基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的观测仪器及方法

技术领域

本发明涉及一种基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的观测仪器及方法。

背景技术

渗透性是岩石(土)重要的水理性质，渗透性对地层中地下水、石油、煤层气的运移和储存有重要的意义。以地下水为例，渗透性越好，同等条件地下水运动速度越快，地下水的富水性越好。当矿井开采、地下工程扰动地下岩体时，岩体的渗透性也会发生变化(主要是渗透性增大)，当渗透性增大时，往往会导致地下水灾害。岩体渗透的方向性在地下水科学、油气开采等领域有重要的意义。如在矿井水害防治方面，煤层顶板岩层中若发育垂直方向裂隙，则对煤层开采影响较大，而岩层中若发育水平裂隙，则对煤层开采影响较小。

目前岩体渗透性的观测方法较多，包括室内测试和现场试验的方法，室内测试方法由于破坏了岩体的原有状况、尺度效益等原因，其测试结果与原位数据有较大差异。因此，在实际生产中，多以现场抽水试验和注水试验的方法来确定岩体的渗透性。抽水试验和注水试验均在钻孔中进行，对于有水钻孔，一般采用抽水试验，对于无水钻孔，一般采用注水试验。但无论是抽水试验还是注水试验，都难以确定不同方向的渗透性。如目前常用的双端封堵注水器，虽然能很好地进行注水试验，但不能观测不同方向的渗透性，而不同方向的渗透性又对防治地下水灾害等问题有重要的意义。因此，对岩体进行不同方向渗透性的测试非常必要。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的观测仪器及方法。

为了实现上述目的，本发明采用的基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的观测仪器，包括传输总管、1#封堵胶囊、2#封堵胶囊和3#封堵胶囊；

所述1#封堵胶囊、2#封堵胶囊和3#封堵胶囊依次安装在所述传输总管上，传输总管由注气管、注水管和回水管组成，1#封堵胶囊、2#封堵胶囊和3#封堵胶囊分别与注气管连通，1#封堵胶囊和2#封堵胶囊间的注水管上开有出水孔，2#封堵胶囊和3#封堵胶囊间的回水管上开有回水孔。

作为改进，所述1#封堵胶囊、2#封堵胶囊和3#封堵胶囊的直径为75mm、长40cm，封堵胶囊之间的距离为70cm。

作为改进，所述1#封堵胶囊、2#封堵胶囊和3#封堵胶囊的直径为105mm、长70cm，封堵胶囊之间的距离为70cm。

作为改进，所述注气管与注气设备连接，注水管与注水设备连接，回水管与回水设备连接。

另外，本发明还提供了基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的方法，包括以下步骤：

1)施工钻孔：在待探测区域施工一个钻孔，该钻孔除孔口管外钻孔全段不使用套管，钻进过程中记录钻孔的孔径变化情况；

2)前期准备：在钻孔孔口安装注气设备、注水设备和回水设备；

3)现场观测，按以下步骤进行：

①将观测仪器放入钻孔中预定位置，记录好位置数据；

②打开注气设备使各封堵胶囊充气，记录充气压力数据；

③打开注水设备，对钻孔内进行注水，注水过程中观测注水流量和水压力；

④同时打开回水设备，观测回水量；

⑤当注水量、注水压力和回水量达到稳定30分钟以上后，停止本回次注水；

⑥将注水管与回水管互换，重复以上③～⑤过程；

⑦将观测仪器移到下一段，继续进行观测工作；

4)根据以上资料，首先得到试验段的透水率：

试验段透水率采用下式计算：

式中，q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q为试验段孔壁渗漏流量，L/min；P为试验段压力，MPa；

同时，可以计算：

式中，K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m

根据公式(2)计算出的岩体渗透系数K，包括水平方向的渗透系数K

式中，K

与现有技术相比，本发明的观测仪器，可利用回水量与注水量之比来计算不同方向的裂隙比例。传统的钻孔注水只能观测裂隙的发育情况而不能区别裂隙的方向性，本发明通过在传统注水系统的基础上，增加了一个封堵胶囊和一个回水管，总体上是增加了回水系统，实现了功能的极大增强，结构简单，操作简明方便，计算方法简单，成本低，可靠性强。

附图说明

图1为本发明观测仪器的结构示意图；

图2为本发明在地面钻孔中进行观测的示意图；

图3为本发明在井下钻孔中进行观测的示意图；

图4为本发明观测仪器中水流方向的一种示意图；

图中：1、观测仪器，11、传输总管，12、1#封堵胶囊，13、出水孔，14、2#封堵胶囊，15、回水孔，16、3#封堵胶囊，2、钻孔，3、注水设备，31、注水阀，32、注水流量计，33、注水管路，4、回水设备，41、水泵，42、回水流量计，43、回水管路，5、支架，6、注气设备，61、高压气泵，62、截止阀，63、气压表，64、卸压阀，65、耐压气管，7、地面输送设备，71、发电机，72、卷扬机，73、承重钢索，8、井下输送设备，81、钻机，82、钻杆。

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明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1所示，一种基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的观测仪器，包括传输总管11、1#封堵胶囊12、2#封堵胶囊14和3#封堵胶囊16；

