转动控制换向器、原地应力测量装备以及使用该装备的原地应力测量方法

摘要

本申请提出一种转动控制换向器，通过该转动控制换向器可以方便快捷地实现多通道控制；本申请还提出一种利用该转动控制换向器的原地应力测量装备，以及利用该原地应力测量装备的原地应力测量方法。通过本申请，整套测量装备在一次下钻的情况下，可同时完成多个压裂段的“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务，提高工作效率。

说明书

技术领域

本申请涉及水压致裂法测量技术，尤其涉及一种转动控制换向器、原地应力测量装备以及使用该装备的原地应力测量方法。

背景技术

水压致裂法原地应力测量是70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法无需知道岩石的力学参数就可获得地层中现今地应力的多种参量，并具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值可靠等特点，因此近年来得到了广泛应用，并取得大量的成果。

现有技术的水压致裂法地应力测量的原理如图1所示。

利用一对可膨胀的封隔器(包括上封隔器20和下封隔器26)在钻孔8a中选定的测量深度封隔一段长度(压裂段)，然后通过至压裂段的水路泵入流体(通常为水)，流体从连接钢管21的出水孔23进入压裂段。随着流体压力的增大，压裂段处围岩破裂，从而得到岩石力学参数。在完成压裂工作后，需要将印模器放到钻孔压裂段的位置，然后对印模器的可膨胀腔体中注入高压水，并保持一段时间，使裂缝的痕迹转印至印模器橡胶层外壁。由于印模器下部固接有电子罗盘，因此可以对裂缝的方向进行判定。

整个测量过程可以概括为“岩石压裂-裂缝定向”两大工作内容。由于该方法测量的深度较大，一般用钻杆将测量用的封隔器或者印模器运送到钻孔深处，一深度可以达到数百米至一千多米。

此外，由于钻杆内腔只有一个水路，测量时至少需要两个水路，因此需要在钻杆底部和上封隔器之间安装一个换向阀，用来切换第一水路和第二水路，第一水路由钻杆至压裂段，第二水路由钻杆至封隔器可膨胀腔。

现有换向阀属于机械换向阀。机械换向阀有拉开、压缩和中间位置三个状态，拉开状态和压缩状态分别对应第一水路和第二水路。在水压致裂测试完成后，需要放出封隔器的膨胀腔中的高压水，使封隔器回缩至无压力状态，因此在拉开和压缩两个状态之中，还设有一个中间位置用来连通放水的第三水路。

在水压致裂测试中，换向阀的拉伸状态和压缩状态两个位置可以通过提升钻杆和降低钻杆找到，中间位置的确定则完全依靠钻机操作员和地应力测量人员的工作经验，具有一定的难度。有时钻孔孔壁较滑，膨胀的封隔器会随钻杆缓慢移动，导致换向阀开关拉伸或者压缩位置定位不准，地面人员难以确定换向阀工作状态。更严重的会导致中间位置难以确定，放水水路无法接通，测量设备卡在井底从而造成测量失败的意外事故。

另外，机械换向阀只有三个工作通道，在完成压裂测量后，必须将压裂用的封隔器等设备提升到地面，换成印模器后再次放到压裂段位置进行定向测量。在测量深度较大时，更换设备非常耗费人力和时间，严重影响测量效率。

发明内容

鉴于上述问题，本申请旨在提出一种转动控制换向器，能够方便地进行控制切换，且能够提供对多个通道的控制。本申请还旨在提出一种原地应力测量装备，其能够在一次下钻的情况下完成“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务。本申请还旨在提出一种原地应力测量方法，其能够方便快捷地完成“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务。

本申请的转动控制换向器，其包括：控制仓、阀门仓、连接杆；

控制仓中安装由主控板、陀螺仪；控制仓用于固定连接至钻杆的下端；

阀门仓中安装有多个阀门仓电磁阀、多路导电滑环；

连接杆的中部形成贯通的水通道；连接杆的上部形成过滤孔；过滤孔与水通道连通；连接杆内安装有控制线缆；控制线缆的上端用于连接至主控板；控制线缆的下端用于连接至多路导电滑环；

