CN110031044A - 一种内压自适应钻孔应力应变探头 - Google Patents
一种内压自适应钻孔应力应变探头 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种内压自适应钻孔应力应变探头,用于安装在地下钻孔内,利用探头受压变形测量钻孔内岩体的变形,包括:活塞式密封头,位于所述探头的一端,与所述探头的内壁密封配合并可沿所述探头轴向移动;盘体部件,位于所述探头内靠近另一端处,与所述探头的内壁密封配合固定;在探头内部所述活塞式密封头和盘体部件之间形成密闭空间,所述密闭空间具有填充液,并预留空气空间。在所述探头下放安装过程中,地下水对所述活塞式密封头施加水压使所述活塞式密封头向所述探头内部推进,使所述探头内部压力随地下水压产生自适应,从而抵消地下水压对所述探头的外钢筒产生的压力变形。本发明不影响探头测量精度和灵敏度、不引入机电调节机构。
Description
技术领域
本发明涉及机械力学结构、密封技术,尤其涉及一种用于通过活塞式可移动密封头与绝缘子盘密封方式,使应力应变测量探头具有内压自适应、可设定调节能力的内压自适应钻孔应力应变探头。
背景技术
在地球物理及大地测量中,经常使用钻孔类仪器对钻孔内的地应力、地应变进行测量。测量中,首先在地壳待测部位钻孔成井,再将测量探头下放到待测孔段,使用水泥浇注或机械支撑等方式将测量探头与孔壁耦合。这样,钻孔内岩石的变形便会传递到测量探头上,应力应变测量元件根据这一变形达到测量岩体应力应变状态的目的。
由于钻孔应力应变探头安装在地下钻孔内,在探头下放安装过程中,地下水会对探头施加水压。作为钻孔应力应变测量探头,其原理是利用探头受压变形测量钻孔内岩体的变形,地下水压同样会对探头造成压力变形,从而抵消一部分探头的量程。在一些探头安装较深、地下水位较高的钻孔内,尤其当地下水压超过500Mpa(500米净水压力)时,探头受地下水压的变形几乎达到探头量程的极限。目前解决这一问题的方法,一是降低应力应变探头灵敏度,使其获得更大的测量量程;二是安装机电调节结构,使应力应变测试传感器可以进行平衡调节。然而降低应力应变探头灵敏度以获取更大量程的做法会带来测量精度的下降;安装机电调节机构又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。因此如何简单易行的解决地下水压对占用探头量程的问题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
针对现有技术的上述缺陷,提出了一种内压自适应钻孔应力应变探头,通过绝缘子盘电缆密封和可活塞式移动的密封头,使钻孔应力应变探头内部压力随地下水压产生自适应,并可设定调节,从而抵消地下水压对探头外钢筒产生的压力变形。
本发明的一种内压自适应钻孔应力应变探头,用于安装在地下钻孔内,利用探头受压变形测量钻孔内岩体的变形,包括:
活塞式密封头,位于所述探头的一端,与所述探头的内壁密封配合并可沿所述探头轴向移动;
盘体部件,位于所述探头内靠近另一端处,与所述探头的内壁密封配合固定;
在探头内部所述活塞式密封头和盘体部件之间形成密闭空间,所述密闭空间具有填充液,并预留空气空间,
在所述探头下放安装过程中,地下水对所述活塞式密封头施加水压使所述活塞式密封头向所述探头内部推进,使所述探头内部压力随地下水压产生自适应,从而抵消地下水压对所述探头的外钢筒产生的压力变形。
优选地,盘体部件用于电气绝缘和机械固定,进一步包括:绝缘子盘、绝缘子盘压盘以及密封帽。
优选地,所述绝缘子盘为金属盘体,侧面开有“O”型圈密封槽,所述盘体上具有出线孔和出气孔;所述出线孔内具有绝缘子,所述出气孔通过密封部件而封闭。
优选地,使用玻璃烧结的方式将所述绝缘子烧结在所述出线孔内,使绝缘子玻璃体与所述盘体熔融态浸润结合以达到耐高压的密封效果。
优选地,绝缘子盘的出气孔内壁为标准细螺纹,可拧入密封帽,所述密封帽的下部具有平压式“O”型圈密封槽,可安装“O”型圈,当所述密封帽拧入所述出气孔时可将“O”形圈在所述绝缘子盘上方压紧,达到密封出气孔的作用。
优选地,所述活塞式密封头通过“O”型密封圈与所述探头的内壁密封配合。
优选地,在所述活塞式密封头被安装到所述探头一端的初始位置后通过初装定位组件将其固定于所述探头内壁。
优选地,所述活塞式密封头的行程被设计为,在所述活塞式密封头安装到初始位置后,仍可向探头内推进达到压缩所述应力应变探头内部空间的目的。
优选地,进一步具有压力传感器检测所述探头内的压力。
优选地,所述预留的空气空间被设计为,保证探头外压将所述活塞式密封头推进到最终位置后仍大于探头内部压力。
优选地,所述活塞式密封头的行程面被设计为标示压力刻度值,在所述活塞式密封头安装时,根据所述刻度值设置初始安装位置,以使所述活塞式密封头从所述初始安装位置推进到行程终点时,探头内增加的压力即为所述初始位置对应的刻度值压力。
