CN104279975A - 一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法。根据孔径变形的地应力测试原理，提出了多触针孔径变形感知结构的设计方案，实现了孔径变形的可视化和数字化；利用光学显微成像技术，解决了微小孔径变形的可视观察和数字量测的技术难题，实现了孔径变形的光学显微测量；通过对孔径变形原理的理论分析，推导出基于光学显微测量孔径变形的地应力解算公式，并针对相关技术的参数和布局设计进行优化分析，建立相应的软件算法。本发明解决了深孔和超深孔中地应力测试的主要技术难题，使地应力测试技术得到了突破性和实质性的进展，具有显著的科学意义和经济实用价值。

Description

一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法

技术领域

本发明涉及一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，更具体涉及一种利用光学显微测量技术实现的多触针孔径变形测量方法以及利用孔径变形原理实现的地应力解算方法；突破了以往地应力测试(以应变片/位移传感器为主)无法在深孔和超深孔中实现的技术难题，推动了地应力测试技术的进一步发展，更适用于页岩气的开发和利用。

背景技术

地应力是存在于岩体中的天然应力，它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响。地应力广泛存在，但难以获取和揭示，对深部工程的规划、设计和决策的科学性起着重要的作用。随着人类向深部地壳的不断探索，地应力的重要性日益显现。目前，针对地应力测量原理、技术和方法的研究正不断地深入，相应的测量仪器和设备也不断地涌现，为实现地应力测试技术的突破创造了条件。

人类对地应力的认识最早出现于20世纪初，而地应力的实测工作则开始于20世纪30年代。随着实测工作的开展，各种测量原理和测试方法不断涌现。按测量原理划分，可分为应力恢复法、应变恢复法、应力解除法、应变解除法、重力法、水压致裂法、声发射法、X射线法八类。而按测试方法划分，则可分为电磁法、构造法、地震法、变形法、地震法、发射性法五类。综合归纳，可依据测量原理的不同，将测试方法分为直接测试法和间接测试法两大类。目前，工程上广泛使用的仍局限为二种，分别是水压致裂法(直接测试法)和应力解除法(间接测试法)。

其中，水压致裂法是深部地应力测量的一种有效方法，源于石油开采中的一种技术。该方法对环境要求比较宽松，测量应力的空间范围很大，能测量较深处的地应力状态，受局部因素影响较小，又不需要套芯等复杂的工序，对钻孔设备的要求很低，成功率很高。但是，该方法随着深度的增加其所需要的水压开裂值也需要加大，这样增加了对器材的要求，而且测量精度受静水压的影响也较大。另外，虽然该方法能直接确定位于钻孔平面内的最大和最小主应力的量值，但是在确定主应力方向时仍很困难，即使使用印模技术，也难以准确获取,且成功率也较低。

而应力解除法则是技术比较成熟的地应力测量方法，它具有可靠性好、精度高的优点，目前应用十分广泛。该方法多采用压磁和应变式传感器，通过测量应力解除前后钻孔孔径的变化来计算地应力的大小和方向。通常，该方法在浅孔测量时效果较好，但是随着测试深度的增加，温度和地下水的条件都会发生变化，常用的传感器就很难满足要求了，使得这一方法的测试深度往往局限在几百米的范围内，很难实现千米测试深度的突破。另外，该方法的测试过程较为复杂，包括了测量孔钻进、传感器布设和解除孔钻进与实时测量等多个步骤，每一步都需钻机配合且分离完成，特别是传感器布设时的引线问题严重阻碍了该方法在深孔中的应用。

因此，如何突破长期以来困扰着地应力测试过程中应力方向的确定性问题、测试深度的局限性问题和测试过程的复杂性问题，实现复杂环境下深孔和超深孔的地应力测试，是地应力测试技术发展的重要方向。

