本发明属于岩体应力测量设备技术领域，更具体地说，是涉及一种水压致裂法应力测量装置。
背景技术
地应力是存在于地壳岩体中的初始应力，也是固体地球的重要物理属性参数之一。地应力是引起岩体变形、失稳和破坏的根源力量，也是影响石油、页岩气、干热岩等深部能源开采的重要参数。因而开展地应力的测量工作在地震机理研究、能源开采、矿山隧道设计、大型水坝坝基建设等方面具有重要的科学和实用意义。
水压致裂法是国际岩石力学学会颁布的测定岩体应力的主要测量方法，其原理是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔岩体，然后泵入液体对该段钻孔施压，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。
现有的水压致裂法应力测量装置一般采用双回路供压，一路由地面高压泵通过高压胶管对封隔器进行加压，另一路由地面高压泵由钻杆经压裂管对压裂段进行加压，从而实现水压致裂法应力测量全过程。该方法可以同时监测实验过程中封隔器和压裂段压力的变化，但在井下设备下井过程操作繁琐，对小孔径钻孔而言，由于高压胶管和钻杆的外形尺寸之和已经超过了钻孔直径，该方法并不适用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种水压致裂法应力测量装置，以解决现有技术中存在的双回路应力测量装置下井过程操作繁琐及不适用小径钻孔应力测量的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种水压致裂法应力测量装置，包括间隔设置的上封隔器、下封隔器，以及连接所述上封隔器与所述下封隔器的压裂管，其特征在于：还包括连接于所述上封隔器的顶部用于向所述上封隔器或所述压裂管供水的水流通阀；
所述水流通阀包括阀体及位于所述阀体内可相对于所述阀体移动的中心杆；所述阀体上沿轴向设有阶梯型内腔；所述阀体上还设有与所述上封隔器内腔连通的通道；所述阶梯型内腔包括第一腔室及位于所述第一腔室下方的第二腔室；所述第一腔室的内径小于所述第二腔室的内径；所述第一腔室与所述通道连通；
所述中心杆外径与所述第一腔室内径相等；所述中心杆上沿轴向设有盲孔，所述中心杆的上部伸出所述阀体，所述中心杆的顶端与钻杆连接，所述盲孔与钻杆内腔连通；所述中心杆的下部位于所述第二腔室，所述中心杆的侧壁上设有与所述通道或所述第二腔室连通的第一出水孔；
所述上封隔器设有沿轴向贯通的上连接管；所述上连接管的顶端位于所述第二腔室；所述下封隔器设有沿轴向贯通的下连接管；所述压裂管的顶端、底端分别与所述上连接管、所述下连接管连接；所述压裂管上设有第二出水孔；所述上封隔器与所述下封隔器之间连接有软管；所述软管分别与所述上封隔器的内腔、所述下封隔器的内腔连通。
进一步地，压裂管包括第一压裂管及套装于所述第一压裂管内的第二压裂管，所述第一压裂管与所述第二压裂管的固定位置可调。
进一步地，所述第一压裂管的外壁上固定有压力传感器。
进一步地，所述第一压裂管上套设有出水接头；所述第二出水孔位于所述第一压裂管上；所述第二出水孔与所述出水接头连通
进一步地，所述压裂管的两端分别经第一连接器、第二连接器与所述上连接管、所述下连接管连接。
进一步地，所述压裂管两端分别与所述第一连接器、第二连接器螺纹连接；所述上连接管下端与所述第一连接器螺纹连接；所述下连接管上端与所述第二连接器螺纹连接。
进一步地，所述上封隔器的两端分别设有固定套板；所述下封隔器的两端也分别设有固定套板。
进一步地，所述第一出水孔沿所述中心杆的径向设置；所述通道包括沿所述阀体径向设置的第一通道及沿所述阀体轴向设置的第二通道；所述第二通道与所述第二腔室间隔设置，第一通道与第一腔室连通。
进一步地，所述中心杆的伸出所述阀体的部位上设有沿径向向外凸出的第一凸台；所述第一凸台的外径大于所述第一腔室的内径；所述中心杆的底端设有沿径向向外凸出的第二凸台；所述第二凸台的外径大于所述第二腔室的内径。
本发明提供的水压致裂法应力测量装置的有益效果在于：与现有技术相比，本发明水压致裂法应力测量装置，利用钻杆及水流通阀分别向封隔器及压裂管加压，不需要在钻孔内设置高压胶管，减少了下井操作步骤，实现了单回路供压。本发明提供的水压致裂法应力测量装置适用于各种孔径的钻孔。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的水压致裂法应力测量装置的结构示意图一；
图2为本发明实施例提供的水压致裂法应力测量装置的结构示意图二；
图3为图1的局部放大图；
图4为图2的局部放大图。
图中：10、上封隔器；11、上连接管；12、第一连接器；20、下封隔器；21、下连接管；22、第二连接器；30、压裂管；31、第一压裂管；32、第二压裂管；33、第二出水孔；34、压力传感器；35、外壳；36、出水接头；40、水流通阀；41、阀体；411、第二腔室；412、通道；42、中心杆；421、第一出水孔；422、盲孔；423、第一凸台；424、第二凸台；50、软管；60、固定套板；70、钻杆；80、钻孔。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的水压致裂法应力测量装置进行说明。所述水压致裂法应力测量装置，包括间隔设置的上封隔器10、下封隔器20、连接上封隔器10与下封隔器20的压裂管30，以及连接于上封隔器10的顶部用于向上封隔器10或压裂管30供水的水流通阀40。
水流通阀40包括阀体41及位于阀体41内可相对于阀体41移动的中心杆42。
阀体41上沿轴向设有阶梯型内腔，阶梯型内腔包括第一腔室及位于第一腔室下方的第二腔室411，第一腔室的内径小于第二腔室411的内径，第一腔室中心线及第二腔室411中心线分别与阀体41的中心线重合。阀体41上还设有与上封隔器10内腔连通的通道412。第一腔室与通道412连通。
中心杆42外径与第一腔室内径相等；中心杆42上沿轴向设有盲孔422，中心杆42的上部伸出阀体41，中心杆42的顶端与钻杆70连接，盲孔422与钻杆70内腔连通；中心杆42的下部穿过第一腔室且位于第二腔室411，中心杆42的侧壁上设有与通道412或第二腔室411连通的第一出水孔421。
上封隔器10设有沿轴向贯通的上连接管11，上连接管11的顶端位于第二腔室411；下封隔器20设有沿轴向贯通的下连接管21。上封隔器10与下封隔器20之间连接有软管50，软管50分别与上封隔器10的内腔、下封隔器20的内腔连通。
压裂管30的顶端、底端分别与上连接管11、下连接管21连接。压裂管30上设有第二出水孔33。
本发明提供的水压致裂法应力测量装置的测量应力的过程如下：
将中心杆42与钻杆70连接，使用钻杆70将该应力测量装置放置到钻孔80的目标测试深度。向上提拉钻杆70，使第一出水孔421位于第一腔室且与通道412连通。地面高压水泵向钻杆70内腔通入水，水依次流过盲孔422、第一出水孔421、通道412进入上封隔器10的内腔，并经过软管50进入下封隔器20的内腔。随着水不断注入上封隔器10内腔及下封隔器20内腔，上封隔器10及下封隔器20在水压作用下膨胀，直至贴紧钻孔80的孔壁，上封隔器10和下封隔器20之间的钻孔段被封隔。
然后，下压钻杆70以使第一出水孔421位于第二腔室411，地面高压水泵向钻杆70内腔通入水，水依次流过盲孔422、第一出水孔421、第二腔室411、第一连接管11及压裂管30，最终从第二出水孔33导出进入被封隔的钻孔段，实现对封隔钻孔段的岩体的加压压裂。在此过程中，通过地表的压力传感器测量注水压力的变化过程得到压裂裂缝的破裂压力、重张压力和关闭压力，进而得到测量深度段水平最大和最小的主应力量值。
完成测量后，上提钻杆70，使第一出水孔421与通道412连桶，打开地面管汇，连通大气，上封隔器10及下封隔器20内的压力随着高压水的流出而卸掉，封隔器收缩为原始状态。至此，一个测点的应力测量结束。该应力测量装置可以移动到下一目标位置继续测量。
本发明提供的水压致裂法应力测量装置，与现有技术相比，利用钻杆70及水流通阀40分别向封隔器及压裂管30加压，不需要在钻孔80内设置高压胶管，减少了下井操作步骤，实现了单回路供压。
进一步地，请参阅图3与图4，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，第一出水孔421沿中心杆42的径向设置；通道412包括沿阀体41径向设置的第一通道及沿阀体41轴向设置的第二通道；第二通道与第二腔室411间隔设置，第一通道与第一腔室连通。
进一步地，请参阅图2与图4，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，中心杆42的底端设有沿径向向外凸出的第二凸台424，第二凸台424的外径大于第二腔室411的内径。第一出水孔421的内径与第一通道的内径相等。第一出水孔421的底端至第二凸台424顶面的轴向距离与第一通道的底端至第二腔室411顶面的轴向距离相等。中心杆42可被钻杆70带动向上移动，当第二凸台424与第二腔室411的顶面接触时，中心杆42不在向上移动，且第一出水孔421此时位于第一腔室，且与通道412连通，由于第二凸台424与第二腔室411顶面接触，第二腔室411被封堵，水只能从第一出水孔421流入通道412，最终流入上封隔器10中。第二凸台424用于避免中心杆42被拉出第二腔室411，且在第二凸台424与第二腔室411的顶面接触时，用于使第一出水孔421与通道412连通。
进一步地，请参阅图1与图3，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，中心杆42的伸出阀体41的部位上设有沿径向向外凸出的第一凸台423。第一凸台423的外径大于第一腔室的内径。第一凸台423底面至盲孔422顶面的轴向距离大于第一腔室的轴向高度。中心杆42可被钻杆70带动向下移动，当第一凸台423与阀体41的顶面接触时，中心杆42不在向下移动，且第一出水孔421此时位于第二腔室411，由于第一腔室内径与中心杆42的外径相等，中心杆42外壁将通道412封堵，水只能从第一出水孔421流入第二腔室411，最终流入压裂管30中。第一凸台423用于避免中心杆42被压入第一腔室，且在第一凸台423与阀体41的顶面接触时，用于保证第一出水孔421位于第二腔室411。
进一步地，请参阅图1或图2，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，压裂管30包括第一压裂管31及套装于第一压裂管31内的第二压裂管32，第一压裂管31与第二压裂管32的固定位置可调。第一压裂管31与第二压裂管32为活动连接，可采用螺纹连接或是卡接。压裂管30的整体长度为第一压裂管31顶端至第二压裂管32底端之间的长度，该长度可根据第一压裂管31与第二压裂管32的固定位置而调整。不同的岩体测量应力时要求测量的封隔钻孔段的长度不同，该压裂管30的长度可调，使得该应力测量装置可满足不同岩体的应力测量需求。
进一步地，请参阅图1或图2，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，第一压裂管31的外壁上套装有外壳35，外壳35内部固定有压力传感器34。压力传感器34可直接采集封隔钻孔段的水压，提高了测量精度，压力传感器34采集的水压值储存到数据处理器，在压裂测试结束后，将数据处理器提至地面，通过读取数据处理器，即可得压力记录曲线。
进一步地，请参阅图1或图2，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，第一压裂管31上套设有出水接头36，第二出水孔33位于第一压裂管31上，第二出水孔33与出水接头36连通。出水接头36的出水孔沿第一压裂管31的径向设置。第二压裂管32完全套进第一压裂管31后，第二压裂管32的顶面位于第二出水孔33及出水接头36的下方，以保证压裂管30能够向封隔钻孔段正常注水。
进一步地，请参阅图1或图2，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，压裂管30的两端分别经第一连接器12、第二连接器22与上连接管11、下连接管21连接。具体地，第一压裂管31的上端及上连接管11的下端分别与第一连接器12螺纹连接，第二压裂管32的下端及下连接管21的上端分别与第二连接器22螺纹连接。使用连接器及螺纹连接方式将上连接管11、压裂管30及下连接管21连接，便于三者装配。
进一步地，请参阅图1或图2，作为本发明提供的水压致裂法应力测量装置的一种具体实施方式，上封隔器10的两端分别设有固定套板60，下封隔器20的两端也分别设有固定套板60。固定套板60用于将上连接管11固定在上封隔器10上，及将下连接管21固定在下封隔器20上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。