CN114441073B - 一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法，该系统包括孔外地面控制组件、孔内地应力测试组件以及设于孔外地面控制组件和孔内地应力测试组件之间的电缆线和马龙头；孔外地面控制组件包括彼此通信连接的地面控制器和交流电供电装置；孔内地应力测试组件包括电子智能采集控制系统、应力解除与智能按压应变采集系统、液压动力平衡系统以及单臂反向定位支撑系统；通过电子智能采集控制系统接收地面控制器传输的命令以控制单臂反向定位支撑系统、应力解除与智能按压应变采集系统和液压动力平衡系统工作，同时记录应力解除与智能按压应变采集系统采集的应变数据并传输到地面控制器，通过地面控制器分析处理获得所需要测量的地应力值。

Description

一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法

技术领域

本发明属于地应力测试技术领域，更具体地，涉及一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法。

背景技术

高地应力区在水利水电工程中是需要密切关注的对象。我国是水利水电工程大国，有庞大的已建或在建水利水电项目，特别在地质情况复杂、地应力高的西部高原山区地区极为突出，规模居世界前列。在高地应力区进行坝基开挖、地下硐室施工以及水库蓄水等均会导致地应力状态的改变，从而引起岩爆、塌方、软岩大变形等地质灾害的发生，危害人民群众生命财产安全。国内已建的水电工程中，双江口电站高地应力区、太平驿水电站引水隧洞、官地电站、锦屏二级水电站深埋引水隧道等工程均遭遇过岩爆的威胁，而获取地应力场的分布信息是了解岩爆孕育规律过程中最重要的基础参数之一。因此，开展地应力原位测试对保障水利工程安全、优化建设施工方案具有重要意义。

目前，地应力原位测试方法通常采用水压致裂法和应力解除法。水压致裂法是对井中某一测试段进行封隔后注水加压，并记录下压力随时间变化曲线，通过分析使裂隙张开、产生、扩展、维持和再张开所需要的流体压力来反算得到远场地应力。应力解除法则将测量点处的岩石样本与周围岩体的应力场中进行分离，结合应力-应变关系和岩石变形参数，由应力解除过程中记录得到的应变反算得到远场地应力。但水压致裂法需要假设地应力某一主应力方向与钻孔轴线一致，大小与上覆岩层重量相等，但这一假设在深部岩体环境中并不成立，并且在岩石完整性较好的地层中很难产生微裂隙，可能导致试验的失败。

而应力解除法对地应力方向没有任何假设，更适用于深部岩体的地应力测算，但在深孔中直接进行地应力原位测量的方法设备十分稀缺，且根据《水利水电工程钻探规程》（SL291-2003，水利水电工程中常见的勘察钻孔孔径一般为91mm至150mm，而目前已研制的局部壁面应力解除法设备适用于150mm至250mm的测试孔径，不适用于水利水电工程的勘探工作。其他通过测井方法等间接手段获取地应力信息的方式则存在准确性难以保证，且缺乏足够的精度等严重问题；因此急需一种适用于水利水电工程勘察的小型深钻孔（孔径91mm～150mm；孔深＞1000m）局部壁面应力解除法原位测试设备。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法，通过在地面控制器的控制下准确下放孔内地应力测试组件到孔内指定位置时，通过反向定位支撑臂向需要应力解除壁面的反方向伸出支撑壁，将设备推靠到需要应力解除的壁面一侧并定位固定，与此同时，按压式应变片伸出并贴合到所测壁面上后应力解除探头伸出进行壁面应力解除，以此完成壁面应力解除，保证了反推地应力值的可靠程度；本发明采用局部壁面应力解除方法，可保证在钻探结束后将该设备继续放下对任意壁面进行应力解除，不必受下探钻孔深度限制，能够避免了现有技术需在孔底进行壁面应力解除，保证了应力解除的成功率，极大地提高了深孔地应力测量的准确性；本发明采用按压式智能应变测试装置进行壁面微小应变测量以解决深孔有液环境下粘贴式应变片无法粘贴、操作难度大及准确性受到极大干扰的问题；本发明能够解决现有技术的地应力测试受下探钻孔深度限制而仅能对孔底应力进行解除，且局部壁面应力解除法设备不能适用于水利水电工程勘察的小型深钻孔应力测试的问题。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，包括孔外地面控制组件、孔内地应力测试组件以及设于所述孔外地面控制组件和所述孔内地应力测试组件之间的电缆线和马龙头；其中，

所述孔外地面控制组件包括设于孔外同一侧地面彼此通信连接的地面控制器和交流电供电装置；所述孔内地应力测试组件包括由上而下依次设置且通信连接的电子智能采集控制系统、应力解除与智能按压应变采集系统、液压动力平衡系统以及设于所述电子智能采集控制系统下方的单臂反向定位支撑系统；

所述马龙头设于所述孔内地应力测试组件的顶部，所述电缆线的一端与所述交流电供电装置相连，另一端与所述马龙头相连；所述孔内地应力测试组件用于对待测量地应力点进行应力解除并记录应力解除过程中应变变化情况；所述交流电供电装置用于为所述孔内地应力测试组件的电子元件供电；所述地面控制器用于控制所述孔内地应力测试组件的下放、定位和数据分析；通过所述电子智能采集控制系统接收所述地面控制器所传输的命令以控制所述单臂反向定位支撑系统、应力解除与智能按压应变采集系统和液压动力平衡系统的工作，同时记录所述应力解除与智能按压应变采集系统所采集到的应变数据并传输到地面控制器；通过地面控制器的数据计算分析处理系统分析处理应力解除与智能按压应变采集系统采集的应变数据进而获得所需要测量的地应力值。