鉴于现有地应力测试技术存在的问题，本发明提出一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，利用先进的光学显微测量技术实现的孔径变形测量以替代传统的压磁和应变式传感器实现的孔径变形测量，从根本上解决了地应力测试过程中的主要技术难题，使地应力测试技术得到了突破性和实质性的进展。该方法采用对称布置多触针的方式，将孔径的变化通过接触孔壁的触针引入到一个微小区域，利用光学显微测量技术和数字图像处理技术，获取孔径变形的微小影像变化，并对其进行数字化，通过应用数字罗盘技术，实现各个触针的准确定位，获得对应方向上的孔径变形。根据弹性力学的基本原理和多触点上的孔径变形数据，利用最优化分析方法，最终获得地应力解算的最优解。基于孔径变形原理的地应力测试方法的优点在于：1)孔径变形数据丰富。由多触点上获取的孔径变形数据不仅可以用于解算地应力的大小和方向，还可以用于优化处理和对比分析；2)测量精度高。采用光学显微测量技术，提高了对微小影像变化的识别能力，测量到的孔径变形数据精度更高；3)对环境要求低。利用刚性触针可适应高温高压的复杂环境，而显微测量装置独立封装并与其分离，克服了环境的影响，可用于深孔和超深孔的地应力测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服以往地应力测试技术存在的缺点和不足，提出一种利用多触针感知孔径变化和光学显微测量孔径变形的测试方法以及基于孔径变形原理的数据优化分析和地应力解算方法。该方法思想新颖、理论严密、设计巧妙、易于实现，是地应力测试技术突破深孔和超深孔应用限制的技术基础，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，包括以下步骤，

步骤1、选取固定在外壳内的光学显微测量装置，选取位于同一平面且与光学显微测量装置的光轴垂直的至少三对触针，触针均通过弹性部件设置在外壳上，设定光学显微测量装置的光轴与触针所在平面相交点为测量中心点，每对触针以测量中心点对称分布，触针包括感知端和测量端，触针的测量端朝向测量中心点，且测量端的延伸方向穿过测量中心点，每对触针的感知端在弹性部件的作用下与待测钻孔的孔壁相抵；

步骤2、通过光学显微测量装置获得孔径变形感知部件中触针测量端的图像；

步骤3、建立图像坐标系，即设定像平面的中心点为坐标原点，x轴的正方向指向图像右边界且与图像右边界垂直，y轴的正方向指向图像上边界，y轴与x轴垂直，获得每个触针的测量端在坐标下的方位角度，获得在钻孔孔径变化时每对触针的测量端的触针针尖之间的距离差值；

步骤4、根据每个触针的方位角度和每对触针的测量端的触针针尖之间的距离差值获得最大主应力σ₁、最小主应力σ₂和最大主应力σ₁的真方位角θ。

如上所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、以坐标原点为圆心，设定一个搜索圆，使得搜索圆与每个触针相交；

步骤3.2、根据搜索圆上的颜色值的区别寻找每个触针与搜索圆相交的边缘点；

步骤3.3、将触针的两个边缘点与坐标原点进行连线，并获得两条连线在坐标中的角度平均值作为触针的方位角；

步骤3.4、以坐标原点为起点，在触针的方位角方向上根据像素颜色值的区别寻找触针的触针针尖；

步骤3.4、获得每对触针的触针针尖之间的距离，进而获得在钻孔孔径变化时每对触针的触针针尖之间的距离差值。

如上所述的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、选取三对触针，三对触针的方位角分别为α₁、α₂、α₃，在两个不同时刻，三对触针的触针针尖之间的距离差值分别为D₁，D₂和D₃，根据下式获得最大主应力σ₁、最小主应力σ₂和最大主应力σ₁在图像坐标系下的方位角θ₀

D₁＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀)))/E

D₂＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₂–θ₀)))/E

D₃＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₃–θ₀)))/E

其中，a为钻孔半径

E为弹性模量

σ₁为最大主应力；

σ₂为最小主应力；

θ₀为最大主应力在图像坐标系下的方位角。

通过以上方案及措施设计的光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，利用了多触针感知孔径变化和光学显微测量技术，以更直观的方式同步获取钻孔孔径多个方向上的微小变化和多组测试数据，建立了基于孔径变形原理的数据优化分析和地应力解算方法，避免了为验证而进行的重复测试，在硬件上实现了孔径变形感知部件与光学显微测量装置的有效分离，解决了耐高温、耐高压设计和实施难题，突破了地应力测试技术仅应用于浅孔中的局限性，推进了地应力测试技术的实质性进展，具有显著的科学意义和经济实用价值。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明利用触针感知孔径变化和光学显微测量技术，使孔径变形测量更加直观和准确；

