CN104279976B - 一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，包括多触针测量部件和光学显微成像部件，所述的多触针测量部件中成对安装着多组触针，触针的触头与钻孔孔壁接触，感知孔径的变化，而触针的针尖端则集中在一个微小区域内，与触头的变化同步；所述的光学显微成像部件是一个带有视窗和光源窗的密封筒体，摄像机、显微镜头、数字罗盘和环状光源都位于其中；所述的多触针测量部件和光学显微成像部件通过丝扣连接在一起，且显微镜头通过视窗对准包含触针尖端的微小区域。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地应力测试装置，实现了同步多组测试的能力。该方法设计巧妙，构思严密，结构简单，易于实施。

Description

一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，更具体涉及一种利用光学显微测量技术获取钻孔内多点孔径变形以及利用孔径变形原理解算地应力的测量装置；突破了以应变片/位移传感器为主的地应力测试装置的局限性，拓展了地应力测试的应用范围，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

地应力广泛存在，但难以获取和揭示，同时它对深部工程的规划、设计和决策又起着重要的作用。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装置不断涌现。其中，最具代表性的测试装置是于20世纪50年代由美国矿务局研制出来的USBM钻孔变形计，实现了对岩体进行应力解除的地应力测试方法；而到20世纪60年代后期，美国人费尔赫思特和海姆森提出了水压致裂法测量地应力的理论，并研制出相应的地应力测试装置，使水压致裂法随后成为了和应力解除法并驾齐驱的两大地应力测量方法。

水压致裂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，这样增加了对测试装置的要求，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。

应力解除法的测试装置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，这种测试装置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，使得这种测试装置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，应力解除法的设备安装和测试过程较为复杂，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，本发明提出一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，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，使地应力测试技术和装置得到了突破性和实质性的进展。该装置采用对称布置多触针结构，将孔径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。该装置的优点在于：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装置中存在的缺点和不足，提出一种基于孔径变形原理的利用多触针感知孔径变化和光学显微测量孔径变形的地应力测试装置。该装置构思新颖、设计巧妙、结构合理、测试精度高、易于实现，突破了地应力测试技术在深孔和超深孔应用的局限性，是新一代的地应力测试装置，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，包括光学显微成像部件，还包括多触针测量部件，多触针测量部件包括壳体，壳体的外壁设置有触针安装孔，触针安装孔的触针安装孔沿设置有若干个限位卡，各个限位卡构成限位穿孔，触针安装孔的触针安装孔底开设有触针尖端穿孔，触针安装孔内设置有触针，触针包括依次连接的触头、触杆、触杆弹簧杆和触针尖端，触头穿过限位穿孔，触针尖端穿过触针安装孔进入到壳体内部的容腔，触杆弹簧杆上套设有弹簧，弹簧的两端分别与触杆和触针安装孔底相抵。

如上所述的触头为半圆球状；触针尖端为针尖状。

如上所述的触针尖端的最大直径和触杆弹簧杆的直径小于触针尖端穿孔的孔径，触针尖端穿孔的孔径小于弹簧的直径，触头的直径小于限位穿孔的直径，限位穿孔的直径小于触杆的直径。

如上所述的容腔填充有透明的液压油或者透明的高温脂。

如上所述的触针至少为3对且对称分布，触针均处于壳体中的同一横断面上。

如上所述的光学显微成像部件包括筒状的外壳，外壳一端与固定座一端连接，固定座另一端设置有光源窗，设置在固定座内的环状光源发出的光通过光源窗透射出固定座，外壳内设置有摄像机和与摄像机匹配的显微镜头，显微镜头前设置有视窗，还包括为摄像机所成的图像定向的数字罗盘。

如上所述的环状光源包括发光元件；发光元件为环形灯带或环形荧光灯或环形分布的小灯泡或环形分布的发光二极管；发光元件发出光的颜色为白色。

如上所述的视窗和光源窗分别通过软性胶与固定座连接。

如上所述的显微镜头的光轴、摄像机的光轴、数字罗盘的光轴、各个触针尖端在触杆与限位卡相抵状态下构成的圆的中心轴线共线。

基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置的工作原理为：

1、将光学显微地应力测量装置置于钻孔中，多触针测量部件1中触针11在弹簧12的作用下向外移动，触针11的触头111接触到钻孔孔壁，并随钻孔孔壁的变化而变化；

2、触头111的任何变化必然带动触针尖端112的变化，触针尖端112的这种变化反映在一个微小的区域内；

3、环状光源24发出的光线经过光源窗28直接照射触针尖端112，为光学显微成像提供照明；

4、显微镜头22通过视窗27对准包含触针尖端112的微小区域，摄像机21则获取该区域图像；

5、数字罗盘23为摄像机21获取的图像定向，即确定触针尖端112方向；

6、对摄像机21获取的图像进行数字化，确定触针尖端112的坐标，计算触针尖端112对应钻孔孔壁处的变形量；

7、根据孔径变形原理，解算地应力的大小和方向。

通过以上方案及措施设计的基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，利用了多触针感知孔径变化和光学显微测量技术，以更直观的方式实现了同步获取钻孔孔径多个方向上的微小变化，并在硬件上有效地分离了孔径变形感知部件与光学显微成像部件，解决了耐高温、耐高压设计和实施难题，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、设计巧妙、尺寸合理；

