CN111811461B - 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法 - Google Patents

一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111811461B
CN111811461B CN202010690958.3A CN202010690958A CN111811461B CN 111811461 B CN111811461 B CN 111811461B CN 202010690958 A CN202010690958 A CN 202010690958A CN 111811461 B CN111811461 B CN 111811461B
Authority
CN
China
Prior art keywords
impression
capsule
coordinate system
crack
compass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010690958.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111811461A (zh
Inventor
李永松
贾志刚
张新辉
徐兵
周朝
彭濳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huanghuai University
Original Assignee
Huanghuai University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huanghuai University filed Critical Huanghuai University
Priority to CN202010690958.3A priority Critical patent/CN111811461B/zh
Publication of CN111811461A publication Critical patent/CN111811461A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111811461B publication Critical patent/CN111811461B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C1/00—Measuring angles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels

Abstract

本发明公开了一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法。该印模系统主要由具有适时存储功能的三维电子罗盘、印模胶囊和适用的转换算法组成，通过注压泵向印模胶囊加压，使胶囊表面附着的柔软胶层挤入孔壁裂缝，从而获取任意倾斜状态钻孔的孔壁裂缝印痕。依据三维电子罗盘的存储数据以及裂缝印痕的几何参数进行系统的求解计算，就可得到钻孔倾向、倾角和裂缝面产状等多种参数。本发明的主要优势为，通过特制三维电子罗盘和印模胶囊配合使用，一次测量就可以同时得到任意钻孔的走向、倾向以及裂隙面在空间的产状。