2)本发明采用多触针测量结构，获得的数据更加丰富，取得的结果更加可靠，避免了为验证而进行的重复测试；

3)本发明采用独立设计模式，解决了耐高温、耐高压问题，使测试能力得到了显著提高，对测试环境的要求显著下降；

4)本发明的构思严密，方法设计巧妙，公式推导正确，可实现计算机软件编程；

5)本发明的结构体系和总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种利用多触针孔径变形感知结构和光学显微测量技术的基于孔径变形原理的地应力测试方法，实现了同步多组测试和优化分析处理，提高了测试可靠性、测试能力和应用范围。该方法设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2-1为孔径变形感知部件的侧视结构示意图；

图2-2为孔径变形感知部件的俯视结构示意图；

图3为测量区域结构示意图；

图4为光学显微测量原理示意图；

图5为测量区域图像；

图6为图像与数据处理示意图；

图6-1为测量区域图像初始设定示意图；

图6-2为触针识别过程示意图；

图6-3为触针定向过程示意图；

图6-4为触针针尖识别及坐标提取示意图；

图6-5为对称触针针尖距离解算示意图；

图6-6为三对触针结构示意图；

图6-7为四对触针结构示意图；

图7为本发明的流程图。

图中：

1-钻孔；2-孔径变形感知部件；3-测量区域；4-光学显微测量装置；5-测量区域图像；6-图像处理与数据提取模块；

21-触针感知端；22-触针测量端；23-弹簧；24-感知部件中心轴；

31-测量区域长度；32-测量区域宽度；

41-显微镜头；42-光学成像部件；43-数字罗盘；44-光学显微测量装置的主光轴；

51-图像横向像素数；52-图像纵向像素数；

61-设定步骤；62-识别步骤；63-定向步骤；64-提取步骤；65-解算步骤；

611-图像中心；612-图像坐标系；613-搜索圆；

621-起始位置；622-逆时针方向；623-进入点；624-离去点；

631-射线；632-方位角；633-触针方位角；

641-触针方位射线；642-触针方位射线与搜索圆的交点；643-触针针尖；

651-触针；652-对称触针；653-测量基点；654-对称测量基点；655-距离；

661-对称触针1；662-对称触针2；663-对称触针3；664-对称触针1与对称触针2之夹角；665-对称触针3与对称触针2之夹角；666-最大主应力的方位角。

661-对称触针1；662-对称触针2；663-对称触针3；667-对称触针4；664-对称触针1与对称触针2之夹角；665-对称触针2与对称触针3之夹角；668-对称触针3与对称触针4之夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，位于钻孔1中的孔径变形感知部件2采用对称布置不少于六根(三对)触针的方式，将钻孔1中各触针方向上的孔径变化反映在一个微小区域中，即测量区域3；获取测量区域3的部件为光学显微测量装置4，位于孔径变形感知部件2的上部，并对准测量区域3；显微测量装置4获取测量区域3的图像，即测量区域图像5，并由图像处理与数据提取模块6进行处理，同步获得定位信息，识别各个触针，计算每对触针方向上的变化值，确定该方向上的孔径变形。

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法的孔径变形感知部件2由不少于六根(三对)触针组成，触针有二个端部，其一为接触钻孔孔壁的端部，即为感知端21，形状为圆球形，其二为进入测量区域3的端部，即为测量端22，形状为细长针尖状；触针由刚性材料制作而成，在弹簧23的作用下，触针感知端21保持与钻孔孔壁接触，并随钻孔孔壁的变化而变化，而触针测量端22也与触针感知端21同步变化；所有触针按感知部件中心轴24对称布置在与感知部件中心轴24垂直的同一平面内，每根触针的延长线交于感知部件中心轴24，且至少有二根触针延长线的夹角等于90°(设为90°只是为了方便计算，而只要是三个不同方向的触针对就可以获得相关参数，而不一定必须是90°)。

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法的测量区域3是一个微小区域，在任何情况下所有触针的测量端22都必须位于其中，且无任何接触，其间存在足够的空间用于触针的区分和识别；测量区域3的长度31和宽度32的大小是决定测量精度的重要参数；

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法的光学显微测量装置4包括显微镜头41、光学成像部件42和数字罗盘43。显微镜头41为光学成像部件42的配套定焦镜头；光学成像部件42可以为CCD、CMOS等成像部件；数字罗盘43可以采用平面或三维电子罗盘；数字罗盘43的中心轴与显微镜头41和光学成像部件42的主光轴同轴，为光学显微测量装置的主光轴44。