阀门仓上形成有将阀门仓的内外连通的多个通道；每个通道中安装有一个阀门仓电磁阀，以控制该通道的通断；多路导电滑环的每一路对应地连接于多个阀门仓电磁阀中的一个阀门仓电磁阀；

连接杆的下部能够转动地安装在阀门仓内；多路导电滑环安装在连接杆的下部；连接杆与阀门仓之间设置第一密封圈和第二密封圈；多路导电滑环位于第一密封圈和第二密封圈之间；连接杆的中部穿过控制仓；连接杆的上部用于插入钻杆内，由此，通过连接杆的过滤孔和水通道，形成钻杆内的水进入控制仓内的水路；

主控板通过陀螺仪获得钻杆的转动信号，根据转动信号控制多个阀门仓电磁阀，由此控制阀门仓的多个通道的通断控制。

优选地，阀门仓设置有安全通道，安全通道中设置有安全阀。

优选地，所述多个通道包括第一通道、第二通道、第三通道；第一通道中的阀门仓电磁阀为第一阀门仓电磁阀，第二通道中的阀门仓电磁阀为第二阀门仓电磁阀，第三通道中的阀门仓电磁阀为第三阀门仓电磁阀。

优选地，所述阀门仓的多个通道中的第一通道上分支出第四通道，第四通道至阀门仓外部，第四通道中安装有第四阀门仓电磁阀。

本申请的原地应力测量装备，其包括：转动控制换向器、上封隔器、下封隔器；

为根据上述转动控制换向器；

上封隔器的下端与下封隔器的上端通过连接钢管连接在一起；连接钢管上形成有出水孔；

上封隔器、下封隔器分别形成有可膨胀腔；上封隔器与下封隔器的可膨胀腔通过管路串行连接在一起；

上封隔器中形成通往压裂段的管路；上封隔器的通往压裂段的管路连接钢管连接；

转动控制换向器的第一通道通过管路与上封隔器的可膨胀腔连接；转动控制换向器的第二通道通过管路与上封隔器的通往压裂段的管路连接。

优选地，进一步包括印模器；

印模器连接在下封隔器的下端；印模器包括可膨胀腔；

上封隔器和下封隔器中分别形成有通往印模器的管路；上封隔器的通往印模器的管路、下封隔器的通往印模器的管路、印模器的可膨胀腔通过管路串行连接在一起；

转动控制换向器的第三通道通过管路与上封隔器的通往印模器的管路连接。

优选地，所述印模器包括多个印模器；该多个印模器顺次连接在一起，且该多个印模器的可膨胀腔通过管路并行连接在一起。

优选地，对应于每个印模器的可膨胀腔的入口处设置有印模器电磁阀；主控板通过印模器电磁阀选择进行印模的印模器。

优选地，在最下方的印模器的下端连接有定向器。

本申请的原地应力测量方法，其使用上述原地应力测量装备进行测量；其包括：定位步骤、封闭压力段步骤、压裂步骤、解除压裂段封闭步骤、印模步骤、解除印模步骤；

定位步骤包括：使用钻杆将整套原地应力测量装备输送到钻孔深部，使连接上封隔器和下封隔器的连接钢管处于待测岩石位置；将钻杆中灌满水；

封闭压力段步骤包括：按第一规律转动钻杆；控制仓内的主控板通过陀螺仪识别出第一转动规律，打开第一通道，由此水进入上封隔器和下封隔器的可膨胀腔；操作地面高压泵加压，使上封隔器和下封隔器的可膨胀腔膨胀，封闭压裂段；按第二规律转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出第二转动规律，关闭第一通道；

压裂步骤包括：按第三规律转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出第三转动规律，打开第二通道；操作地面高压泵加压，使高压水通过连接上封隔器和下封隔器的连接钢管的出水孔进入压裂段，压裂围岩；

解除压裂段封闭步骤包括：按第四规律转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出第四转动规律，打开第四通道，释放上封隔器和下封隔器的膨胀腔中的水；

印模步骤包括：通过移动钻杆移动整套测量装备，使主控板选择的印模器对准压裂段；按第五规律转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出第五转动规律，打开第三通道；操作地面高压泵加压，使该印模器的可膨胀腔注满高压水，保持一段时间，使岩石裂缝转印到第一印模器的橡胶层上；

