CN1131416C - 应变监测系统 - Google Patents

Abstract

一种用来检测深孔中固体变形的仪器(10)包括一种预压入岩层中的弹性容器(12)。容器(12)中充满了流体(14)，并且除了延伸到或接近地面(18)的小直径导出管(10)外，都是密封的。导出管(16)尾端与一种可延伸波纹管(20)相连。整个仪器完全充满流体(14)。容器(12)任何变形都会迫使流体流入导出管(16)，并且引起波纹管(20)伸长或缩短。这个运动能被如线型可调差动变压器或电容电桥等位敏传感器(22)所检测。和导出管(16)具有相同长度和尺寸的和二管(24)充满了同样的流体。管(24)底部非常接近弹性容器(12)。它同样也在地面上的管上端有一种波纹管(26)及一种位移传感器(28)。

Description

应变监测系统

技术领域

本发明涉及用于监控和检测固体应变和变形的方法和仪器，且特别涉及适用于检测地下应变的方法和仪器。

就某一方面来说，本发明涉及一种应变仪和应变监测系统，它们能够在地下深层操作，并能测量岩层运动，且不受岩层中高温产生的负面影响。

背景技术

测量地下岩层运动的钻孔应变仪和系统的应用众所周知。虽然出于商业用途设计了许多不同的应变仪及系统，但是其中大部分在操作中都存在缺陷和局限性，特别是在非常深的钻孔条件下。

一种已知的钻孔应变仪包括一种弹性金属管，用一种可膨胀砂浆将其预压入一钻孔，这样它就可以准确地跟踪岩层变形。用液压手段将岩石变形放大，且变形驱动一种小薄壁波纹管，接着波纹管再驱动一种电子传感器。所有的能量和信号通过一种电缆传到地面。大量上述设备被广泛应用。

尽管这样，由于声音随深度而降低，并在许多条件苛刻的地区，例如东京冲积层有几公里厚，而且还因为深层地震断层阻塞，所以更加灵敏的检测仪的需求日益增长，使其能够在温度很高以致于电子元件不能长期忍受的数公里深度上操作。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种应变检测系统，它能在温度非常高的数公里深地下有效工作。

本发明的另一个目的是提供一种不含下井电子元件的应变监测系统，其能够在温度非常高的数公里深处准确测量岩层运动。

上述目的通过提供一种基本封闭的容器来达到，该容器制成和设置成能够插入延伸到地层的一钻孔中。一种细长的管子从容器中延伸出来，并且于此和管子的一端以流体联通方式相连。该管长度足够使其另一端通常延伸到地面。传感装置和该管第二端相连。该流体基本充满该管和容器。容器这样制造和设置：容器周围的固体变形传递给容器，导致容器中容量变化；接着迫使流体流入管子，最终导致管子里流体容量变化。传感装置制造和设置用来检测管子流体容量的改变，从而检测固体的变形。

另一个充满流体的小钻管从地面伸入该钻孔中，并与容器非常接近，它用来补偿容器和地面之间的环境影响。

本发明的另一个目的是提供一种检测地层应力和应变的方法。该方法包括在地层钻孔中放置一种能承受较高温度的传感仪器。该仪器包括：一种容器；一个第一管子；其第一端与容器相连，且在该处以流体连通的形式，而且，其第二端通常延伸到地面。上述容器和第一管子里充满流体。本传感仪器包括与上述管子第二端相连的传感装置。

钻孔壁和容器外侧之间通过预应力形成一种紧配合，这样容器周围的岩石和固体的变形被传递到容器壁，从而导致容器和第一管子容量的改变。

利用传感装置检测第一管子中排出的流量，来检测地下层中的变形。

容器和地面之间的第一管子内流体容量的环境影响通过提供一第二管子补偿，该管子较低的一端封闭，和第一管子相比，基本上具有相同的长度、容积并装有同一种流体。补偿传感装置和上述第二管的第二端相连，用来检测和第一管子比较起来该管中容积的变化。

进一步，第一管的传感装置和第二管的补偿传感装置均包括一种柔性可膨胀的腔室和一种传感器，该方法包括测量每一个可膨胀腔室中流体水位以及确定可膨胀腔室中流体水位之差。

附图说明

考虑到下列参考附图的本发明详细描述和附加权利要求，上述这些均是本说明书的一部分，将会对本发明的其它目的、特征、特点、该结构的相关元件功能、零部件组合和制造的经济性一目了然。

