CN101892830B - 一种深部地应力随钻测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于地质能源、矿产及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种深部地应力随钻测试技术，可用于地质及岩土工程钻探中对地壳中地应力进行实时测试。本发明一种深部地应力随钻测试系统，该系统包括感应测试单元，数据采集单元和数据分析单元；该系统与钻头一起潜入孔底，可在钻进过程中对任意测深位置进行三维地应力大小、方向以及孔内温度与钻孔轨迹的测量，可克服传统水压致裂法及深孔套孔地应力测量技术方法的不足，在生产或勘探钻孔中即可随钻进行测量，无须专门为地应力测量施钻，可为工程初期地应力场分析提供大量数据。该系统不受孔内大地磁场、温度及钻具振动影响，易于安装，操作简单，测试精度高。

Description

一种深部地应力随钻测试系统

技术领域

本发明属于地质能源、矿产及岩土工程勘察技术领域，尤其涉及一种深部地应力随钻测试技术，可用于地质及岩土工程钻探中对地壳中地应力进行实时测试。 

背景技术

地应力是引起各种地下及露天开挖工程变形、破坏以及诱发地质灾害的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现采矿和岩土工程开挖设计和科学决策的前提条件。随着资源开采及岩土工程等的深化，人类工程活动扰动的深度和规模越来越大，地应力将随深度增加，对工程建设和运营的影响将更为凸显。由于恢复变形破坏的不可逆性，在工程建设前应对地应力进行充分测量，确定工程围岩应力的大小、方向及地应力场分布，为地下空间断面形状与尺寸、主轴方向、开挖步骤、支护形式、支护结构及支护时间的设计提供依据。 

水压致裂法及深钻孔套芯应力解除法地应力测量是目前国际上能较好地直接进行深部地应力测量的先进方法。前者的测深超过了1200m，后者也超过了500m。然而，测量过程需要经过完整的测试段选择、下放安装孔内封隔器、封座、加压、压裂、关泵、卸压、提取封隔器，再进行印模等严格而复杂的程序。在孔深增大时，因封隔器内外泥浆压力增大，封隔器收放困难，影响提升和下放。而且，受孔径及封隔器材料的限制，封隔器橡胶、薄壁金属压力阀及中心管承受的压力(最大60MPa)十分有限。加之，在高地应力、软岩或断裂破碎带等地层中，容易引起钻孔变形、塌孔，难以保证完整的测试段，使得可用的测段数大大减少。可见，在超大孔深时，水压致裂法及深钻孔套芯应力解除法仍存在许多难以克服的困难，很难满足工程要求。 

声波、超声波等地球物理方法由于地质条件的复杂性，受干扰因素多，测量结果存在不确定性和多解性，难以确定所测物理量和地应力之间的定量关系，因而存在许多局限。 

如果在钻孔过程中，直接实现地应力测量，则可避免现行水压致裂法及其他深孔地应力测试技术存在的技术瓶颈。一方面，可减少钻孔变形对测试的影响，增加钻孔壁的完整度，从而增加可测段数。无论是水压致裂法还是深钻孔套芯应力解除法，均须先完成钻孔才能进行测试。在1000m以上深孔中，完成一个钻孔的时间非常长，在取样钻进时，耗时更甚。在这一过程中，水压致裂钻孔发生变形，甚至局部崩塌，使得可测段数很少。在钻孔过程中进行实时测量，则节省了大量等待时间，可增加钻孔测段数。同时，也克服了钻孔变形造成的测量误差。另一方面，所测变形为天然条件下的原始变形，没有变形(含套孔)释放和损失，测试结果更准确。此外，因钻具始终保持在孔内，即使出现变形，钻具在回转机构作用下， 也可轻松实现钻具的提升、下放，造成仪器损失的几率将大大降低。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种深部地应力随钻实时测试系统，该系统的装配器随钻头一起潜入孔底，在钻进过程中实现对任意孔深位置的“点”地应力测量，满足工程建设初期地应力测试的需要。 

本发明的技术方案是：一种深部地应力随钻测试系统，安装于钻头后方的孔底装配器中，该系统包括感应测量单元、数据采集存储单元和数据分析单元。 

所述感应测量单元包括应变测量单元、方位测量单元和温度测量单元； 

所述应变测量单元包括应力感应器，所述由表面应变测试单元和低阻体嵌入式压电应变测试单元组成；所述表面应变测试单元，用于测试孔内大变形(高地应力)；所述低阻体嵌入式压电应变测试单元，用于测试孔内小变形(低地应力)；所测应变转变为电阻后，再以电压形式输出； 