孔径变形感知部件2的感知部件中心轴24与光学显微测量装置4的主光轴44同轴。

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法的测量区域图像5是由光学显微测量装置4获得的测量区域3的数字化图像，该图像的横向像素数51和纵向像素数52是决定测量精度的重要参数；

光学显微测量孔径变形的地应力测试方法的图像处理与数据提取模块6是针对测量区域图像5进行处理，包括：图像基本设定步骤，触针图像的区分和识别步骤，在图像坐标系中确定触针方向的定向步骤，搜索触针针尖并确定测量基点以及坐标提取步骤，根据测量基点变化得到的孔径变形和弹性力学的基本原理计算地应力的解算步骤。

设定步骤：需要对测量区域图像5进行基本设定，首先设定图像中心611，然后以图像中心611为坐标原点建立图像坐标系612，其中：x轴的正方向指向图像右边界,且与图像右边界垂直，y轴的正方向指向图像上边界，y轴与x轴垂直，最后设定一个搜索圆613，搜索圆613的圆心为图像坐标系612的原点，搜索圆613完全位于测量区域图像5之中，并与每根触针图像都相交。

因为多对触针是绕着光学显微测量装置的光轴对称分布的，所以坐标原点即图像的中心像素点默认为是实际的多对触针的中心。

识别步骤：在测量区域图像5中找出所有触针。找出搜索圆613与x轴正向的交点为起始位置621，开始沿搜索圆613逆时针方向622旋转，按像素点的颜色值区分触针图像的进入点623和离去点624，在搜索圆613上找出所有的进入点和离去点，识别出所有的触针。

定向步骤：为每个触针确定一个方位。以坐标原点为起点发出的射线631与x轴正向的夹角称为方位角632，逆时针方向为正，顺时针方向为负；根据识别步骤中找出的一个触针的进入点623和离去点624，则可分别得到它们的方位角，将这二个方位角相加后除以2，即为该触针的方位角633，同时获得触针方位射线641，触针方位射线641的起点为坐标圆心，触针方位射线641的角度为触针方位角633。

提取步骤：在定向步骤的基础上，搜索和识别触针针尖，并以此为测量基点提取不同时刻的图像坐标。以触针方位射线641与搜索圆613的交点642为起点，沿触针方位射线641向坐标原点方向逐点进行搜索，由于交点642位于触针图像内，因此仅需识别触针图像的离去点，即触针针尖643，并以此为测量基点，确定其图像坐标。

解算步骤：根据对称触针针尖的距离在不同时刻之间的变化来计算孔径变形，并以此解算出地应力的大小和方向。触针651和对称触针652是对称触针，触针651的测量基点(即触针针尖)653和对称触针652的对称测量基点(即触针针尖)654之间的距离655在不同时刻之间的变化量，即为钻孔孔径的变形；若在t₀和t₁时刻对称触针针尖的距离655分别为d₀和d₁，则在t₀和t₁时刻之间钻孔孔径的变形D就为：

D＝d₁–d₀

取三对触针661，662和663，由于每对触针有二个方位角，其差值的绝对值为180°，因此，取方位角为0-180°范围内的触针的方位角为该对触针的方位角，分别设为α₁，α₂和α₃。在t₀和t₁时刻之间各自方向上钻孔孔径的变形分别为D₁，D₂和D₃，三对触针661，662和663依次相隔45°，且最大主应力在图像坐标系612下的方位角666为θ₀，则触针661和663的夹角就为90°满足至少有二根触针的夹角等于90°的条件，根据弹性力学的基本原理，有：

D_i＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α_i–θ₀)))/E  (i＝1,2,3)    公式(1)

其中：a为钻孔半径

E为弹性模量

σ₁为最大主应力；

σ₂为最小主应力；

θ₀为最大主应力σ₁在图像坐标系下的方位角；

另外，有：

α₂–α₁＝45°或α₂＝α₁+45°

α₃–α₁＝90°或α₃＝α₁+90°

则有：

D₁＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀)))/E

D₂＝2a((σ₁+σ₂)–2(σ₁–σ₂)sin(2(α₁–θ₀)))/E

D₃＝2a((σ₁+σ₂)–2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀)))/E

令：

S_i＝D_i·E/2a  (i＝1,2,3)

则有：

S₁＝(σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀))

S₂＝(σ₁+σ₂)–2(σ₁–σ₂)sin(2(α₁–θ₀))