Description

一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统 和方法
技术领域
本发明属于地质勘察技术和岩石力学试验技术领域，具体涉及一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法。
背景技术
带有定向装置的印模方法是确定钻孔内过孔裂隙产状的有效方法。但传统方法一般采用平面罗盘或重锤定向，平面罗盘定向仅适合于铅直钻孔的产状分析；重锤定向不能用于铅直钻孔的产状分析，对于倾斜钻孔，也仅能得到裂隙面相对于钻孔横截面底端方位的相对产状，裂隙产状结果应用不方便，另需单独额外测量钻孔的倾向、倾角的空间分布参数。
随着电子技术的发展，三维电子罗盘大量出现，但其输出结果仅有罗盘平面的航向角，无法直接应用于钻孔倾向、倾角及裂缝面产状的测量。
为此，我们提出一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法，以解决上述背景技术中提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘通过无磁柱安装于印模胶囊的底部，组成新的印模系统；
所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模胶囊注压，印模胶囊受压膨胀，其表层柔软胶层会向钻孔孔壁裂缝挤入而留下印痕；
同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法，具体步骤如下：
S1、定义罗盘坐标系和初始坐标系；
S2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；
S3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；
S4、将法向量转换为初始坐标系下产状；
S5、将坐标产状转换为工程地质产状。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：提供了一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法及其方法，通过特制三维电子罗盘和印模胶囊配合使用来获取钻孔的空间方位数据和印模所得裂缝印痕的几何参数，一次测量就可以同时得到任意钻孔的走向、倾向以及裂隙面在空间的产状。
附图说明
图1为本发明同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统的示意图；
图2为本发明同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法的数据处理流程示意图；
图3为本发明三维电子罗盘读数示意图；
图4为本发明印模迹线的示意图；
图5为本发明法向量在初始平面坐标系的倾角示意图；
图6为本发明四个象限求值示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施应用，而非全部。基于本发明中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，实施例如下：
一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘7、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘7通过无磁柱6安装于印模胶囊1的底部，组成新的印模系统；
所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模器注压，印模器受压膨胀，其表层柔软胶层会向钻孔孔壁裂缝2挤入而留下印痕3；
同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法，具体步骤如下：
S1、定义罗盘坐标系和初始坐标系：
三维电子罗盘7在使用三维地磁传感器的基础上，增加了三轴加速度传感器，可对罗盘进行倾斜补偿，罗盘平面的倾斜变化等价为从初始位置分别依次沿Z轴-Y轴-X轴旋转z、y、x的结果；
初始坐标系XYZ下Z轴指向正上方，Y轴指向正北方，X轴指向正东方；
三维电子罗盘7记录印模时罗盘平面的倾斜变化的三个角度值(x，y，z)，根据三维电子罗盘7的外观形状定义罗盘坐标系5，罗盘坐标系5的X’轴：指定罗盘平面的一条边为X’轴，罗盘坐标系5的Y’轴：指定X’轴逆时针旋转90度方向的边为Y’，轴罗盘坐标系5的Z’轴：指定罗盘平面的法向向上为Z’轴；罗盘坐标系5的X’Y’Z’轴符合右手准则；从罗盘坐标系5原点沿X’方向延伸一条线交于印模筒圆周一点，过该点在胶筒表面划出一条竖向基线4，该基线4就是X’轴在圆周上的位置点；
S2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量：
钻孔孔轴的指向和罗盘坐标系5的Z’轴的指向相同，其向量在罗盘坐标系X’Y’Z’的坐标为(0，0，1)；
通过注压印模，可以在印模图上留下裂缝2的印痕3，沿基线4左右展开印模筒上的印痕3，使得基线4位于展示图中央，其宽度上按照方位-180—180均匀分布，查看电子罗盘在注压时刻的记录值(x、y、z)；
在一般情况下可以得到图4标识的A类型的印痕，在特殊情况下会产生平行于钻孔轴线B类型的印痕和垂直于钻孔轴线C类型的印痕；
对于A种印痕,在罗盘坐标系X’Y’Z’下：
裂隙的倾向为印痕最低点所在位置的方位。其具体计算表达式为：α‘＝x/πD，其中最低点在基线左侧，x为负值；最低点在基线右侧，x为正值倾角为印痕最高点与最低点的深度差值与钻孔直径的反余切。β‘＝atan(h/D)，D为印模器直径；
因此裂隙的法向量
Figure BDA0002589346790000041
在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(cosα‘，cos(pi/2-α‘)，cos(pi/2-β‘)；
在特殊情况下会产生B种印痕，该印痕平行与钻孔轴线，表示裂隙面平行于钻孔孔轴。其方位为α‘＝π/2+(X1+X2)/2πD，其倾角为β’＝π/2
同样x在基线左侧，为负值；x在基线右侧，为正值。
因此裂隙的法向量
Figure BDA0002589346790000042
在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(cosα‘，cos(pi/2-α‘)，0)；
在特殊情况下会产生C种印痕，该印痕表示裂隙面垂直与钻孔轴线，其方位任意，其倾角为β＝0
因此裂隙的法向量
Figure BDA0002589346790000043
在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(0，0，1)。
S3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量：
根据笛卡尔坐标系下的坐标理论，原坐标转换x0y0z0到x1y1z1公式为:
Figure BDA0002589346790000051
记R为坐标变换矩阵。
Figure BDA0002589346790000052
式中cos(x0,y1)代表为X0Y0Z0坐标系统的X轴和X1Y1Z1坐标系统的Y轴夹角的余弦值,其余类推；
三维电子罗盘平面的读数(x、y、z)是从原始位置分别依次沿Z-Y-X旋转z、y、x角度的结果。因此反过来，可以将钻孔坐标系按照X-Y-Z顺序旋转-x、-y、-z角度的恢复到初始状态。
绕x轴的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0002589346790000053
绕y轴的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0002589346790000054
绕z轴的坐标变换矩阵为：
Figure BDA0002589346790000055
因此钻孔轴线单位法向量在初始坐标下的为VBX，VBY,VBZ,
Figure BDA0002589346790000061
裂隙的法向量在原始坐标下的为VFX，VFY,VFZ,
Figure BDA0002589346790000062
由于地质结构面的倾角分布范围为0至π/2，VBZ为非负数。因此当VBZ<0时，需将VBX，VBY,VBZ,全部取负号为新的裂隙的法向量VBX，VBY,VBZ。
S4、将法向量转换为初始坐标系下产状：
法向量在原始平面坐标系的倾角为
Figure BDA0002589346790000063
法向量的方位角β,根据VBX，VBY的正负号分属坐标系四个象限求值。
钻孔轴线产状与法向量相同，可以直接利用上式求得。
裂隙面的倾向裂隙面法向量的方位一直，可以用上式求得；与裂隙面的倾角和裂隙面法向量的倾角互余，用下式求解。
Figure BDA0002589346790000064
S5、将坐标产状转换为工程地质产状：
初始坐标系下方位角是以正东方向(地质方位角为π/2)起始逆时针向度量的角度，而地质上方位角是以正北起始顺时针向度量的角度。
α0＝π/2-αB
坐标系下倾角和工程地质上倾角都是向量与XOY面的夹角，向上倾为正，向下倾为负，它们是一致的。
综上所述，与现有技术相比，本发明通过三维电子罗盘和印模器配合使用，根据罗盘测试数据和印模所得印痕的几何参数，一次测量就可以同时得到任意钻孔的走向、倾向以及裂隙面在空间的产状。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其特征在于：
所述印模系统包括用于适时存储的三维电子罗盘(7)、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘(7)通过无磁柱(6)安装于印模胶囊(1)的底部，组成新的印模系统；
所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模胶囊注压，印模胶囊受压膨胀，其表层柔软胶层会挤入钻孔孔壁的裂缝(2)而留下印痕(3)；
所述印模系统的印模方法，具体步骤如下：
S1、定义罗盘坐标系和初始坐标系；
S2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；
S3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；
S4、将法向量转换为初始坐标系下产状；
S5、将初始坐标产状转换为工程地质产状。
CN202010690958.3A 2020-07-17 2020-07-17 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法 Active CN111811461B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010690958.3A CN111811461B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010690958.3A CN111811461B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111811461A CN111811461A (zh) 2020-10-23
CN111811461B true CN111811461B (zh) 2021-11-23