所述1#封堵胶囊12、2#封堵胶囊14和3#封堵胶囊16依次安装在所述传输总管11上，传输总管11由注气管、注水管和回水管组成，1#封堵胶囊12、2#封堵胶囊14和3#封堵胶囊16分别与注气管连通，1#封堵胶囊12和2#封堵胶囊14间的注水管上开有出水孔13，2#封堵胶囊14和3#封堵胶囊16间的回水管上开有回水孔15。

封堵胶囊可以根据钻孔的孔径制作不同型号，小号封堵胶囊自然状态下直径75mm、长40cm，相邻封堵胶囊之间距离为70cm，适用于钻孔直径为98mm的孔段；大号封堵胶囊自然状态下直径为105mm、长70cm，相邻封堵胶囊之间距离约70cm左右，适用于钻孔直径为133mm的孔段。

所述注水管、回水管、注气管三者组合成一个传输总管11，传输总管11的直径为60mm。注水管外连注水设备3，在1#封堵胶囊12和2#封堵胶囊14间留有出水孔13；回水管在2#封堵胶囊14和3#封堵胶囊16间留有回水孔15，回水管外连回水设备4；注气管与三个封堵胶囊分别留有接口，注气管外接注气设备6。传输总管11除有注气、注水、回水功能外，兼具有提升、连接作用。

在地面钻孔中进行观测时，如图2、图4所示，将本发明观测仪器1通过支架5安装在钻孔1上，将传输总管11中的注气管与注气设备6连接，所述注气设备6包括高压气泵61、截止阀62、气压表63、卸压阀64、耐压气管65，在耐压气管65上接有高压气泵61、截止阀62、气压表63、卸压阀64，耐压气管65与注气管连接，注气设备6的高压气体通过注气管注入的情况下，封堵胶囊膨胀之后可以完全封堵钻孔2，以保证注水管注水时向岩层渗流而不是沿钻孔流走，使注水时有分段注水的效果，且保证注水不会直接进入回水孔15，保证回流顺利进行；所述注水管与注水设备3连接，所述注水设备3包括注水阀31、注水流量计32、注水管路33，注水阀31外接水源，内接注水流量计32、注水管路33，注水管路33连接注水管，注水设备3的功能在于向钻孔2中的注水段注水，并观测注水量和注水压力；所述回水管与回水设备4连接，回水设备4包括水泵41、回水流量计42、回水管路43，其功能在于保证通过垂直裂隙渗流水能够回流且能够观测其流量。通过注水设备3、回水设备4和注气设备6配合达到观测不同方向裂隙的效果。

在井下钻孔中进行观测时，如图3所示，采用与地面钻孔时类似的观测方式。

另外，如图2、图3所示，在观测的过程中，本发明还需要配套输送设备。当在地面钻孔中观测时，需要有地面输送设备7，包括发电机71、卷扬机72、承重钢索73等将观测仪器1送入预定位置；当在井下钻孔中观测时，主要依靠井下输送设备8，包括钻机81和钻杆82，将观测仪器1送入预定位置。

另外，如图4所示，当向钻孔2内注水时，注水的水一部分顺着水平方向流走，一部分沿垂直方向流走，而沿垂直方向的水流最后会形成回水。正是基于此原因，可以分别计算垂直方向的渗透系数和水平方向的渗透系数。

最后，本发明还提供了一种基于钻孔中注水观测岩体多方向渗透性的方法，以地面钻孔中观测为例，包括以下步骤：

1)施工钻孔：在待探测区域施工一个钻孔2，该钻孔除孔口管外钻孔全段不使用套管，钻进过程中记录钻孔的孔径变化情况；

2)前期准备：在钻孔孔口安装注气设备6、注水设备3和回水设备4，接通高压气体、高压水，安装支架及流量计、压力表及相应管路，如图2所示；

3)现场观测，按以下步骤进行：

①将观测仪器1放入钻孔2中预定位置，记录好位置数据；

②打开注气设备6中的高压气泵61使各封堵胶囊充气，达到防止水流从孔壁流走的目的，记录充气压力数据；

③打开注水设备3中的注水阀31，对孔内进行注水，注水过程中观测注水流量和水压力；

④同时打开回水设备4中的水泵41，观测回水量；

⑤当注水量、注水压力和回水量达到稳定30分钟以上后，停止本回次注水；

⑥将注水管与回水管互换，重复以上③～⑤过程；

⑦将观测仪器1移到下一段，继续进行观测工作；

4)根据以上资料，首先得到试验段的透水率：

试验段透水率采用下式计算：

式中，q为试验段的透水率，Lu；L为试验段长度，m；Q为试验段孔壁渗漏流量，L/min；P为试验段压力，MPa；

同时，可以计算：

式中，K为岩体渗透系数，m/d；Q为压入流量，m

根据公式(2)计算出的岩体渗透系数K，包括水平方向的渗透系数K

式中，K

采用以上计算公式，可以分别计算出不同试验段的水平方向渗透系数和垂直方向渗透系数。通过对连续多个试验段的观测，就可以得到整个地层的水平方向渗透系数和垂直方向渗透系数。

本发明能观测注水量和邻近层段回水量，以实现观测岩层不同方向渗透性的目的，使用该观测仪器对钻孔孔壁进行观测，根据观测到的进水量和回水量大小，计算总体渗透性和垂直于钻孔方向渗透性的大小。本发明方法可以观测不同方向的渗透性，解决传统的注水仪器和方法的缺陷，用以指导水资源评价、矿井水害防治、地下油气运移等生产活动。

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、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。