本发明具有如下有益效果:本发明基于探头内压自适应、可设定调节的机械密封方式,在不影响应力应变探头测量精度和灵敏度、不引入机电调节机构的情况下,通过绝缘子盘电缆密封和可活塞式移动的密封头,使钻孔应力应变探头内部压力随地下水压产生自适应达到内外压平衡,从而抵消地下水压对探头外钢筒产生的压力变形。
本发明同时可以设定活塞式密封头的伸缩行程长度,在活塞式密封头的行程面上,标示压力梯度刻度值,在活塞式密封头初始安装时,按照所需的行程长度将活塞密封头安装在预设的压力梯度刻度线即初始安装位置上。在工作中,活塞式密封头在达到行程终点后不再跟随外部水压产生活塞运动,此时,探头内增加的压力值为安装时压力刻度读数值。
附图说明
图1为内压自适应钻孔应力应变探头结构的剖面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步说明,其目的仅在于更好地理解本发明的研究内容而非限制本发明的保护范围。
本发明的一种内压自适应钻孔应力应变探头1,用于安装在地下钻孔内,利用探头受压变形测量钻孔内岩体的变形。图1为内压自适应钻孔应力应变探头结构的剖面示意图。如图1所示,所述探头1包括:活塞式密封头5,盘体部件2、3、4,密闭空间A以及压力传感器6。
活塞式密封头5,位于所述探头1的一端(下端),与所述探头1的内壁密封配合并可沿所述探头轴向移动。盘体部件,位于所述探头1内靠近另一端处(上端),与所述探头的内壁密封配合固定。所述活塞式密封头5和盘体部件2、3、4之间的探头内部形成密闭空间A,所述密闭空间A具有填充液,并预留空气空间。在所述探头下放安装过程中,地下水对所述活塞式密封头5施加水压使所述活塞式密封头向所述探头内部推进,使所述探头内部压力随地下水压产生自适应,从而抵消地下水压对所述探头1的外钢筒产生的压力变形。
具体地,所述盘体部件为应力应变探头1的上端的上密封部件,用于电气绝缘和机械固定,进一步包括:绝缘子盘2、绝缘子盘压盘3以及密封帽4。其中,所述绝缘子盘2为金属盘体,侧面开有“O”型圈密封槽7,所述盘体上具有出线孔12和出气孔8。绝缘子盘2根据需要引出的信号线数量选取出线孔12的数量,所述出线孔12内具有绝缘子13,使用玻璃烧结的方式将所述绝缘子13烧结在出线孔12内,使绝缘子13玻璃体与所述盘体熔融态浸润结合以达到耐高压的密封效果。由此信号线(导线)15可经玻璃体绝缘子的导线柱(未图示)接出。这里,通过绝缘盘密封方式与下密封头之间形成探头密闭空间。所述出气孔8可通过密封部件而封闭。较佳地,绝缘子盘2的出气孔8内壁为标准细螺纹,可拧入密封帽4。所述密封帽的下部具有平压式“O”型圈密封槽,可安装“O”型圈,当所述密封帽拧入所述出气孔8时可将“O”形圈在所述绝缘子盘2上方压紧,达到密封出气孔8的作用。
电缆线15通过上密封头17接出,电缆线15通过密封头17内的“O”型圈密封槽14达到密封效果。
所述活塞式密封头5为应力应变探头1下端的下密封部件,从探头下端推入探头内部,通过“O”型密封圈与所述探头1的内壁密封配合。活塞式密封头5与现有密封头类似,但尺寸被加长,并具有初装定位组件11。即,在所述活塞式密封头5被安装到所述探头1的一端的初始位置后,通过初装定位组件11将其固定于所述探头内壁。定位组件11包括定位孔11a及定位螺钉11b。所述活塞式密封头5具有较长行程,其行程被设计为,在所述活塞式密封头安装到初始位置后,仍可向内推进达到压缩所述应力应变探头内部空间的目的。
活塞式密封头5的行程面刻有压力刻度16,在所述活塞式密封头5安装时,可根据刻度值16设置初始安装位置,保证密封头5推进到行程终点时,探头内压增加达到刻度值压力。
进一步地,本发明的内压自适应钻孔应力应变探头1还具有压力传感器6用于实时检测所述探头内的压力,从而可以判断活塞式密封头5适应压力动作是否正常。
下面介绍本发明的内压自适应钻孔应力应变探头的安装过程。在活塞式密封头5的行程面上,标有压力梯度刻度16,在活塞式密封头5初始安装时,按照所需的行程长度,将活塞密封头安装在预设的压力梯度刻度线16上。在工作中,活塞式密封头5在达到行程终点后,不再跟随外部水压产生活塞运动,此时,探头内增加的压力值将为初始安装时压力刻度读数值。
活塞式密封头5初装完成即活塞式密封头5被安装到所述探头1的一端的初始位置后,将应力应变探头1内部灌注定量的填充液9。较佳地,该填充液例如为硅油、变压器油或重油等(普通应力应变探头在工作中需要注入硅油作为防锈防潮保护油)。应力应变探头1内壁刻有液位标尺,根据地下水位的不同灌注不同量的硅油。接着,将应力应变探头1及压力传感器6的信号电缆线按顺序焊接到由绝缘子盘2上的绝缘子导线柱上,并由导线柱接出到电缆线上。信号线接好后,再将绝缘子盘2由应力应变探头1的上端推入,一直到达安装位置,并用绝缘子盘压盘3将其压紧固定。绝缘自子盘2安装到位并押压紧后,使用密封帽4将绝缘子盘出气孔8堵死密封,这时应力应变探头1内部形成密闭空间,其中大部分空间被硅油9填充,只留有很小的无硅油空间(内有空气,即空气空间)。本发明中所述预留的空气空间被设计为,保证探头外压将所述活塞式密封头推进到最终位置后仍大于探头内部压力。最后将应力应变探头1的上端的密封头和电缆线插入探头即可完成探头安装密封。应力应变探头上密封头和电缆线密封可使用现有技术手段,在此不作阐述。本发明的应力应变探头1安装完成后,探头内压力约为1个大气压(可由内部的压力传感器测得)。
