不稳定深钻孔随钻式地应力测试装置及测试方法

本发明属于岩体力学试验的，具体涉及一种不稳定深钻孔随钻式地应力测试装置及测试方法。

背景技术：

1、目前，水压致裂法是测试钻孔内地应力特征的最常用方法，其方法简单高效。在深埋地下工程的地应力测试过程中，难免会遇到不稳定的钻孔，例如穿越破碎带或软岩区，破碎带钻孔围岩不稳定易掉块或局部垮孔，软岩区钻孔围岩易发生大变形引起孔径缩减，钻孔的这些不稳定性都会导致地应力测试装置无法穿过，不能获得所需测试资料。其次，不稳定钻孔在成孔前，为了增强孔壁自稳性通常在钻进过程中添加泥浆、植物胶等材料进行护壁，导致孔内水浑浊粘稠，普通地应力装置在下放时孔内污水经常会通过出水口回流至通道转换阀及封隔器内腔中，从而引起一些小孔径管路的堵塞，导致试验失败。最后，按照目前的钻探工艺，深钻孔通常采用略小于孔径的绳索取芯钻杆钻进，此种钻杆壁薄不耐高压，无法满足深孔地应力测试要求，需更换为小直径厚壁耐高压钻杆，但这种钻杆又不具备护壁的作用。鉴于上述情况，亟需开发一种可以在不稳定深钻孔内可靠高效测试地应力的装置系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种不稳定深钻孔随钻式地应力测试装置，该装置不但可以防止钻孔内污水回流至通道转换阀及封隔器内腔中，还能穿越不稳定深钻孔进行地应力测试。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种不稳定深钻孔随钻式地应力测试装置，包括：

4、加压注水装置，其用于在测试过程中进行注水加压，所述加压装置还与数据采集装置连接，所述数据采集装置用于采集测试过程的压力数据；

5、高压钻杆，其一端与加压注水装置连通，高压钻杆还与卷扬装置连接，卷扬装置用于提升或下放高压钻杆；

6、绳索取芯钻杆，其套设在高压钻杆外；

7、通道转换阀，其包括阀体、设置在阀体上的进水口、与进水口选择性连通的第一出水通路、第二出水通路，其中，高压钻杆的另一端与进水口连通，绳索取芯钻杆的一端与阀体固定连接，其另一端在试验时与地面固定；

8、测试装置，其包括依次连接的上封隔器、中心压裂段、下封隔器，其中，第一出水通路依次与上封隔器和下封隔器连通，第二出水通路与中心压裂段连通，当下放高压钻杆，高压钻杆依次与阀体的进水口、第一出水通路、上封隔器和下封隔器接通，当提升高压钻杆，高压钻杆依次与阀体的进水口、第二出水通路、中心压裂段接通；

9、地质钻头，其设置在下封隔器底端，用于清除障碍跨越不稳定地层。

10、进一步地，加压注水装置包括高压水泵、一端与高压水泵连接的高压水管以及设置在高压水管上的泄压阀，高压水管的另一端通过管路接头与高压钻杆连接。

11、进一步地，还包括设置在高压水管上的压力传感器，所述压力传感器与数据采集装置连接，压力传感器用于采集高压水管中的水流压力并传递给数据采集装置。

12、进一步地，通道转换阀还包括沿阀体轴向设置的第一进水孔以及与第一进水孔连接的第二进水孔、可移动地穿设在第一进水孔内壁上的推拉管、设置在上封隔器上且在推拉管移动的过程中封堵或打开推拉管靠近上封隔器的一端的封堵塞，推拉管远离上封隔器的一端伸入至高压钻杆中且与其连通，推拉管远离上封隔器的一端端口为进水口，推拉管靠近上封隔器的一端伸进第二进水孔中，在阀体的侧壁上还设置有第三进水孔，对应地，在推拉管的侧壁上设置有第一通孔，当推拉管向下移动到封堵塞堵住推拉管靠近上封隔器的一端时，第一进水孔、第一通孔以及第三进水孔连通形成第一出水通路；在封堵塞的侧壁上设置有与中心压裂段连通的第二通孔，当推拉管向上移动到推拉管靠近上封隔器的一端与封堵塞分离，第一进水孔、第二进水孔以及第二通孔连通形成第二出水通路。