S₃＝(σ₁+σ₂)–2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀))

解上述方程，即可得到：

θ₀＝α₁–(arctg((S₁+S₃-2S₂)/(S₁-S₃))/2)或

θ₀＝α₁–(arctg((D₁+D₃-2D₂)/(D₁-D₃))/2)

σ₁＝(S₁+S₃+(S₁–S₃)sec(2(α₁–θ))/2)/4

σ₂＝(S₁+S₃–(S₁–S₃)sec(2(α₁–θ))/2)/4

为了得到在大地坐标系下最大主应力的真方位角，需要将最大主应力在图像坐标系下的方位角进行变换，为此假定：以正北方向为起点顺时针旋转后的方向与正北向的夹角为真方位角，取值范围为0-360°。

设：θ为最大主应力的真方位角

ψ为图像坐标系X轴的真方位角

将数字罗盘的测量基线与图像坐标系的X轴设置为同向，则ψ可由数字罗盘实测获得，而θ的值可由下式得到：

θ＝ψ-θ₀

当θ<0时，取θ值为360°+θ；

当θ>360°时，取θ值为θ-360°。

当触针数大于三对时，可对触针进行组合，实现同步多组测试和多组解算，有利于实现测试结果的优化分析和处理。例如：取四对触针661，662，663和667，若相邻两对触针之间的夹角664，665和668都为45°则有三种可能的组合：(661，662，663)，(661，663，667)和662，663，667)。在这三种可能的组合中都至少有二根触针的夹角等于90°，按照前述的方法即可解算出各组的σ₁和σ₂，再运用最小二乘法进行数据整理，得到最优的σ₁和σ₂的测试结果。

实施例1：步骤1、综合选择

为了突破超深孔中高温高压的极端环境，实现基于孔径变形原理的地应力测量的目的，耐高温耐高压的孔径变形感知技术、定位技术和微变形测量技术是必须的。然而考虑到钻孔内环境的特殊性和地应力测量的复杂性，所以选择将孔径变形感知部件和定位与变形测量部件分离，分别进行耐高温耐高压处理和封装，解决在这种极端环境下的地应力测试问题。为此，采用孔径变形的触针感知法、非接触的光学显微成像技术、微变形的数字图像测量技术和电子罗盘的定位方法的组合。

测量孔和套钻解除孔是首选目标，通常套钻解除孔孔径必须大于测量孔孔径，且适应实际工程的需要，为此需选择一个适当的测量孔和套钻解除孔孔径。在这里，可考虑常用的测量孔孔径(即36mm)和最小的套钻解除孔孔径(即91mm)。

步骤2、技术分析

根据图2-1～图2-2所示，为了感知钻孔孔径的变化，触针也应有相应的变化(即位移)，因此，触针的初始位置和位移量的大小成为系统设计的关键参数之一。由于触针是对称布置的，因此，在触针完全收回(即触针处于初始位置)时，对称触针的测量端22之间必须有一定的间隙，该间隙为触针的可识别间隙，不妨设为0.5mm。

在测量孔成孔时，由于施工过程、施工工艺、钻头和钻具等因数的影响，钻孔孔径必然会存在一定的误差，该误差为孔径误差，为此，在考虑触针的位移量大小时，必须将孔径误差计入其中，在这里，不妨将孔径误差设为1.5mm，即：测量孔成孔后36mm孔径的变化范围应控制在36mm-37.5mm之间。

在套钻解除孔成孔后，测量孔孔径会发生变化，根据弹性力学的基本原理，可对测量孔孔径的变化范围进行初略的估算，指导触针位移量的设计，即变形量程的设计，为此，根据公式(1)可知，最大的变形发生在α_i＝θ的方向上，即最大主应力的方向，这时公式(1)就简化为：

D＝2a(3σ₁–σ₂)/E

若σ₁和σ₂均大于0，则最大孔径变形D_max满足下列不等式：

D_max<6aσ₁/E

取：a＝18mm，σ₁＝70MPa，E＝20GPa，则：

D_max<0.378mm

不妨设孔径变形测量的最大量程为1mm，即可满足地应力测量时的量程要求。因此，若将1.5mm的孔径误差和1mm的最大量程都考虑其中，则对称触针的最大位移量就为2.5mm。

根据图3所示，在任何情况下所有触针的测量端22都必须位于测量区域3之中，因此，测量区域3的长度31和宽度32均不能小于对称触针的可识别间隙和对称触针的最大位移量之和，不妨考虑长度31和宽度32相等的情况，这时它们均可为3mm。

根据图4所示，光学显微测量装置4可采用定焦显微镜头41以及CCD(电荷耦合部件)光学成像部件42。由于长度31和宽度32构成的测量范围极小，仅为3mm，因此，较小纵向视场角的显微镜头41成为首选，而与之相对应的就是较长的焦距，故可选择1/3CCD摄像头和25mm定焦镜头。

根据图5所示，光学显微测量装置4对长度31和宽度32构成的测量区域成像，其图像的横向像素数51和纵向像素数52分别对应于测量区域的长度31和宽度32，因此，图像的横纵向物理分辨率就为长度31除以横向像素数51和宽度32除以纵向像素数52。若横向像素数51和纵向像素数52相同，并取标准图像卡(768x 576)的纵向像素数，即为576，则图像的横纵向物理分辨率可达到0.0052mm，满足孔径变形测量精度的要求。

步骤3、原理实现

光学显微测量装置4获得的测量区域图像5为数字图像，其具有以下几个明显的特征：1)触针与背景的颜色是可分辨的；2)每个触针是独立的，即任意二个触针是可分离的；3)数字图像的大小是固定的。根据图6所示，实现地应力量测的核心是通过基本设定61、目标识别62、测量定向63、数据提取64和地应力解算65共五步来对测量区域图像5进行处理，因此，可以通过编程建立相应的计算机处理软件，获得实测地应力，其软件实现的流程框图如图7所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤1、选取固定在外壳内的光学显微测量装置，选取位于同一平面且与光学显微测量装置的光轴垂直的至少三对触针，触针均通过弹性部件设置在外壳上，设定光学显微测量装置的光轴与触针所在平面相交点为测量中心点，每对触针以测量中心点对称分布，触针包括感知端和测量端，触针的测量端朝向测量中心点，且测量端的延伸方向穿过测量中心点，每对触针的感知端在弹性部件的作用下与待测钻孔的孔壁相抵；

步骤2、通过光学显微测量装置获得孔径变形感知部件中触针测量端的图像；

步骤3、建立图像坐标系，即设定像平面的中心点为坐标原点，x轴的正方向指向图像右边界且与图像右边界垂直，y轴的正方向指向图像上边界，y轴与x轴垂直，获得每个触针的测量端在坐标下的方位角度，获得在钻孔孔径变化时每对触针的测量端的触针针尖之间的距离差值；

步骤4、根据每个触针的方位角度和每对触针的测量端的触针针尖之间的距离差值获得最大主应力σ₁、最小主应力σ₂和最大主应力σ₁的真方位角θ。

2.根据权利要求1所述的一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、以坐标原点为圆心，设定一个搜索圆，使得搜索圆与每个触针相交；

步骤3.2、根据搜索圆上的颜色值的区别寻找每个触针与搜索圆相交的边缘点；

步骤3.3、将触针的两个边缘点与坐标原点进行连线，并获得两条连线在坐标中的角度平均值作为触针的方位角；

步骤3.4、以坐标原点为起点，在触针的方位角方向上根据像素颜色值的区别寻找触针的触针针尖；

步骤3.4、获得每对触针的触针针尖之间的距离，进而获得在钻孔孔径变化时每对触针的触针针尖之间的距离差值。

3.根据权利要求1所述的一种光学显微测量孔径变形的地应力测试方法，其特征在于，所述的步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、选取三对触针，三对触针的方位角分别为α₁、α₂、α₃，在两个不同时刻，三对触针的触针针尖之间的距离差值分别为D₁，D₂和D₃，根据下式获得最大主应力σ₁、最小主应力σ₂和最大主应力σ₁在图像坐标系下的方位角θ₀

D₁＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₁–θ₀)))/E

D₂＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂)cos(2(α₂–θ₀)))/E

D₃＝2a((σ₁+σ₂)+2(σ₁–σ₂₎cos(2(α₃–θ₀)))/E

其中，a为钻孔半径

E为弹性模量

σ₁为最大主应力；

σ₂为最小主应力；

θ₀为最大主应力在图像坐标系下的方位角

步骤4.2、将图像坐标系下的方位角转换为θ₀真方位角θ。