下面介绍本发明的内压自适应钻孔应力应变探头的使用过程。使用中,先去除活塞式密封头5的初装定位螺钉11b,在钻孔中下放应力应变探头1,随着地下水压的增大,活塞式密封头5会在压力作用下向探头1的内部推动。应力应变探头1内的空间被压缩,空气压缩导致探头内部压力升高,当内外压平衡时活塞式密封头5停止向内推进。通过上述动作,地下水压对探头1的压力变形被其内压抵消掉。应力应变探头1下放过程中,传感器6用于实时监视其内部压力,显示活塞式密封头5适应压力动作是否正常。
本发明中,应变探头1内部预留的空气空间(或者硅油9的量)和钻孔内地下水位需经过精确计算,保证应力应变探头1下放到位后,在钻孔地下水压作用下,活塞式密封头5不仅可以推进到最终位置,且探头内压力仍小于外部地下水压,以保证探头1有足够的预压力且活塞式下密封头5始终能在外压作用下与应力应变探头稳固贴合,不会因活塞式密封头5的活动使探头1内压改变影响应力应变探头1的测量。也就是说,通过精确计算预留的空气空间或者硅油的量,使得外部压力对应力应变探头1施加适当的预压力,即便应力应变探头1在岩体变形作用下受压、内部压力增大时活塞式密封头5不会被推出或移动。
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。
Claims (11)
1.一种内压自适应钻孔应力应变探头,用于安装在地下钻孔内,利用探头受压变形测量钻孔内岩体的变形,其特征在于,包括:
活塞式密封头,位于所述探头的一端,与所述探头的内壁密封配合并可沿所述探头轴向移动;
盘体部件,位于所述探头内靠近另一端处,与所述探头的内壁密封配合固定;
在探头内部所述活塞式密封头和盘体部件之间形成密闭空间,所述密闭空间具有填充液,并预留空气空间,
在所述探头下放安装过程中,地下水对所述活塞式密封头施加水压使所述活塞式密封头向所述探头内部推进,使所述探头内部压力随地下水压产生自适应,从而抵消地下水压对所述探头的外钢筒产生的压力变形。
2.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,盘体部件用于电气绝缘和机械固定,进一步包括:绝缘子盘、绝缘子盘压盘以及密封帽。
3.根据权利要求2所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述绝缘子盘为金属盘体,侧面开有“O”型圈密封槽,所述盘体上具有出线孔和出气孔;所述出线孔内具有绝缘子,所述出气孔通过密封部件而封闭。
4.根据权利要求3所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述绝缘子通过玻璃烧结的方式烧结在所述出线孔内,使绝缘子玻璃体与所述盘体熔融态浸润结合以达到耐高压的密封效果。
5.根据权利要求3所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述绝缘子盘的出气孔内壁为标准细螺纹,用于拧入密封帽,所述密封帽的下部具有平压式“O”型圈密封槽,用于安装“O”型圈,当所述密封帽拧入所述出气孔时可将“O”形圈在所述绝缘子盘上方压紧,达到密封出气孔的作用。
6.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述活塞式密封头通过“O”型密封圈与所述探头的内壁密封配合。
7.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,在所述活塞式密封头被安装到所述探头一端的初始位置后通过初装定位组件将其固定于所述探头内壁。
8.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述活塞式密封头的行程被设计为,在所述活塞式密封头安装到初始位置后,仍可向探头内推进达到压缩所述应力应变探头内部空间的目的。
9.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,进一步具有压力传感器检测所述探头内的压力。
10.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述预留的空气空间被设计为,保证探头外压将所述活塞式密封头推进到最终位置后仍大于探头内部压力。
11.根据权利要求1所述的内压自适应钻孔应力应变探头,其特征在于,所述活塞式密封头的行程面被设计为标示压力刻度值,在所述活塞式密封头安装时,根据所述刻度值设置初始安装位置,以使所述活塞式密封头从所述初始安装位置推进到行程终点时,探头内增加的压力即为所述初始位置对应的刻度值压力。
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