所述方位测量单元包括光纤数字式陀螺罗盘，所述光纤数字式陀螺罗盘用于测量孔底装配器内参照点的方位以及孔底装配器所处的倾角，输出信号为方位角和倾角； 

所述温度测量单元包括温度传感器，所述温度传感器用于采集钻孔孔底的温度，输出信号为温度； 

所述数据采集存储单元由放大器、数字应变仪及数据通信电缆组成。所述数字式应变仪包含微处理器和Flash存储器；测试数据通过所述微处理器进行数据集成并保存到所述Flash存储器中，测试数据由所述Flash存储器上传到所述数据分析单元； 

所述数据分析单元，由计算机，打印机和外部显示单元组成，所述计算机通过程序对所述数据进行分析、存储和输出，并进行钻孔坐标系和大地坐标系的转化，计算主应力、方位角及倾角，绘制两水平主应力及方向随深度的变化图； 

所述数字应变仪、所述放大器及所述光纤式数字陀螺罗盘的工作电压均为12V直流电源，所述直流电源采用可充式锂电池供电。 

所述装配器采用减振-隔振-吸振技术，用以减少钻进过程中机械振动对所述测试系统的影响； 

所述装配器采用绝缘和地磁屏蔽技术，用以防止孔内大地强磁场及钻具材料对数字罗盘的影响； 

所述方位测量单元的光纤式数字陀螺罗盘将进行温度标定，根据孔内实际温度对所测数据进行修正。 

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，该系统将地应力测试系统与钻孔机或钻探机的钻头(取样套管)结合一起，在钻进过程中可实现三维地应力、钻孔倾斜和孔内温度的实时随钻测量。该系统无须先钻孔或套孔，克服了现行深孔地应力测量方法存在的缺点，不受孔深大小、钻孔方式、时间以及孔内条件的限制，易于安装，操作简单，效率高，数据可靠。 

附图说明

图1是本发明一种深部地应力随钻测试系统的系统构造图； 

图2是本发明在实例中装配器的结构图。 

图3是本发明在实例中高应变传感器测试单元构造图。 

图4是本发明在实例中高应变传感器的布置图。 

图5是本发明在实例中低应变传感器测试单元构造图。 

图6是本发明在实例中低应变传感器的布置图。 

图7是本发明在实例中数据采集单元的构造图。 

图中： 

1.钻头                     11.数据采集单元 

2.深钻动力驱动系统         12.隔振器 

3.隔振器                   13.应变传感器载体 

4.隔振器                   14.应变花 

5.高应变传感器             15.石英晶体压电传感器 

6.低应变传感器             16.应变传感器载体 

7.隔振器                   17.放大器 

8.定心器                   18.数字应变仪 

9.数字陀螺罗盘             19.微处理器 

10.温度传感器              20.Flash存储器 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

如图1所示为本发明一种深部地应力随钻测试系统的系统构造图，该系统包括感应测试单元、数据采集单元及数据分析单元； 

感应测试单元包括应力传感器S1，用以测试钻孔内的地应力。由于地壳中的地应力水平与历史上的地质构造运动及地质条件等密切相关，不同的地理位置、不同测深地应力水平不同。因此，应力传感器将针对不同的应力水平进行测量。在本发明中，应力传感器设计为高地应力及低地应力两组同步的应力测试单元，每组分别测量测深处钻孔壁圆周上三个均等位置的应力应变。通常情况下，高应力测试单元需要9个应变传感器，低应力测试单位需要6个传感器。温度传感器用以测试装配器内的温度，由于钻进过程和等待钻孔变形的时间相对较长，该温度值也是测深处的孔内温度。温度信号由信号电缆传输到应变仪。方位或方向传感器通过数字陀螺罗盘以实现测深处装配器所处的方位以及钻孔的倾角。各个传感器获得的感测数据上传到数据采集单元。数据采集单元，包括放大器和应变仪，放大器用以将应变信号放大；它通过接口电缆与数字式应变仪相连；温度和方位及倾角信号直接传输到应变仪。 

数据分析单元，包括计算机及其它终端，用于将数据进行转存、显示、分析、打印及网络传输。 

如图2所示，本发明在实例中装配器的结构图，钻头1和深钻动力驱动系统2联结，所述测试系统安装于孔底装配器BHA中，BHA包括高应力传感器5、低应力传感器6、数字光纤陀螺罗盘9、温度传感器10及数据采集单元11组成。BHA通过联接轴、隔振器3和隔振器4，使高应力传感器5与动力驱动系统2联结，低应力传感器6通过一段短钻杆与高应力传感器5联结，数字陀螺罗盘9、温度传感器10及数据采集单元11采用集成方式，并通过定心器8进行定位，通过隔振器7和隔振器12进行减吸振，固定于BHA内，其端部与后续钻杆相联。 