优选实施方式

参考图1，可以更好地理解本发明，图1是一种传感仪器的示意图，该传感仪器位于地层一钻孔中并与地表的一种测量系统相连。

传感仪器，如图中所示10，包括一种弹性钢管或容器12，它被预应力压入固体或岩石的孔13末端，这样它可以精确地记录岩石中最小变形。因此形成的容器12充满流体14，并且除了一个小直径的导出管16外它是密封的，管16延伸到或接近地球表面18。一种可延长的波纹管20与管16一端通常在地球表面18处相连。容器12和管16完全充满液体14。容器12任何变形都会导致流体14被压入管16，并且促使波纹管20延伸。一旦变形结束，波纹管就会恢复正常的松弛状态。波纹管20的运动均能够被任何位敏传感器22检测到，例如一种线型可调差动变压器或电容电桥。波纹管20和传感器22组成仪器10的第一传感装置。

所用的流体14是能适合设备结构的任何一种流体，例如USP3,635,076中描述的，在此作为参考。虽然三氯甲烷饱和液和其它流体均可使用，但优先地采用与本发明目的相适应的硅油。

仪器10还包括与管16相比具有相同长度和直径的管24。管24同样充满液体14。管24底端25中断或封闭，而在另一端处与波纹管26相连。一种与第一管16的传感器22相同的位移传感器28和波纹管26相连。波纹管26和传感器28构成仪器10的补偿传感装置。

因此，地球表面的传感装置包括：可延伸的薄壁、充满液体的波纹管20和26，其分别和一种线型可变差动变压器或一种可变电容电桥或其它合适的装置22和28相连。这些差动变压器的电压输出全都是数字化的，通常使用20或24位AD转换器，且其结果数据存入计算机中(没有画出)。从波纹管20产生的信号中减去波纹管26产生的信号，其作用在下文中将一目了然。

第二个管24和波纹管26的作用如下：因为仪器10要安置在相当深处，即约一英里或更深处，所以管16就较长且可能容量相当大。孔13中任何温度和压力的变化都会改变管16中流体容量，并导致波纹管延伸失真。在相对应的管24和波纹管26中将会出现完全或近乎完全相同的延伸。从波纹管20的延伸量中减去波纹管26的延伸量就可以得到使容器12变形的真正岩层信号。

仪器10被放入地下所需深度的位置，其方法为：通过钻孔13达到所需深度，通过灌注混凝土30的方式用连接结构填充孔13的较低部位，并把容器12向下放入混凝土30中。采用一种膨胀水泥，灌注混凝土固化膨胀，所以立刻把容器12壁和周围的结构连接起来。在已被公开的仪器10中，当灌注水泥固化后，容器12的预应力一般是每平方英寸71bs。

当周围结构应变变化时，孔13将会变形，且容器12壁会随着变形。当容器壁变形时，容器12中流体14容量就会发生变化，因此此处流体压力变化，该变化通过导出管16以液压形式传递到地面，而且该变化可被可延伸波纹管20检测到。容器12的壁厚选择要使得此处刚度和周围结构的刚度等同。

可延伸波纹管20和26，如薄壁金属圆筒风箱，如USP 3,635,076中描述的与差动变压器相连。此变压器以一种本领域中众所周知的方式提供波纹管长度变化的电子显示。

由于管16中的流体对地面来说是连续的，所以可以通过选择流体密度，使容器12中的压力与周围压力近似相等。故此，管壁越薄，测量岩石变形越有效。另外，容器中的高工作压力可抑制流体的沸点。

可以这样来评价：传感器提供了一种有效测量固体应变和变形的手段。因为还不存在一种下井电子仪器，因此工作温度没有限制。提供第二管子确保传感精度而无需考虑仪器中温度或压力的变化。进一步地，传感器是压力平衡的，不再需要削弱了变形信号的厚壁管子。

由此可以看出本发明的目的已经圆满有效地完成。尽管这样，需要指出的是，以说明本项发明结构和功能原理为目的，上述优选实施例已经给出且加以描述，并且在不背离这些原理的前提下应有改变的余地。因此，本发明包括了包含下述权利要求宗旨在内的所有改进。

Claims (12)

