利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置

摘要

本发明提供一种利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括伸缩锁止机构、前钻杆以及后钻杆，所述伸缩锁止机构包括外管、内管、第一环形移动块、环形转盘、多个固定条以及第二环形移动块；向前钻杆内注水，利用内管内的水压推动第二环形移动块，从而控制环形转盘的转动，使得固定条的斜面齿在与环形转盘的第一斜面缺口或第二斜面缺口相啮合之间切换，进而控制第三通水孔与第一通水孔、第二通水孔的连通，实现利用孔内动力实现栓塞的加压和解封。本发明提出的技术方案的有益效果是：可实现超长水平钻孔内的压水试验，并能够保证长距离勘察过程的安全和顺利进行，满足工程勘察要求，可以促进水平定向钻进工程勘察技术的发展。

说明书

技术领域

本发明涉及水平定向钻进技术领域，尤其涉及一种利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置。

背景技术

目前，随着长距离大埋深隧道工程的增加，传统的垂直钻孔勘察方法遇到很大挑战。如果仍然使用传统的垂直钻孔勘察方法会面临很多问题，如所获得的地层信息不能满足工程设计需要，有效钻进长度过低，钻孔过深，钻孔数目过多，造价过高，受地形限制大等问题。

水平定向钻技术采用具有导向控向的设备在不开挖地表的情况下铺设供水、电力、电讯、天然气、煤气、石油等管线，该工法已经比较成熟，且具有精度高，造价低等优点。利用水平定向钻机沿隧道延伸方向钻进勘察，具有地形适应性好，地质参数获取容易、信息多，有效钻进长度长等优点，可以解决传统方法存在的问题，将是一种很好的替代技术，具有广阔的应用前景。

压水试验是工程地质勘察工作中一项重要的组成部分，目的是获取岩层的水文地质资料。但是，目前的压水试验装置不能完全适应超长水平定向钻孔中的环境。

目前水压式的栓塞封堵方法主要有以下两种，一是单独设置一根供水管路，给栓塞充水，使栓塞膨胀，二是利用钻机上下移动钻杆，通过钻杆的上下移动来控制栓塞水口的开关，以实现栓塞的封闭和压水过程的分别进行。在超长水平定向钻孔中，钻杆推进的时候，为了克服孔壁摩擦力，要进行钻杆的旋转。注水管布置在钻杆外，很容易发生缠绕，进而断裂，粗糙的孔壁也有可能对注水管造成损坏。水平定向钻孔长度可达几公里，这时钻杆柔性大，与孔壁摩擦力大，发生的弹性形变也较大，很可能做不到装置内钻杆精确前进后退，无法成功控制水口开关，造成试验失败。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明的实施例提供了一种利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置。

本发明的实施例提供一种利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括伸缩锁止机构、前钻杆以及后钻杆，所述伸缩锁止机构包括：

外管，沿前后向延伸，所述外管前端与所述前钻杆相连，所述外管外侧壁设有槽口向外的环形凹槽，所述环形凹槽位于所述外管外围，所述环形凹槽顶部设有环形栓塞以形成内腔，所述环形凹槽底壁贯穿设有第一通水孔；

内管，前端与所述外管后端密封连接，位于所述外管内，后端与所述后钻杆连接，所述后钻杆上设有高压封闭阀门，所述内管前端内侧壁向前凸伸形成环形凸伸部，所述环形凸伸部与所述外管之间形成环形限位空间，所述环形凸伸部与所述第一通水孔相对的位置贯穿设有第二通水孔，所述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置后端呈封闭设置；

第一环形移动块，位于所述环形限位空间内，且位于所述环形凸伸部外围，所述第一环形移动块后端与所述内管前端通过弹簧连接，所述第一环形移动块侧壁贯穿设有第三通水孔，所述弹簧为初始状态时，所述第三通水孔与所述第一通水孔、所述第二通水孔连通；

环形转盘，位于所述环形凸伸部外围且位于所述环形限位空间内，所述环形转盘位于所述第一环形移动块前侧，所述环形转盘前端设有朝前的多个交替设置且依次相连的第一斜面缺口和多个第二斜面缺口，所述第一斜面缺口和所述第二斜面缺口具有同一倾斜方向的第一斜面，所述第一斜面缺口的深度比所述第二斜面缺口的深度大；

