一种用于水压致裂法地应力测试中的钻孔碎屑收集装置的制作方法

1.本技术属于地质勘探技术领域，具体涉及一种结构简单、钻孔碎屑收集效率高、封隔器损耗小的用于水压致裂法地应力测试中的钻孔碎屑收集装置。


背景技术：

2.在矿山工程、交通隧道工程等大型地下工程勘察设计过程中，通常需要重点考虑地应力场对地下工程设计和施工的影响，并作为工程设计的重要依据，而通过钻孔掌握地应力特征就显得尤为重要。
3.当前，在深孔地应力测试中，水压致裂法由于理论成熟、操作简单、测量深度大、成本较低、能够适应各种孔径的测试工作，因此是较为常见的测试方法，其可以对暂未揭露的地下工程初步查明地应力随深度的变化特征，进一步判断地下工程岩爆及附近地质构造的稳定性。水压致裂法在测试时选取一段基岩裸露的钻孔经封隔器封隔后通过压裂段注入液体，加压直至封隔后的孔壁出现破裂，随后将压力变化数据收集分析，并用印模器记录或观测破裂方位，最后根据破裂过程的压力变化和方位等数据，计算出原地层主应力的大小和方向。但是，水压致裂法在测试过程中仍然需要面对不良地质条件的挑战。其中，测试钻孔通过相对破碎的地段时，由于孔壁掉落的小型碎屑不仅直接影响水压致裂法测试设备的升降作业，而且小型碎屑掉落至测试设备及孔壁之间后，会增大设备与孔壁之间的摩擦力，从而导致测试设备无法升降并损伤封隔器的橡胶套件，严重的情况将致使测试设备报废。
4.现有技术中，为了解决钻孔碎屑对测试设备的不良影响，一般考虑上部掉落的碎屑，而在封隔器上端设置对应的保护装置，虽然能减少测试设备上升过程中碎屑对封隔器的橡胶套件损伤，也能避免出现无法上升回收的难题；但由于未考虑到测试设备下降过程中破碎孔壁及地下水中的碎屑磨损，以及测试设备升降过程中孔内地下水对已收集碎屑的冲击作用，使得下降过程难以避免封隔器的橡胶套件受到磨损乃至破坏，而且也不能稳定的收集孔中的碎屑，从而影响后续对地应力变化规律的准确分析。为此，现有技术中也有在上、下封隔器的外端分别设置刚性的锥形器，并在钻杆外部设置保护套筒以收集上部的碎屑，从而在上提、下放过程中对橡胶套件形成保护以降低封隔器的损耗；但锥形器也仅起到保护作用，并不能解决测试设备升降过程中孔内地下水对已收集碎屑的冲击，而且还有可能加大对孔内地下水的扰动，从而使得孔内的钻削碎屑收集更加困难，严重影响后续对地应力的分析和判断。