1.一种用来检测地下岩层中数公里深度处应变和变形的仪器，包括：

一种被制造和设置成能被插入延伸到地下岩层中钻孔的封闭的容器；

一种从所述容器中延伸出来的细长管，该细长管在第一端处与容器流体联通，该细长管的长度使其第二端可以延伸至地面；

传感装置与该管的第二端相连，

一种填充所述容器和管的流体；

一种充满流体的细长补偿管，其长度使之第一端在地面上，而第二端到达上述容器，该第二端封闭，

和所述补偿管的第一端相连的补偿传感装置，

所述容器制造和设置成这样，传到容器上的容器周围地下岩层的变形能引起所述容器中容量的变化，迫使流体流入所述管，从而改变管中流体容量，所述传感装置制造和设置成用来检测所述管中容量的变化，从而检测地下岩层的变形，所述补偿传感装置制造和设置成用来检测补偿管中流体容量的变化，用来补偿容器与地面之间的环境影响。

2.根据权利要求1的一种仪器，其特征在于，还包括位于所述容器和钻孔之间的连接结构，所述连接结构制造和设置成通过安装时预压容器壁刚性连接容器的外壁和钻孔壁，这样就把钻孔周围地下岩层的变形传递到容器壁。

3.根据权利要求2的一种仪器，其特征在于，所说的连接结构包括一种可膨胀的混凝土。

4.根据权利要求1的一种仪器，其特征在于，传感装置包括一第一波纹管，该波纹管通过所述管和容器中的流体连通，还包括和波纹管相连并被其操作的差动变压器。

5.根据权利要求1的一种仪器，其特征在于，传感装置包括一种可延伸的薄壁波纹管，该波纹管和一种能产生代表波纹管中流体水位信号的传感器相连。

6.根据权利要求5的一种仪器，其特征在于，所述传感器是一种可变差动变压器。

7.根据权利要求5的一种仪器，其特征在于，传感器是一种电容电桥。

8.根据权利要求1的一种仪器，其特征在于，补偿传感装置包括一种和传感器相连的可延伸补偿波纹管，该传感器可生成代表补偿波纹管中流体水位的信号。

9.根据权利要求1的一种仪器，其特征在于，所说的流体是硅油或三氯甲烷饱和液之一。

10.一种用来检测地下岩层应变和变形的设备，包括：

一种可插入延伸到地下岩层中的钻孔中的封闭的容器；

一第一管，该第一管具有一第一端和第二端，其第一端和容器上部相连，所述第一管的长度使所述第二端可以设置在地面上；

和上述管的第二端相连的第一传感装置，

一种流体充满容器并与容器内壁流体联通并充满第一管；

设置在所述容器和钻孔之间的连接结构，该连接结构构造和设置为把容器壁与钻孔壁连接起来，这是通过安装时预压容器壁而实现的，从而可将钻孔周围地下岩层的变形传给容器壁，从而导致容器中流体容量的变化；

充满流体的第二管也有第一端和第二端，该第二管的长度使其第一端到达所述容器的上部；而第二端在地面上；

和所述第二管的第二端连接的第二传感装置，

第二管的第一端是封闭的，所述容器这样制造和设置，地下岩层的变形传递到容器，引起容器中容量的改变，迫使流体流入第一管，而使该第一管中的流体移动，所述第一传感装置制造和设置成用来检测上述第一管中流体的移动量，从而可检测到地下岩层的变形，所述第二传感装置制造和设置成用来检测第二管中流体的移动，从而补偿容器和地面之间的环境影响。

11.一种用来检测地下岩层中应变和变形的方法，包括：

将一个传感仪器放置于地下岩层中的钻孔中承受高温，所述传感仪器包括一个容器，一第一管，该管第一端和容器相连，并与之流体联通，而第一管的第二端在地球表面上，所述容器和所述第一管都充满了流体，所述传感仪器包括和第一管的第二端相连的传感装置；

在钻孔壁和容器外壁之间设置连接结构而形成一种预应力紧配合，这样钻孔周围地下岩层的变形就可以传给容器壁，从而导致容器中容量的变化和第一管内流体的移动；

利用上述传感装置检测第一管内流体移动量，就可检测地下岩层的变形；

为了补偿容器和地面之间环境因素对第一管内流体容量的影响，又设计了第二管，其较低一端封闭，和第一管相比，其长度、容量相等，并充满了同种流体，补偿传感装置和第二管的第二端相连，用来检测第二管中流体的移动，该第二管中流体的移动量与所述第一管中流体流动量相比较。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，第一管的传感装置和第二管的补偿传感装置均包括一种柔性可膨胀的腔室和一种传感器，该方法包括测量每一个可膨胀腔室中流体水位以及确定可膨胀腔室中流体水位之差。