多个固定条，沿前后向延伸，沿所述外管周向间隔设置且固定于所述外管内侧壁，所述固定条后端设有与所述第一斜面缺口和所述第二斜面缺口相啮合的斜面齿；以及，

第二环形移动块，沿前后向移动安装于所述环形限位空间内，且位于所述环形凸伸部外围，位于所述环形转盘前侧，所述第二环形移动块外侧壁设有多个与所述固定条相配合的条形凹槽，所述第二环形移动块与所述外管和所述内管侧壁之间密封设置，所述第二环形移动块后端设有朝后凸伸的凸起，所述凸起与其中一所述第一斜面部分相抵，与相邻所述第一斜面间隔设置；

其中，所述斜面齿与所述环形转盘的第一斜面缺口相啮合时，所述第三通水孔与所述第一通水孔、第二通水孔相对，以使所述内管内部和所述内腔连通；所述斜面齿与所述环形转盘的第二斜面缺口相啮合时，所述第三通水孔与所述第一通水孔、第二通水孔相错，以使所述内腔密封；

基于所述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1将装置后端推送进入水平钻孔内指定位置，向前钻杆前端注水，将水注入至内管、外管与栓塞之间的内腔内；

S2增大内管内水压至预设水压，推动第二环形移动块向后移动，带动环形转盘和第一环形移动块向后移动，使得弹簧压缩，环形转盘移动至与固定条解锁位置时，环形转盘沿着斜面齿方向转动；

S3降低内管内的水压，弹簧推动环形转盘沿着斜面齿方向继续转动，从而可使得第一环形移动块的第二斜面缺口与固定条的斜面齿相啮合，使所述第三通水孔与所述第一通水孔、第二通水孔相错，以使所述内腔密封；

S4降低内管内的水压直至压水试验所需压力，按照规范进行压水试验；

S5按步骤S2操作；

S6降低内管内的水压，弹簧推动环形转盘沿着斜面齿方向继续转动，从而可使得第一环形移动块的第一斜面缺口与固定条的斜面齿相啮合，使所述第三通水孔与所述第一通水孔、第二通水孔连通，使外管与栓塞之间的内腔内的高压水流出；

S7继续推进，进行下一段试验，或回拖钻杆，取出设备，结束试验。

进一步地，所述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置后端连接有泄压阀。

进一步地，所述外管前端与所述前钻杆通过转接头连接。

进一步地，所述外管与所述固定条呈一体成型设置。

进一步地，所述第一斜面缺口和所述第二斜面缺口的第一斜面倾斜度相同，所述凸起后侧面呈斜面设置，形成与所述第一斜面相适配的第二斜面。

进一步地，所述第二环形移动块后端设有多个所述凸起，多个所述第二斜面与所述第一斜面缺口的斜面或所述第二斜面缺口的斜面一一对应。

进一步地，所述伸缩锁止机构设有两个，两个所述伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块向后移动的水压不同，两个所述伸缩锁止机构在前后向通过所述后钻杆连接。

进一步地，所述伸缩锁止机构设有两个，两个所述伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块向后移动的水压不同，两个所述伸缩锁止机构在前后向通过所述后钻杆连接；

水平钻孔的倾斜段水位不满时，地势相对比较高的所述伸缩锁止机构对应的推动第一环形移动块向后移动的水压为P1，地势相对比较低的所述伸缩锁止机构对应的推动第一环形移动块向后移动的水压为P2；

试验方法包括以下步骤：

实施步骤S1至S3，其中，预设水压为P2，使两个伸缩锁止机构的内腔密封；

实施步骤S5和S6，其中，预设水压为P1，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔内的高压水流出；

降低内管内水压，使高压封闭阀门打开，使得水注入至钻孔内，使得钻孔内的液面高于地势相对比较高的环形栓塞的高度；

实施步骤S1至S3，其中，预设水压为P1，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔密封；

实施步骤S4至S6，其中，预设水压为P2，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔内的高压水流出。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过设置有伸缩锁止机构，可以根据情况调整试段长度，向前钻杆内注水，利用内管内的水压推动第二环形移动块，从而控制环形转盘的转动，使得固定条的斜面齿在与环形转盘的第一斜面缺口或第二斜面缺口相啮合之间切换，进而控制第三通水孔与第一通水孔、第二通水孔的连通，实现利用孔内动力实现栓塞的加压和解封，不需要另设一套高压供水管路和水泵，也不需要精确移动钻杆，可解决利用水管给栓塞内腔供水发生缠绕而断裂等问题。此装置可用于普通的垂直钻孔，也可以实现超长水平定向钻孔内水文地质参数的获取，并满足快速、可靠的要求，保证长距离勘察过程的安全和顺利进行，满足工程勘察要求，可以促进水平定向钻进工程勘察技术的发展。