13、进一步地，第一进水孔的内径小于与第二进水孔的内径，在推拉管靠近上封隔器的一端外壁上设置有止挡圈，止挡圈的外径与第二进水孔的内径相当，当推拉管在第一进水孔中上下移动时，推拉管上的止挡圈沿着第二进水孔的内壁上下移动。

14、进一步地，在上封隔器、中心压裂段、下封隔器上均设置有轴向通孔且三者的轴向通孔依次连通，封堵塞为u字形，封堵塞的开口端与上封隔器的中心通孔对应连接以使得第三通孔与上封隔器、中心压裂段的轴向通孔依次连通，在中心压裂段的轴向通孔孔壁上设置有为地应力试验段注水的第三通孔。

15、进一步地，封堵塞的外径与推拉管的内径相当以使得封堵塞恰好能堵塞推拉管。

16、进一步地，上封隔器和下封隔器上均具有内腔，在中心压裂段上设置有用于连通上封隔器和下封隔器内腔的连通孔。

17、进一步地，还包括钻机，在下放与高压钻杆连接的测试装置遇到障碍时，将钻机的旋转动力机头与绳索取芯钻杆连接，旋转动力机头工作带动绳索取芯钻杆旋转并通过测试装置带动地质钻头转动以穿越障碍。

18、本发明还提供一种根据上述的不稳定深钻孔随钻式地应力测试装置的测试方法，包括如下步骤：

19、步骤1、按次序装配绳索取芯钻杆与高压钻杆，通过卷扬装置将与钻杆连接的测试装置下放至钻孔中指定深度，在下放过程中，向下旋转带动地质钻头清除障碍，跨越不稳定地层；

20、步骤2、到达指定深度后在地表固定住绳索取芯钻杆，将高压钻杆与加压注水装置接通并将高压钻杆与卷扬装置连接，在重力作用下，高压钻杆相对于通道转换阀向下运动，高压钻杆通过第一出水通路依次与上下封隔器连通，此时第二出水通路处于封闭状态，孔内污水无法通过中心压裂段进入到通道转换阀内；

21、步骤3、打开注水加压装置并逐渐加压至预定压力，高压水流通过高压钻杆、通道转换阀的第一出水通路依次进入到上封隔器和下封隔器中，在水和压力的作用下，上下封隔器膨胀并紧贴钻孔孔壁，上下封隔器之间形成的密封空间即为试验段；

22、步骤4、通过卷扬装置相对于上封隔器提拉高压钻杆直至无法提升，此时高压钻杆与通道转化阀的进水口、第二出水通路接通，高压水流通过注水加压装置、高压钻杆、通道转化阀的进水口、第二出水通路以及中心压裂段进入到试验段中，注水加压装置持续加压注水直至试验段岩体产生水力压裂缝，并使用数据采集装置采集工作过程中的水压致裂应力参数；

23、步骤5、数据采集完成后，将加压注水装置停止工作并进行泄压，下放高压钻杆至其无法下降，接通通道转化阀的进水口与第一出水通路，此时上下封隔器中的压力水沿着通道转换阀的第一出水通路、钻杆中流出，上下封隔器收缩并与孔壁分离，恢复到初始状态，即完成了该段水压致裂地应力测试，重复以上过程即可实现下一选段的地应力测试。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的测试装置是基于钻探掘进方法与绳索取芯钻杆的护壁、厚壁高压钻杆的耐高压特性设计的，在碰到不稳定地层时(例如断层带、软岩地层等)，可以通过地质钻头穿越不稳定地质层，具有良好的通过性与防管路堵塞能力，该方法不仅适用于垂直孔，也适用于水平孔或斜孔，高压钻杆穿设在绳索取芯钻杆中，降低了深钻孔的高应力对钻杆的影响，也确保了高压钻杆在高地应力环境中的适用性；本发明很好地解决了不稳定深钻孔的地应力测试难题，进而可以产生明显的经济效益，并且该方法的操作方便，装置结构简单实用，制造成本低廉，便于大规模推广应用；此外，本发明还能确保下钻时钻孔内的污水无法从进入到通道转换阀内堵塞其内的管路，大大保证了试验的成功率。