解除印模步骤包括：按第六规律转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出第六转动规律，打开第四通道，释放经过印模步骤的印模器的可膨胀腔中的高压水。

申请中，整套测量装备在一次下钻的情况下，可同时完成多个压裂段的“岩石压裂”和“裂缝定向”测量任务，提高工作效率；通过陀螺仪对绕钻杆转动参数的识别，可以组合出多种控制方式，分别控制不同的电磁阀。解决了钻孔较深时，地面设备与井下控制电路的信号传输问题。密封圈和导电滑环的引入，使控制仓与阀门仓的电路和水路无阻碍连接，为通过转动控制电磁阀提供了便利。

附图说明

图1为现有技术的水压致裂法地应力测量的原理图；

图2为本申请的原地应力测量装备的结构示意图；

图3为本申请的转动控制换向器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请进行详细说明。

如图3所示为本申请的转动控制换向器的结构示意图。

本申请的转动控制换向器主要由控制仓7、连接杆4和阀门仓10组成。

控制仓7的腔体5内部包含陀螺仪7a、主控板7c(例如为包括单片机的控制电路)和电池7b等电子器件。陀螺仪7a用来对钻杆1绕钻杆轴线方向的转速和方向进行识别，主控板7c用来进行逻辑判断和发出执行指令，电池7b为电子元器件的工作提供电力支持。

控制仓7与上方的钻杆1固接在一起，固接方式可以是螺纹连接、焊接、法兰连接或者其它连接方式。连接杆4与控制仓7固接在一起。连接杆4的上端设置有过滤孔2，钻杆1中水3含有的砂石会沉降到钻杆底部，水通过连接杆的过滤孔进入到连接杆中央的过水通道6进入阀门仓10。阀门仓10内设有电磁阀11a、11b、11c、12和安全阀10c。电磁阀11a、11b、11c、12的作用是切换水路，安全阀10c的作用是防止舱内压力过高。阀门仓10相对于连接杆4可以自由转动。电磁阀11a、11b、11c、12的开关控制由主控板7c的控制线缆9负责。控制线缆9穿过连接杆4内部到达阀门仓10的电磁阀处，为了使控制线缆9不阻碍连接杆4与阀门仓10之间的相对自由转动，控制电缆9在穿出连接杆4后，进入多路导电滑环11。多路导电滑环11可以在电路连通的状态下无限制转动，从而实现主控板7c与电磁阀11a、11b、11c、12在各自的仓体有相对转动的情况下仍保持可靠的电气连接。上部密封圈10a的作用是防止钻孔内的水进入多路导电滑环11，下部密封圈10b的作用是防止阀门仓10的高压水进入多路导电滑环11。

电磁阀11a用于连通阀门仓10的水至封隔器的可膨胀腔，当电磁阀11a打开时，地面高压泵工作，高压水可通过钻杆1和连接杆4进入阀门仓10，经由管路15进入封隔器的可膨胀腔，使封隔器膨胀。电磁阀11b用于连通阀门仓10的水至压裂段，当电磁阀11b打开时，地面高压泵工作，高压水可通过钻杆1和连接杆4进入阀门仓10，从而进入封隔器封闭的压力段，使岩石破裂。电磁阀11c用于释放封隔器的可膨胀腔内的高压水，当电磁阀11c打开时，封隔器的可膨胀腔因失去高压水回缩至原始状态。电磁阀12可用于扩展，为其它设备提供高压水。扩展用的电磁阀可以设置多路，图中只画出了一处。在具体的地应力测量中，该扩展功能可以是为印模器提供压力水。陀螺仪7a用来识别控制仓7绕钻杆轴线方向的转速和方向。