Family

ID=72866077

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010690958.3A Active CN111811461B (zh) 2020-07-17 2020-07-17 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111811461B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114279405B (zh) * 2021-11-30 2024-03-22 上海米度测量技术有限公司 一种油缸根部角度测量装置及双护盾掘进机姿态测量系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2694914A1 (en) * 2011-04-07 2014-02-12 Icefield Tools Corporation Method and apparatus for determining orientation using a plurality of angular rate sensors and accelerometers
CN203572481U (zh) * 2013-12-02 2014-04-30 中国石油大学(华东) 一种野外裂缝产状测量装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1578053A (en) * 1977-02-25 1980-10-29 Russell Attitude Syst Ltd Surveying of boreholes
CN101482409B (zh) * 2009-02-09 2010-08-18 吴志刚 岩体裂隙方向和倾角测量方法
CN103983236B (zh) * 2014-06-01 2016-01-13 中国石油大学(华东) 斜井岩心裂缝定向方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2694914A1 (en) * 2011-04-07 2014-02-12 Icefield Tools Corporation Method and apparatus for determining orientation using a plurality of angular rate sensors and accelerometers
CN203572481U (zh) * 2013-12-02 2014-04-30 中国石油大学(华东) 一种野外裂缝产状测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111811461A (zh) 2020-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jaeger et al. Fundamentals of rock mechanics
CN105674945B (zh) 一种基于mems传感器的海底滑坡监测装置及监测方法
McTigue Elastic stress and deformation near a finite spherical magma body: Resolution of the point source paradox
CN110360963B (zh) 一种钻孔摄像技术的岩体结构面三维粗糙度描述方法
US20110196612A1 (en) Device orientation determination
CN106767671B (zh) 基于三维电子罗盘的地质结构面产状计算方法
CN105550448A (zh) 基于钻井轨迹设计参数的预钻井三维井眼建模方法及装置
CN105719346B (zh) 山地三维地质体建模方法及综合地学信息演示系统
CN104199115B (zh) 一种基于线性模型的地磁矢量测量误差综合补偿方法
CN111811461B (zh) 一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法
CN103389808B (zh) 一种空间鼠标及获取空间鼠标位移的方法
CN106989773A (zh) 一种姿态传感器及姿态更新方法
CN110440746A (zh) 一种基于四元数梯度下降的非开挖地下钻头姿态融合方法
Tolstoy On elastic waves in prestressed solids
CN102419457B (zh) 一种利用单个竖直钻孔的电视图像确定深部岩体结构面产状的方法
CN102748010B (zh) 姿态测量系统和方法以及油井井眼轨迹测量系统和方法
CN106703787B (zh) 一种径向水平井的井眼轨迹参数计算方法及装置
CN111123380A (zh) 基于重磁梯度数据张量不变量的目标深度估计方法及系统
CN104111063B (zh) 一种基于磁场的无线三维倾角传感器及其检测方法
CN116299740A (zh) 一种旋转矩形棱柱体的空间域重力多参量解析正演方法
CN209014171U (zh) 一种具有倾斜角测量和精确定位功能的三维土压力盒
CN206847637U (zh) 一种非接触式确定物体位置和姿态的系统
CN211904155U (zh) 电子智能式地质罗盘
JPS62146388A (ja) 試掘孔テレビユア−デイツプメタ−
Klingbeil et al. Magnetic field sensor calibration for attitude determination

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant