CN108332706A - 一种用于钻孔应变测量的井下双套筒探头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于钻孔地应变测量的钻孔应变仪的井下双套筒探头。该双套筒探头包括：由外筒和内筒形成的双套筒结构；填充层，设置在所述外筒和所述内筒之间的空间中；填充物，设置在所述填充层中，所述填充物在钻孔应变仪下井过程中能阻隔水压对传感器的作用，在下井安装完成后又能很好地将地壳应变传递给传感器；空气，留存在填充层的部分空间中，为填充物的液态流动提供空间；以及双套筒密封件，在填充物放入填充层后，使内筒和外筒之间密封相连。本发明通过外筒、内筒、填充物及其特性构成的钻孔应变仪井下双套筒探头，能消除了千米深井水压对钻孔应变仪的影响，为钻孔应变仪向深井安装应用的提供了解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及钻孔应变仪的深井领域，特别是涉及一种能用于深井应变测量中消除千米以上水压对钻孔应变仪传感器的影响，保证仪器工作性能的钻孔应变仪井下双套筒探头。
背景技术
在钻孔地形变测量中，通常探头安装在井下100米左右深度与岩石耦合，可以清晰记录到钻孔应变固体潮汐，地震应变波、同震应变阶等地壳活动现象。目前的钻孔应变仪灵敏度都优于10-10应变，量程在10-4应变量级。随着钻孔地形变观测向深井方向发展，10-4应变动态范围很难满足千米深井的观测要求。1000米的钻孔10MPa静水压力将使探头产生预变形达到10-3量级。目前解决这一问题，一是降低应力应变探头灵敏度，使其获得更大的测量量程，二是安装机电调节机构，使应变传感器可以进行工作点平衡调节，获得量程的扩展。然而降低钻孔应变观测灵敏度以获取更大量程的做法会带来测量精度的下降，无法满足地学仪器的性能要求。安装机电调节机构会使探头的测量结构、电子电路变得复杂，增加故障率和测量干扰，影响钻孔应变观测系统可靠性和稳定性。因此如何在钻孔应变观测系统下井安装过程中有效的消除水压对探头的影响，又能保证钻孔应变观测系统安装完成后正常工作，是钻孔应力应变观测能否向地壳深部发展的关键技术之一。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种用于深井应变测量的井下双套筒探头，解决钻孔应变观测系统在深井安装过程中钻孔内水压作用对探头产生变形的技术问题。在钻孔应变仪井下双套筒探头下井安装过程中，外筒承担水压作用而变形，由于外筒和内筒中间的填充层的填充物是液态物质和部分空气，外筒变形不会把水压传导到内筒，内筒在此过程中不发生变形。在钻孔应变仪探头到安装深度后，通过灌注水泥，使钻孔岩石和钻孔应变仪井下双套筒探头的外筒耦合。安装耦合结束后，外筒和内筒中间的填充层的填充物由液态逐步固化，使井下双套筒探头的外筒和内筒耦合。通过安装耦合和填充物耦合使钻孔岩石、外筒、内筒三者实现耦合，内筒能随钻孔岩石应力应变而变形，传感器测量单位安装在井下双套筒探头的内筒壁上，可以测量内筒体的变形。通过钻孔应变仪井下双套筒探头能有效的抵消水压对传感器的影响，保证传感器良好耦合，不影响传感器的工作性能，使钻孔应变观测能向地壳深部发展应用。
本发明的一个实施例提供一种用于钻孔应变测量的井下双套筒探头，包括：
由外筒(9)和内筒(81)形成的双套筒结构；填充层(10)，设置在所述外筒(9)和所述内筒(81)之间的空间中；填充物(11)，设置在所述填充层(10)中，所述填充物(11)在钻孔应变仪下井过程中能阻隔水压对传感器的作用，在下井安装完成后又能很好地将地壳应变传递给传感器；空气(12)，留存在填充层(10)的部分空间中，为填充物(11)的液态流动提供空间；以及双套筒密封件(13)，在填充物(11)放入填充层(10)后，使内筒(81)和外筒(9)之间密封相连。
优选地，所述外筒(9)设在井下双套筒探头的最外层，为薄壁圆筒，下端为封闭的圆球状或近似圆球状。
优选地，所述外筒(9)在下井过程中随水压作用而形变，以保持外筒体的密封性能。
优选地，所述内筒(81)为薄壁圆筒，与所述外筒(9)形成双薄壁圆柱筒结构。
优选地，所述内筒(81)实现传感器、测量电路、电缆的安装及密封，以保证传感器和测量电路的正常工作。
优选地，所述内筒(81)和扶正器以及下井装备机械连接。
优选地，所述填充物(11)在钻孔应变仪下井过程中为液态物质特性，能阻隔水压向内筒(82)的传递；在钻孔应变仪下井安装完成后，填充物(11)为具有和岩石等效的杨氏模量的固体，能很好地将地壳应变传递给设置在内筒壁上的传感器。
优选地，所述填充物(11)为缓凝水泥。
优选地，在钻孔应变仪井下双套筒探头到达安装深度后，通过在钻孔中灌注水泥，使外筒(9)和钻孔岩石耦合，钻孔中耦合水泥完全凝固后，所述填充物(11)开始固化，使外筒(9)和内筒(81)实现耦合，固化后的填充物(11)具有和岩石等效的杨氏模量，实现钻孔岩石、外筒和内筒三者的耦合，钻孔地壳变形可以有效地传递到内筒，使内筒(82)随之变形，通过传感器测量内筒变形，实现地壳应变观测。
优选地，所述空气(12)在填充层(10)中具有适当的体积，以保证下井过程中外筒(8)变形量的需要，以及保证安装后填充物(11)的耦合性能。
本发明的用于钻孔应变仪的双套筒探头具有如下有益效果：能有效消除下井过程中水压对传感器的影响，安装后又能保证传感器良好耦合，不影响传感器的工作性能，使钻孔应变观测能向地壳深部应用发展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为根据本发明的一个实施例的用于钻孔应变测量的井下双套筒探头的结构示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的用于钻孔应变测量的井下双套筒探头安装示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图对本发明的实施方式予以说明。需要说明的是，本说明书中所涉及的实施方式不是穷尽的，不代表本发明的唯一实施方式。以下相应的实施例只是为了清楚的说明本发明专利的发明内容，并非对对其实施方式的限定。对于该领域的普通技术人员来说，在该等实施例说明的基础上还可以做出不同形式的变化和改动，凡是属于本发明的技术构思和发明内容并且显而易见的变化或变动也在本发明的保护范围之内。
如图2所示为根据本发明的一个实施例的用于钻孔应变测量的井下双套筒探头安装示意图。本发明的用于钻孔应变测量的钻孔应变仪井下双套筒探头8通过水泥7与钻孔岩石5耦合。井下双套筒探头8内部装有应变传感器及测量电路等，通过电缆3与地面观测室1内的地面仪器2相连。由于钻孔4中有地下水6，因此，钻孔应变仪井下探头8以及电缆3需要密封处理。
如图1所示，该用于钻孔应变侧量的井下双套筒探头8包括：内筒81，外筒9，填充层10，填充物11，空气12，双套筒密封件13。下面结合图1对本发明的实施例的井下双套筒探头8的结构进行详细说明。
上述井下双套筒探头8中，外筒9设在钻孔应变仪的井下双套筒探头最外部，较佳地其结构是薄壁圆柱筒，下底部可以为封闭的圆球状或近似圆球状设计，方便钻孔应变仪探头下井。但本发明并不对外筒底部的形状作任何限制，可以是方便钻孔应变仪探头下井的任何形状。
上述井下双套筒探头8中，较佳地，内筒81的结构是薄壁圆柱筒。内筒81在结构和功能上与现有的钻孔应变仪的井下探头筒体可以是相同的，可以实现传感器、测量电路、电缆的安装及密封，保证传感器和测量电路的正常工作，以及可以和扶正器和下井装备机械安装相连，保证钻孔应变仪的下井顺利进行。
如上所述，上述外筒9和内筒81构成双套筒结构，较佳地可以构成双薄壁圆柱筒结构。
上述井下双套筒探头8中，填充层10设在外筒、内筒之间的空间中。
上述井下双套筒探头8中，填充物11设置在填充层10中，填充物具有特殊的材料特性。在下井过程中，填充物具有液态特征，有效阻隔水压向内筒的传递。下井完成后，通过灌注水泥使钻孔和外筒耦合，在此同时，填充层逐步固化，使外筒和内筒实现耦合，固化后的填充物具有和岩石等效的杨氏模量，钻孔岩石的变形可以有效地传递到内筒，使内筒随之变形，通过传感器测量内筒变形，实现地壳应变观测。
上述井下双套筒探头8中，适量的空气12留存在于未被填充物填充的填充层空间内。在下井过程中，为填充物液态流动提供空间，保护内筒81不受水压作用。
上述井下双套筒探头8中，双套筒密封件13设在井下双套筒探头的内筒81和外筒9的上端(即远离外筒9的圆球状设计的一端)。在下井安装前，在填充物11灌入填充层10后，安装双套筒密封件13，使内筒81和外筒9之间形成密闭空间。
下面结合附图对本发明实施例的工作过程作进一步地详细描述。
图1所示为本发明的一个实施例提供的一种用于钻孔地形变测量的钻孔应变仪的井下双套筒探头，在钻孔应变仪在深井中安装使用时，可以消除下井过程中水压对钻孔应变仪的影响，解决下井过程中水压对钻孔应变仪传感器82大量程的需求。安装后保证传感器良好耦合，不影响传感器的工作性能，使钻孔应变观测向地壳深部发展。钻孔应变仪传感器82采用差动电容位移传感器。如图1所示，传感器82安装在井下双套筒探头8的内筒81的筒壁上。内筒81与现有钻孔应变仪井下探头的筒体结构、功能可以是相同的。筒体81内部可以安装传感器82、测量电路和电缆等部件，并实现密封，外部可以与扶正器和下井配套装置相连，便于钻孔应变仪双套筒探头下井安装。