如图2所示为本申请的原地应力测量装备的结构示意图。

整个测量装备由转动控制换向器(主要包括控制仓7、阀门仓10、连接杆4)、上封隔器20、下封隔器26、若干个印模器和定向器40组成。控制仓7与钻杆1底部固接，固接方式可以采用螺纹、法兰或其它固定方式。控制仓7通过连接杆4与阀门仓10连接。控制仓7与阀门仓10可相对自由转动。阀门仓10下部固接有上封隔器20。上封隔器20外部是可膨胀腔18，可膨胀腔18由橡胶外壳17形成。下封隔器26外部是可膨胀腔26a，可膨胀腔26a由橡胶外壳27形成。上封隔器20内部有通往压裂段的管路19和通往印模器的管路14。上封隔器20和下封隔器26通过连接钢管21固接。连接钢管21上设置有出水孔23，通往压裂段的管路16中的高压水通过出水孔23到达压裂段。上封隔器20的可膨胀腔18和下封隔器26的可膨胀腔通过软管22连接。上封隔器20和下封隔器26内部通往印模器的管路通过软管24相连。下封隔器26与第一印模器32通过钢管28固接。第一印模器32与第二印模器37通过钢管33固接。以此方法还可以串接第三印模器或者更多的印模器，每串接一个印模器可以完成一次裂缝定向任务。每个印模器都有一个可膨胀腔，可膨胀腔的外部为橡胶外壳，用来转印岩石裂缝的痕迹。印模器内部有管路用来连通各个印模器的通水管道。印模器的通水管道与印模器的可膨胀腔31、36之间有一个电磁阀30、35控制连通。电磁阀30、35并行连接，均连接于控制线缆13，由此受到主控板的控制。该控制线缆13从控制仓7穿出后，进入连接杆4内部，然后穿出连接杆4进入多路导电滑环11，多路导电滑环11的作用是使控制仓7和阀门仓10在可相对自由转动的情况下保持电信号的连续。控制电缆13可对阀门仓10的各个电磁阀控制。控制电缆13从阀门仓10穿出后，分别穿过上封隔器20和下封隔器26，控制线缆13穿过上封隔器20和下封隔器26后的部分为控制线缆25，控制线缆25分别通过控制线缆29、32进入印模器32、34，从而实现对印模器中电磁阀30、35的控制。在最下方一个印模器的下方通过连接铜管38固接有一个定向器40。定向器40为现有技术，主要包括地磁传感器39，用来对印模方向进行记录。

测量时，封隔器的可膨胀腔与岩孔的孔壁紧密贴合后，封隔器与阀门仓便不可转动，此时钻杆需要通过转动来控制电磁阀。

工作流程：

1.使用钻杆将整套原地应力测量设备输送到钻孔深部，使连接上下封隔器的钢管处于待测岩石位置；

2.将钻杆中灌满水；

3.按规律1转动钻杆(比如顺时针匀速转动转动，转速10圈/分钟，连续转动30秒)；

4.控制仓内的主控板通过陀螺仪识别出转动规律1，打开电磁阀11a，使水进入上封隔器和下封隔器的可膨胀腔；

5.地面高压泵加压，使上下封隔器膨胀，封闭压裂段；

6.按规律2转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出转动规律2，关闭电磁阀11a；

7.按规律3转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出转动规律3，打开电磁阀11b；

8.地面高压泵加压，使高压水通过连接上下封隔器钢管的出水孔进入压裂段，压裂围岩；

9.按规律4转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出转动规律4，打开电磁阀11a，11b，11c，释放上下封隔器膨胀腔和钻杆中的水；

10.移动整套测量设备，使第一印模器橡胶层对准压裂段；

11.按规律5转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出转动规律5，关闭电磁阀11a，11b，11c，打开电磁阀12和电磁阀30；

12.地面高压泵加压，使第一印模器的可膨胀腔注满高压水，保持一段时间，使岩石裂缝转印到第一印模器的橡胶层上；

13.按规律6转动钻杆，主控板通过陀螺仪识别出转动规律6，打开电磁阀11a和电磁阀11c，释放第一印模器可膨胀腔中的高压水；

14.至此，该压裂段的岩石压裂和裂缝定向测量任务结束，可以移动整套测量设备进入下一位置的测量工作。

除非另有定义，本申请中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本发明所涉及的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本申请中提到的材料、方法和实施例仅为说明性的，而非限制性的。

虽然已结合具体实施方式对本发明进行了描述，在本申请的发明主旨下，本领域的技术人员可以进行适当的替换、修改和变化，这种替换、修改和变化仍属于本申请的保护范围。