如图3所示，本发明在实例中高应变测量单元的构造图。它是一个与孔径大小相同的三叶形环柱体，叶体是应变传感器的载体，并可根据需要安装孔径变形测量单元。 

如图4所示，本发明在实例中高应变传感器的布置图。采用表面应变测量，分三个应变测量单元，每一应变测量单元按等圆周角布置在应变传感器载体13的内孔壁上，所述应变测量单元由三个表面应变传感器组成，分别沿孔壁轴向、环向及45°方向布置成应变花14。应变传感器载体13采用特种合金钢材料，载体13的外径为钻头最大外径与孔壁间隙增量之和。 

如图5所示，本发明在实例中低应变传感器测试单元构造图。它是一个与孔径大小相同的三叶形环柱体，在叶体中设计有径向孔，用以安装应变传感器16。同时，也可根据需要安装钻孔孔径变形测量单元。 

如图6所示，本发明在实例中低应力测量单元的布置图。低应力测量单元由两个应变测 量单元组成，包括采用低阻抗铝合金材料为载波的嵌入式石英晶体压电传感器15以及表面应变传感器。压电传感器15沿径向布置于应变传感器载体16中，表面应变传感器沿环向布置在应变传感器载体16的内孔壁上相应的位置上。应变传感器载体16采用特种铝合金材料，载体16的外径为钻头最大外径与孔壁间隙增量之和。 

所述应变传感器载体13和16为三叶型环柱体，有利于岩粉排放，并具有钻孔导向和减少钻孔倾斜的作用。 

图3及图4所述应力测试单元通过钻孔变形感测到应变，应变使电阻发生改变，电阻转变为电压输出，通过标定获得电压与应变之间的关系，确定应变的大小，再通过应力应变关系反演地应力。应力测试单元输出的电压信号通过信号电缆及接口，传输到放大器17将信号放大，再通过信号电缆传输到应变仪18。 

如图7所示，本发明在实例中数据采集单元的构造图，应变传感器5和应变传感器6与放大器17连接，放大器17、温度传感器10、数字陀螺罗盘9与数字应变计18连接，在微处理器19的控制下，将各传感器的信号通过信号电缆及接口传输到数字应变计18，并保存在F1ash存储器20上。 

本发明所述数据分析单元安装在地面工作台上，将Flash存储器20上的数据转存到计算机或工作站上，通过专用程序进行分析、打印和网络传输。 

Claims (4)

1.一种深部地应力随钻测试系统，安装于钻头后方的孔底装配器中，其特征在于，该系统包括感应测量单元、数据采集存储单元和数据分析单元；

所述感应测量单元包括应变测量单元、方位测量单元和温度测量单元；

所述应变测量单元包括应力感应器，由表面应变测试单元和低阻体嵌入式压电应变测试单元组成；所述表面应变测试单元，用于测试孔内大变形；所述低阻体嵌入式压电应变测试单元，用于测试孔内小变形；所测应变转变使电阻发生改变，电阻转变为电压输出电压信号；

所述方位测量单元包括光纤数字式陀螺罗盘，所述光纤数字式陀螺罗盘用于测量孔底装配器内参照点的方位以及孔底装配器所处的倾角，输出信号为方位及倾角信号；

所述温度测量单元包括温度传感器，所述温度传感器用于采集钻孔孔底的温度，输出信号为温度信号；

所述数据采集单元，由放大器、数字应变仪、微处理器和数据存储器构成；其中，所述电压信号经放大器传输到通过所述数字应变仪，所述方位及倾角信号和温度信号直接传输到数字应变仪，所采集的数据经微处理器控制，存储在数据存储器中；

所述数据分析单元，由计算机及其它终端构成，所述计算机通过专用程序对所述数据分析、存储和输出，计算分析测点三向地应力的大小、方向以及钻孔的倾角。

2.根据权利要求1所述的深部地应力测试系统，其特征在于，所述测试系统采用隔磁绝缘与光纤技术，不受孔内大地磁场及钻具材料的影响，保证地应力方向、方位及钻孔倾角测量的准确。

3.根据权利要求1所述的深部地应力测试系统，其特征在于，所述方位测量单元包括光纤数字式陀螺罗盘将进行温度标定，用于根据孔内实际温度对所测数据进行修正。

4.根据权利要求1所述的深部地应力测试系统，其特征在于，所述装配器设置有第一隔振器(7)和第二隔振器(12)，用于减吸振。

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