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装置，实现了同步多组测试的能力，提高了测试的可靠性和应用范围。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为本发明的总体结构示意图；

图2为多触针测量部件结构示意图；

图3为光学显微成像部件结构示意图；

图4为触针结构示意图；

图5为触针安装示意图。

图中：

1-多触针测量部件；2-光学显微成像部件；3-丝扣；

11-触针；12-弹簧；13-限位卡；14-容腔；15-平衡块；16-壳体；17-底盖；18-中心轴线；

21-摄像机；22-显微镜头；23-数字罗盘；24-环状光源；25-固定座；26-外壳；27-视窗；28-光源窗；29-触针安装孔；2901-触针安装孔沿；2902-触针安装孔底；2903-触针尖端穿孔；

111-触头；112-触针尖端；113-触杆；114-触杆弹簧杆。

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：

如图1～4所示，一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置包括多触针测量部件1和光学显微成像部件2。通过丝扣3将多触针测量部件1和光学显微成像部件2连接成为一体。

多触针测量部件1包括触针11，弹簧12，限位卡13，平衡块15，壳体16，底盖17。触针11成对，且数量不少于三对；触针11对称布置，处于壳体16中的同一横断面上；

触针11包括依次连接的触头111、触杆113、触杆弹簧杆114和触针尖端112，触头111为半圆球状；触针尖端112为针尖状，尖端断面直径小于0.01mm；触头111的直径小于触杆113的直径；触杆113的直径大于触杆弹簧杆114的直径。

壳体16的外壁设置有触针安装孔29，触针安装孔29的触针安装孔沿2901设置有若干个限位卡13，各个限位卡13构成限位穿孔，触针安装孔29的触针安装孔底2902开设有触针尖端穿孔2903，触针11设置在触针安装孔29内，触头111的直径小于限位穿孔的直径，限位穿孔的直径小于触杆113的直径，触针尖端112穿过触针安装孔29进入到壳体16内部的容腔14。容腔14可以用透明液体充填，如液压表油、高温脂等。触针尖端112的最大直径和触杆弹簧杆114的直径小于触针尖端穿孔2903的孔径，触杆弹簧杆114上套设有弹簧12，弹簧12的两端分别与触杆113和触针安装孔底2902相抵。

触针尖端112位于容腔14之中，触针尖端112的延伸方向穿过容腔14的中心轴线18，触针尖端112可延伸至容腔14的中心轴线18附近的微小区域内，但不能达到中心轴线18，且所有触针11的触针尖端112不能有任何的接触；

壳体16下部开设有与容腔14连通的孔槽，平衡块15位于孔槽内，可自由地在孔槽内上下移动，用于保持容腔14内部与壳体16外部的压力平衡；孔槽的槽沿处盖设有底盖17，底盖17中心钻孔，位于平衡块15的下方，限制平衡块15的最大移动距离，起着限位和壳体16外部连通的作用。

光学显微成像部件2包括摄像机21，显微镜头22，数字罗盘23，环状光源24，固定座25，外壳26，视窗27和光源窗28。

筒状的外壳26一端与固定座25一端连接，固定座25另一端设置有光源窗28，设置在固定座25内的环状光源24发出的光通过光源窗28透射出固定座25，摄像机21和显微镜头22构成整体设置在外壳26内，显微镜头22前设置有视窗27，数字罗盘23为摄像机21所成的图像定向。

摄像机21可为CCD、CMOS等摄像机；

显微镜头22为摄像机21的配套定焦镜头；

数字罗盘23与摄像机21构成为一体，并为摄像机21所成的图像定向；

环状光源24为摄像机21的成像提供照明；环状光源24包括环形布置的一组发光元件；发光元件的数量可根据空间大小和照射范围来确定；发光元件可采用小灯泡、发光二极管等；发光元件发出光的颜色应为白色，以模拟日光照射。

视窗27为圆形透明玻璃片，是摄像机21的摄像窗口；

光源窗28为环状透明玻璃片，是环状光源24的照明透视窗口；

如图4所示，摄像机21，显微镜头22，数字罗盘23和环状光源24都固定在固定座25之上；

视窗27和光源窗28粘接于固定座25之中；

外壳26与固定座25通过丝扣连接，并将摄像机21，显微镜头22，数字罗盘23和环状光源24密封于其中。

固定座25为金属材料，由于这二种材料的膨胀系数存在着差异，因此，视窗27和光源窗28与固定座25之间的连接需采用软性胶(例如704硅胶)的连接方式，其间需留有足够的伸缩缝。