钻孔应变仪井下双套筒探头下井安装前，将填充物11(例如缓凝水泥)灌入填充层10中，并不完全灌满，留有适当的空气12余量，再通过双套筒密封件13将内筒81和外筒9完全密封。在钻孔应变仪井下双套筒探头下井过程中，外筒9承担水压作用而变形，由于填充物11在下井阶段还未凝固，填充层10中是液态的填充物11和空气12，水压无法传递到内筒81，内筒在下井过程中不发生变形。在钻孔应变仪井下双套筒探头到达安装深度后，通过在钻孔中灌注水泥，使钻孔岩石和钻孔应变仪井下双套筒探头的外筒9耦合。安装耦合结束后，填充物11缓凝水泥由液态逐步固化，使井下双套筒探头的外筒9和内筒81耦合。通过安装耦合和填充物11耦合使钻孔岩石、外筒9、内筒81三者实现耦合，内筒81能随钻孔岩石应力应变而变形，传感器82安装在井下双套筒探头的内筒81壁上，可以测量内筒体的变形，进而实现地壳应变观测。
本发明的一个实施例提供一种用于地应变测量的钻孔应变仪的井下双套筒探头，能有效消除下井过程中水压对传感器的影响，安装后又能保证传感器良好耦合，保证传感器长期正常工作的性能。
显然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (10)
1.一种用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，包括：
由外筒(9)和内筒(81)形成的双套筒结构；
填充层(10)，设置在所述外筒(9)和所述内筒(81)之间的空间中；
填充物(11)，设置在所述填充层(10)中，所述填充物(11)在钻孔应变仪下井过程中能阻隔水压对传感器的作用，在下井安装完成后又能很好地将地壳应变传递给传感器；
空气(12)，留存在填充层(10)的部分空间中，为填充物(11)的液态流动提供空间；以及
双套筒密封件(13)，在填充物(11)放入填充层(10)后，使内筒(81)和外筒(9)之间密封相连。
2.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述外筒(9)设在井下双套筒探头的最外层，为薄壁圆筒，下端为封闭的圆球状或近似圆球状。
3.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的钻孔应变仪的井下双套筒探头，其特征在于，所述外筒(9)在下井过程中随水压作用而形变，以保持外筒体的密封性能。
4.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述内筒(81)为薄壁圆筒，与所述外筒(9)形成双薄壁圆柱筒结构。
5.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述内筒(81)实现传感器、测量电路、电缆的安装及密封，以保证传感器和测量电路的正常工作。
6.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述内筒(81)和扶正器以及下井装备机械连接。
7.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述填充物(11)在钻孔应变仪下井过程中为液态物质特性，能阻隔水压向内筒(82)的传递；在钻孔应变仪下井安装完成后，填充物(11)为具有和岩石等效的杨氏模量的固体，能很好地将地壳应变传递给设置在内筒壁上的传感器。
8.根据权利要求7所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述填充物(11)为缓凝水泥。
9.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，在钻孔应变仪井下双套筒探头到达安装深度后，通过在钻孔中灌注水泥，使外筒(9)和钻孔岩石耦合，钻孔中耦合水泥完全凝固后，所述填充物(11)开始固化，使外筒(9)和内筒(81)实现耦合，固化后的填充物(11)具有和岩石等效的杨氏模量，实现钻孔岩石、外筒和内筒三者的耦合，钻孔地壳变形可以有效地传递到内筒，使内筒(82)随之变形，通过传感器测量内筒变形，实现地壳应变观测。
10.根据权利要求1所述的用于钻孔地应变测量的井下双套筒探头，其特征在于，所述空气(12)在填充层(10)中具有适当的体积，以保证下井过程中外筒(8)变形量的需要，以及保证安装后填充物(11)的耦合性能。
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