附图说明

图1是本发明提供的利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置一实施例的剖面结构示意图；

图2是图1中利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置一实施例的结构示意图；

图3是图2中利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置A-A’的剖面示意图；

图4是图2中伸缩锁止机构(固定条与第一斜面缺口相啮合)的局部结构示意图；

图5是图2中伸缩锁止机构(固定条与第一斜面缺口解锁)的局部结构示意图；

图6是图2中伸缩锁止机构(固定条与第二斜面缺口相啮合)的局部结构示意图；

图7是图2中伸缩锁止机构(固定条与第二斜面缺口解锁)的局部结构示意图；

图8是本发明提供的利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置(连接有多个伸缩锁止机构)一实施例的结构示意图。

图中：前钻杆1、后钻杆2、外管3、环形凹槽31、第一通水孔32、弹簧33、内管4、环形凸伸部41、环形限位空间42、第二通水孔43、第一环形移动块5、第三通水孔51、环形转盘6、第一斜面6a、第一斜面缺口61、第二斜面缺口62、固定条7、斜面齿71、第二环形移动块8、条形凹槽81、凸起82、第二斜面82a、转接头9、环形栓塞10、内腔11、高压封闭阀门12、泄压阀13、连接钻杆14。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1至图8，本发明的实施例提供一种利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置，包括伸缩锁止机构、前钻杆1以及后钻杆2，所述伸缩锁止机构包括外管3、内管4、第一环形移动块5、环形转盘6、多个固定条7以及第二环形移动块8。

外管3沿前后向延伸，所述外管3前端与所述前钻杆1相连，所述外管3前端与所述前钻杆1通过转接头9连接。所述外管3外侧壁设有槽口向外的环形凹槽31，所述环形凹槽31位于所述外管3外围，所述环形凹槽31顶部设有环形栓塞10以形成内腔11，所述环形凹槽31底壁贯穿设有第一通水孔32。

内管4前端与所述外管3后端密封连接，本实施例中，为螺纹连接，内管4前端位于所述外管3内，后端与所述后钻杆2连接，所述后钻杆2上设有高压封闭阀门12。所述内管4前端内侧壁向前凸伸形成环形凸伸部41，所述环形凸伸部41与所述外管3之间形成环形限位空间42，所述环形凸伸部41与所述第一通水孔32相对的位置贯穿设有第二通水孔43，所述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置后端呈封闭设置。

第一环形移动块5位于所述环形限位空间42内，且位于所述环形凸伸部41外围，所述第一环形移动块5后端与所述内管4前端通过弹簧33连接，所述第一环形移动块5侧壁贯穿设有第三通水孔51，所述弹簧33为初始状态时，所述第三通水孔51与所述第一通水孔32、所述第二通水孔43连通(请参见图1)。

环形转盘6位于所述环形凸伸部41外围且位于所述环形限位空间42内，所述环形转盘6位于所述第一环形移动块5前侧，所述环形转盘6前端设有朝前的多个交替设置且依次相连的第一斜面缺口61和多个第二斜面缺口62(请参见图4至图7)，所述第一斜面缺口61和所述第二斜面缺口62具有同一倾斜方向的第一斜面6a，所述第一斜面缺口61的深度比所述第二斜面缺口62的深度大。

多个固定条7沿前后向延伸，沿所述外管3周向间隔设置且固定于所述外管3内侧壁，所述固定条7后端设有与所述第一斜面缺口61和所述第二斜面缺口62相啮合的斜面齿71(请参见图4和图6)，本实施例中，所述外管3与所述固定条7呈一体成型设置，便于生产，其他实施例中，外管3和固定条7也可以分体设置。

第二环形移动块8沿前后向移动安装于所述环形限位空间42内，且位于所述环形凸伸部41外围，位于所述环形转盘6前侧，所述第二环形移动块8外侧壁设有多个与所述固定条7相配合的条形凹槽81(请参见图3)，所述第二环形移动块8与所述外管3和所述内管4侧壁之间密封设置，所述第二环形移动块8后端设有朝后凸伸的凸起82，所述凸起82与其中一所述第一斜面6a部分相抵，与相邻所述第一斜面6a间隔设置。所述第一斜面缺口61和所述第二斜面缺口62的第一斜面6a倾斜度相同，所述凸起82后侧面呈斜面设置，形成与所述第一斜面6a相适配的第二斜面82a，可增强环形转盘6转动的稳定性。

所述第二环形移动块8后端设有多个所述凸起82，多个所述第二斜面82a与所述第一斜面缺口61的斜面或所述第二斜面缺口62的斜面一一对应，可增强第一环形移动块5拖动环形转盘6移动的稳定性。

其中，所述斜面齿71与所述环形转盘6的第一斜面缺口61相啮合时，所述第三通水孔51与所述第一通水孔32、第二通水孔43相对，以使所述内管4内部和所述内腔11连通；所述斜面齿71与所述环形转盘6的第二斜面缺口62相啮合时，所述第三通水孔51与所述第一通水孔32、第二通水孔43相错，以使所述内腔11密封。

基于上述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1全面钻进或者测井等步骤完成之后，回拖拆卸所有钻杆，为了减少岩粉堵塞，全面钻进采用金刚石钻进或者硬质合金钻进，钻井液采用清水。

为了对栓塞设置位置、孔内水位和钻孔倾斜方向进行分析判断，可以通过孔内电视和水下声纳等测试仪器对钻孔情况进行预先勘察，确定不同孔段孔内水位和钻孔空间位置，指导栓塞安装位置和试段长度，合理规划工程进度。

进行准备流程，根据现场情况和需求选择试验类型，合理配置装置。

具体地，试段的栓塞止水长度和位置可以根据具体情况确定，以求得不良地层孔段的真实透水性。所求的渗透系数为封堵孔段的平均值，因此应保证封堵段岩性一致。

洗孔采用压水洗孔法，为了确保把孔内的岩粉有效地排出孔外，冲洗时要把钻具下到孔底，流量大于钻进供水量；当在破碎地层进行钻孔冲洗时，可视情况减少或增加冲洗时间。

根据装置深入钻孔的长度，考虑管路压力损失，预先在孔外测定每米钻杆和每副接头在不同流量下的压力损失，并绘制出图表供现场使用。

将装置后端推送进入水平钻孔内指定位置，利用水泵向前钻杆1前端注水，所使用的水泵可以为钻进过程中使用的泥浆泵，若泥浆泵不能满足需要，也可以在全面钻进完成后更换精度更高的压水试验专用水泵和配套的流量、压力测量装置。将水注入至内管4、外管3与栓塞之间的内腔11内，栓塞缓慢膨胀。

S2增大内管4内水压至预设水压，推动第二环形移动块8向后移动，带动环形转盘6和第一环形移动块5向后移动，使得弹簧33压缩，环形转盘6移动至与固定条7解锁位置时(请参见图5)，由于凸起82与其中一所述第一斜面6a部分相抵，与相邻所述第一斜面6a间隔设置，环形转盘6可沿着斜面齿71方向转动，预设水压为整个过程中所需的最大水压，可以理解的，预设水压大于环形栓塞10的膨胀压力。

S3降低内管4内的水压，由于弹簧33的弹性复位作用，弹簧33推动环形转盘6沿着斜面齿71方向继续转动，从而可使得第一环形移动块5的第二斜面缺口62与固定条7的斜面齿71相啮合(请参见图6)，使所述第三通水孔51与所述第一通水孔32、第二通水孔43相错，以使所述内腔11密封，无法继续向内腔11内注水。

S4降低前钻杆内1的水压，使高压封闭阀门12打开，使得水注入至钻孔内，降低内管4内的水压直至压水试验所需压力，按照规范进行压水试验。压水试验设备推入前，应进行洗孔，尽可能的将孔内岩屑排出钻孔。高压封闭阀门12在高压时封闭，低压时打开。具体地，高压封闭阀门12的封闭压力小于伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块8向后移动的水压，大于压水试验压水步骤的工作压力，以保证环形栓塞10封闭时钻杆内部有足够的压力，也可以使压水试验的压水步骤进行时水路通畅。

S5按步骤S2操作(请参见图7)。

S6降低内管4内的水压，由于弹簧33的弹性复位作用，弹簧33推动环形转盘6沿着斜面齿71方向继续转动，从而可使得第一环形移动块5的第一斜面缺口61与固定条7的斜面齿71相啮合(请参见图4)，使所述第三通水孔51与所述第一通水孔32、第二通水孔43连通，使外管3与栓塞之间的内腔11内的高压水流出。

S7继续推进，进行下一段试验，或回拖钻杆，取出设备，结束试验。

本发明提供的技术方案，通过设置有伸缩锁止机构，可以根据情况调整试段长度，向前钻杆1内注水，利用内管4内的水压推动第二环形移动块8，从而控制环形转盘6的转动，使得固定条7的斜面齿71在与环形转盘6的第一斜面缺口61或第二斜面缺口62相啮合之间切换，进而控制第三通水孔51与第一通水孔32、第二通水孔43的连通，实现利用孔内动力实现栓塞的加压和解封，不需要另设一套高压供水管路和水泵，也不需要精确移动钻杆，可解决利用水管给栓塞内腔11供水发生缠绕而断裂等问题。此装置可用于普通的垂直钻孔，也可以实现超长水平定向钻孔内水文地质参数的获取，并满足快速、可靠的要求，保证长距离勘察过程的安全和顺利进行，满足工程勘察要求，可以促进水平定向钻进工程勘察技术的发展。

通过设置有封闭压力小于预设压力、大于压水试验压水步骤的工作压力的高压封闭阀门12，保证了栓塞封闭时钻杆内部有足够的压力，同时可以使压水试验的压水步骤进行时水路通畅，保障了压水试验的顺利进行，解决了现有装备无法在超长水平定向钻孔内进行栓塞膨胀和泄压的问题。

本实施例中，所述利用水压锁止的水平定向钻进工程地质勘察压水试验装置后端连接有泄压阀，具体的，后钻杆2通过连接有泄压阀13实现装置后端的封闭，以保证设备的安全，避免装置内的水压过大对装置和水泵造成损坏。泄压阀13的开启压力大于伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块8向后移动的水压，以免对封堵流程造成影响。

所述伸缩锁止机构设有两个，两个所述伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块8向后移动的水压不同，两个所述伸缩锁止机构在前后向通过所述后钻杆2连接。仅使用一个伸缩锁止机构，可以实现单栓塞的压水试验，将两个伸缩锁止机构通过带高压封闭阀门12的连接钻杆14串联，可以实现一段钻孔的封堵，进行双栓塞的压水试验。

两个所述伸缩锁止机构对应的推动所述第二环形移动块8向后移动的水压(预设压力)不同，可实现两个栓塞之间的空气的排除，解决了水平钻孔内压水试验无法排气的问题。两个伸缩锁止机构的预设压力不同，可通过设置不同大小的栓塞，也可以通过将两个伸缩锁止机构放置于不同水位中实现。

一般地，孔内电视勘察证明，水平钻孔大部分孔段是全部充满水的，但是有部分孔段是不完全充满水的，水平钻孔的倾斜段水位不满时，地势相对比较高的所述伸缩锁止机构对应的推动第一环形移动块5向后移动的水压为P1，地势相对比较低的所述伸缩锁止机构对应的推动第一环形移动块5向后移动的水压为P2，其中，P2大于P1。

基于上述装置，试验方法包括以下步骤：

实施步骤S1至S3，其中，预设水压为P2，使两个伸缩锁止机构的内腔11密封；

实施步骤S5和S6，其中，预设水压为P1，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔11内的高压水流出；

降低内管4内水压，使高压封闭阀门12打开，使得水注入至钻孔内，使得钻孔内的液面高于地势相对比较高的环形栓塞10的高度，以实现两个栓塞之间的空气的排除。

实施步骤S1至S3，其中，预设水压为P1，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔11密封；

实施步骤S4至S6，其中，预设水压为P2，使地势相对比较高的所述伸缩锁止机构的内腔11内的高压水流出。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。