光学显微成像部件2中的摄像机21、显微镜头22、数字罗盘23和环状光源24安装在固定座25上，密封于由固定座25、外壳26、视窗27和光源窗28构成的壳体中。

安装于固定座25上的摄像机21和数字罗盘23位于光学显微成像部件2的中央，显微镜头22对准触针尖端112的区域，摄像机21和数字罗盘23的光轴与多触针测量部件1的中心轴线18共线(即与多触针测量部件1的中心轴线共线)。

部件材料及加工要求：

触针11采用金属材料，例如45号钢，在加工完成后形成以触头111和触针尖端112为二端的圆形杆状。触头111需进行硬化处理，硬度达到HRC>55；触针尖端112可采用车床加工或滚压加工处理，保证尖端断面直径小于0.01mm；触杆113成形后，需进行抛光处理，使其表面光洁度达到8级。

弹簧12可采用0.5mm的弹簧钢丝，加工形成螺旋状弹簧。弹簧12的内径要略大于触杆弹簧杆114的外径；弹簧12的压缩量要大于触头111的圆球半径，即要大于触针11的最大位移量。

视窗27采用透明的玻璃材料，形状为圆形平板。平板二面都需进行抛光处理，消除在制作过程中形成的纹波；另外，视窗27内部含渣滓、气泡等影响光学特性的物质应达到一定的要求，具体是：在成像范围内应无任何物质，确保完全透明；在非成像范围内允许少量的物质存在，不影响渗透和抗压的能力。

光学显微成像设计：

显微镜头22是光学显微成像设计的关键。其焦距越大，视场角就越小，而物距越近，图像就越大。因此，光学显微地应力测量装置的成像设计原则是采用长焦距的镜头和微距成像的方式。为此，可选择25mm或更长焦距的镜头和物距为30mm以内的成像设计。而为了实现这种微距成像设计，又需采用一种后焦距可调的CCD或CMOS摄像机。

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 (6)

1.一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，包括光学显微成像部件(2)，其特征在于，还包括多触针测量部件(1)，多触针测量部件(1)包括壳体(16)，壳体(16)的外壁设置有触针安装孔(29)，触针安装孔(29)的触针安装孔沿(2901)设置有若干个限位卡(13)，各个限位卡(13)构成限位穿孔，触针安装孔(29)的触针安装孔底(2902)开设有触针尖端穿孔(2903)，触针安装孔(29)内设置有触针(11)，触针(11)包括依次连接的触头(111)、触杆(113)、触杆弹簧杆(114)和触针尖端(112)，触头(111)穿过限位穿孔，触针尖端(112)穿过触针安装孔(29)进入到壳体(16)内部的容腔(14)，触杆弹簧杆(114)上套设有弹簧(12)，弹簧(12)的两端分别与触杆(113)和触针安装孔底(2902)相抵；

所述的触头(111)为半圆球状；触针尖端(112)为针尖状；

所述的触针尖端(112)的最大直径和触杆弹簧杆(114)的直径小于触针尖端穿孔(2903)的孔径，触针尖端穿孔(2903)的孔径小于弹簧(12)的直径，触头(111)的直径小于限位穿孔的直径，限位穿孔的直径小于触杆(113)的直径，

光学显微成像部件(2)包括筒状的外壳(26)，外壳(26)一端与固定座(25)一端连接，固定座(25)另一端设置有光源窗(28)，设置在固定座(25)内的环状光源(24)发出的光通过光源窗(28)透射出固定座(25)，外壳(26)内设置有摄像机(21)和与摄像机(21)匹配的显微镜头(22)，显微镜头(22)前设置有视窗(27)，还包括为摄像机(21)所成的图像定向的数字罗盘(23)，

显微镜头(22)对准触针尖端(112)的区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，其特征在于，所述的容腔(14)填充有透明的液压油或者透明的高温脂。

3.根据权利要求1所述的一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，其特征在于，所述的触针(11)至少为3对且对称分布，触针(11)均处于壳体(16)中的同一横断面上。

4.根据权利要求1所述的一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，其特征在于，所述的环状光源(24)包括发光元件；发光元件为环形灯带或环形荧光灯或环形分布的小灯泡或环形分布的发光二极管；发光元件发出光的颜色为白色。

5.根据权利要求1所述的一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，其特征在于，所述的视窗(27)和光源窗(28)分别通过软性胶与固定座(25)连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于孔径变形原理的光学显微地应力测量装置，其特征在于，所述的显微镜头(22)的光轴、摄像机(21)的光轴、数字罗盘(23)的光轴、各个触针尖端(112)在触杆(113)与限位卡(13)相抵状态下构成的圆的中心轴线共线。