技术实现要素：

5.根据现有技术的不足，本技术提供一种结构简单、钻孔碎屑收集效率高、封隔器损耗小的用于水压致裂法地应力测试中的钻孔碎屑收集装置。
6.本技术是这样实现的：包括钻杆，所述钻杆的底端依次可拆卸的串联有上收集器、上封隔器、压裂段、下封隔器、下收集器，所述上收集器及下收集器分别为中空管状结构且远离压裂段一侧的外壁上间隔设置有若干排水孔，所述上收集器的顶端与钻杆密封连接且
下端及上封隔器连通，所述上收集器与上封隔器之间设置有孔径小于排水孔的过滤网，所述下收集器的顶端与下封隔器密封连接，所述上收集器的下部外径与上封隔器外径相当，所述下收集器的上部外径与下封隔器外径相当。
7.本技术的有益效果：1、本技术在上、下封隔器的外侧分别设置外径相当且中空管状的上、下收集器，并在收集器的外壁上设置排水孔，以及将上收集器与上封隔器连通且之间设置过滤网，通过排水孔与过滤网的配合，即可高效的收集测试设备在提升、下降过程中的钻孔碎屑，又能减弱升降过程中孔内地下水对已收集碎屑的冲击作用，从而可实现钻孔内碎屑的稳定、高效收集，有利于提高后续地应力变化规律的准确分析。
8.2、本技术在上、下封隔器外侧设置外径相当的收集器，能够在升降过程预先对钻孔壁进行整形，从而可减少破碎孔壁以及地下水中的碎屑对橡胶套件的磨损乃至破坏，确保了橡胶套件的密封性，保证了地应力测试的准确性，还能避免测试设备出现无法上升回收的难题；而且收集器的排水孔之间以及与过滤网配合，不仅能够减少钻孔内地下水中的碎屑，还能防止收集后的碎屑再次溢出，从而可进一步减少碎屑对封隔器的摩擦破坏作用，达到有效降低封隔器损耗以提高地应力测试效率的目的。
9.3、本技术进一步将上、下收集器外壁上的排水孔设置为向收集侧倾斜的倾斜孔，有利于收集器在升降过程中更好的捕捉钻孔内地下水中的碎屑；而将上、下收集器外壁上的排水孔分别设置为向收集外侧孔径逐渐增大的结构，能够实现碎屑的分层收集，从而可有效避免排水孔堵塞而影响碎屑的收集。
10.4、本技术进一步在下收集器远离下封隔器的一端设置内凹的锥台槽，且在锥台槽的内壁上设置若干排水孔或底部开口，从而即可利用锥台槽过滤地下水中的大颗粒碎屑，能够避免大颗粒碎屑对封隔器的磨损，又能便于收集测试用的碎屑，有利于提高碎屑的收集效率。
11.综上所述，本技术具有结构简单、钻孔碎屑收集效率高、封隔器损耗小的特点。
附图说明
12.图1为本技术结构示意图之一；图2为本技术结构示意图之二；图3为图1之局部剖切放大视图；图4为图2之局部剖切放大视图；图中：1-钻杆，2-上收集器，3-上封隔器，4-压裂段，5-下封隔器，6-下收集器，7-排水孔，8-过滤网，9-锥台部ⅰ，10-锥台槽，11-锥台部ⅱ。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的说明，但不以任何方式对本技术加以限制，基于本技术教导所作的任何变更或改进，均属于本技术的保护范围。
14.如图1至4所示，本技术包括钻杆1，所述钻杆1的底端依次可拆卸的串联有上收集器2、上封隔器3、压裂段4、下封隔器5、下收集器6，所述上收集器2及下收集器6分别为中空管状结构且远离压裂段4一侧的外壁上间隔设置有若干排水孔7，所述上收集器2的顶端与
钻杆1密封连接且下端及上封隔器3连通，所述上收集器2与上封隔器3之间设置有孔径小于排水孔7的过滤网8，所述下收集器6的顶端与下封隔器5密封连接，所述上收集器2的下部外径与上封隔器3外径相当，所述下收集器6的上部外径与下封隔器5外径相当。
15.所述上收集器2的外壁下部占总长1/3～1/2的一段封闭不设置排水孔7，所述下收集器6的外壁上部占总长1/3～1/2的一段封闭不设置排水孔7。
16.所述上收集器2外壁上的排水孔7轴线垂直于外壁或向钻杆1一侧倾斜，所述下收集器6外壁上的排水孔7轴线垂直于外壁或向远离下封隔器5的一侧倾斜。
17.所述上收集器2外壁上的排水孔7孔径沿轴向向上封隔器3一侧逐渐减小，和/或下收集器6外壁上的排水孔7孔径沿轴向向下收集器6一侧逐渐减小。
18.所述排水孔7为外大内小的锥形孔。
19.所述上收集器2近钻杆1的上部设置有中空的锥台部ⅰ9，所述锥台部ⅰ9的顶端与钻杆1可拆卸的密封连接，所述锥台部ⅰ9的外壁上间隔设置有若干排水孔7。倾斜的锥台部ⅰ9上的排水孔7由于开口面向捕捉方向，因此能够更好捕捉碎屑以提高捕捉的效果，而且还能在对孔壁进行整形时起到导向作用。
20.所述下收集器6远离下封隔器5的一端封闭且设置有内凹的锥台槽10，所述锥台槽10的开口方向背离下封隔器5，所述锥台槽10的锥底密封且内壁上间隔设置有若干排水孔7，或者锥台槽10的锥底设置有开口。
21.所述锥台槽10与下收集器6同轴；所述下收集器6外壁上的排水孔7设置于靠近下封隔器5的中部，所述锥台槽10内壁上的排水孔7设置于近锥底的一侧。
22.所述锥台槽10内壁上的排水孔7孔径或锥底的开口孔径不小于下收集器6外壁上的排水孔7孔径。
23.所述下收集器6远离下封隔器5的下部设置有中空的锥台部ⅱ11，所述锥台部ⅱ11靠近下封隔器5的上部外壁上间隔设置有若干排水孔7。倾斜的锥台部ⅱ11作用与锥台部ⅰ9相同，因此可更好捕捉碎屑以提高捕捉的效果。
24.所述上收集器2及下收集器6为钢材或硬质塑料等耐磨的刚性中空管状结构。
25.所述钻杆1及上收集器2、上封隔器3、压裂段4、下封隔器5、下收集器6依次通过螺纹连接。
26.本技术的工作原理及工作过程：如图1至4所示，在测试设备提升过程中，上部钻孔壁上的碎屑在钻杆1的摩擦及扰动作用下掉落，上收集器2在钻杆1、碎屑与孔壁的摩擦作用中，碎屑随同地下水通过收集孔（即排水孔7）进入上收集器2中，并通过底端的过滤网8进入上封隔器3中排出多余的水体，使收集的碎屑留存在过滤网8上端的上收集器2中，且孔径较小的过滤网8也确保碎屑不会再次溢出上收集器2；而在测试设备下降过程中，当设备遇到地下水中的悬浮碎屑，碎屑能够伴随水流沿着下收集器6底部的锥台槽10及收集孔（即排水孔7）进入其中，并通过其余的排水孔7排出多余的水体，使进入下收集器6中的碎屑沉积在其中，也确保了碎屑不会再次溢出下收集器6。同时，在测试设备提升以及下降过程中，刚性的收集器还能对钻孔壁进行预先整形，从而也可减少破碎孔壁以及地下水中的碎屑对封隔器的磨损乃至破坏。此外，收集器上、下侧的锥台部可在升降时对孔壁形成渐进式的整形，从而可减少乃至消除破碎孔壁对测试设备升降形成卡阻。
27.以上所述仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。