔34
→
高低压过渡腔管10的过水腔
→
止水套15外径和止水腔管16间过水通道
→
止水腔管16的中心腔室
→
胶囊接头19中心孔
→
栓塞胶囊芯管进水接口
→
通过栓塞胶囊芯管至试验段花管出水口。试验过程为现有技术，这里不再赘述。
46.(d)泄压过程：压水试验结束，水泵停止送水并打开分水盘阀门，操作钻机立轴下压全钻杆柱h距离，芯管12、压水芯管14、压水芯管堵头18随着钻杆同步下降h，直至芯管12中部的第一导水孔30与支撑环6上的第一过流孔35连接贯通，第一水流通道打开，此时适时截止阀作用消失，压水芯管14上的第二导水孔34回到止水套15中，密封恢复。此时该水路通道与压水充胀栓塞胶囊工序过程通道路径相同但却为相反流向，第二水路通道适时转换成第一水路通道并起到泄流通道功能，胶囊内腔小直径孔高压水在压差下向钻杆柱大内径孔水道流出，使得整个泄压过程充分、可靠。
47.最后应说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。