进一步地，所述电子智能采集控制系统包括双层外壳、设于所述双层外壳顶部的第一连接接头、设于所述双层外壳底部的第二连接接头以及设于所述双层外壳内部的电子控制采集单元；

所述第一连接接头的顶部与所述马龙头相连；

所述第二连接接头与所述应力解除与智能按压应变采集系统、单臂反向定位支撑系统及液压动力平衡系统分别通过信号传输线连接。

进一步地，所述电子控制采集单元包括设于所述双层外壳内壁的防水耐压单元、由上而下设于所述防水耐压单元内的信号处理器、数据记录元件以及命令控制传输单元；通过信号处理器接收所述地面控制器所传输的命令并通过所述命令控制传输单元传送给所述单臂反向定位支撑系统、应力解除与智能按压应变采集系统和液压动力平衡系统，通过所述数据记录元件记录所述应力解除与智能按压应变采集系统所采集到的应变数据并传输到所述地面控制器，完成深孔壁面微小应变的采集和记录。

进一步地，所述单臂反向定位支撑系统包括支撑外壳、转动设于所述支撑外壳上的液压连接杆、设于所述液压连接杆上的齿轮泵、设于所述齿轮泵上的支撑臂以及设于所述支撑外壳上与所述齿轮泵相连的液压驱动组件；

所述液压驱动组件包括与所述齿轮泵相连的液压缸和设于所述液压缸上的电磁阀，通过所述电磁阀控制所述液压缸给所述齿轮泵供给能量，进而通过所述齿轮泵控制所述支撑臂向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位。

进一步地，所述应力解除与智能按压应变采集系统包括应力解除单元和应变测量采集单元；

所述应力解除单元包括带出舱口外壳、侧向探出设于所述带出舱口外壳侧壁上的应力解除钻探单元、设于所述带出舱口外壳内部与所述应力解除钻探单元导线相连的马达、交变电机；所述应力解除钻探单元通过所述交变电机提供动力进行钻探进而将深孔壁面应力解除；

所述应变测量采集单元包括设于所述应力解除钻探单元远离钻头一端的探头底座、设于所述探头底座上的按压式应变测量探头、与所述探头底座导线连接的应变记录仪、与所述应变记录仪导线连接的液压单元；所述应力解除钻探单元和所述按压式应变测量探头通过所述探头底座固定在一起；所述应变记录仪记录所述应力解除钻探单元在应力解除过程中按压式应变测量探头感应应变的变化情况，并通过所述电子智能采集控制系统上的数据记录元件和命令控制传输单元将数据传输到操作地面控制器并记录。

进一步地，所述带出舱口外壳上还设有第三连接接头和固定装置；所述第三连接接头在所述带出舱口外壳的顶部和底部分别设置，顶部的接头用于与所述电子智能采集控制系统和所述单臂反向定位支撑系统相连，底部的所述第三连接接头用于与所述液压动力平衡系统相连；所述固定装置用于与其他部件相固定。

本发明的另一个方面提供一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，包括如下步骤：

S1：勘察钻孔,在待测量地应力地点勘察钻孔；钻孔孔径应确保能够容纳孔内地应力测试组件下探到地应力测试点；

S2：将孔内地应力测试组件与孔外地面控制组件通信连接后，通过地面控制器将孔内地应力测试组件下放到预设测量深度；

S3：通过地面控制器发出控制指令并通过电子智能采集控制系统传达给单臂反向定位支撑系统将孔内地应力测试组件反向推靠到需要应力解除的壁面一侧；

S4：通过地面控制器控制应力解除与智能按压应变采集系统，使得按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上；

S5：通过地面控制器控制应力解除钻探单元进行应力解除，并通过应变记录仪记录应力解除过程中应变的变化情况，并通过电子智能采集控制系统将数据传输到地面控制器；

S6：通过地面控制器控制孔内地应力测试组件前往下一个测试点所在位置，重复步骤S1～S5，待全部预设点应力解除完毕后，取出孔内地应力测试组件，通过地面控制器分析处理得到所需要测量的地应力值；

进一步地，步骤S3还包括操作人员通过操作地面控制器将操作指令通过电子智能采集控制系统传达给单臂反向定位支撑系统，通过电磁阀控制液压缸给齿轮泵供给能量，通过齿轮泵控制支撑臂向需要应力解除壁面的反方向展开，进而将孔内地应力测试组件反向推靠到需要应力解除的壁面一侧，并支撑在孔壁上。

进一步地，步骤S4还包括操作人员通过操作地面控制器发出伸出按压式应变片的指令并通过电子智能采集控制系统将该指令传达给应力解除与智能按压应变采集系统，应变测量采集单元将按压式应变片通过出舱口送出并通过按压仪器将按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上。

进一步地，步骤S5还包括操作人员操作地面控制器将应力解除的指令通过电子智能采集控制系统传达给应力解除与智能按压应变采集系统和液压动力平衡系统，随后应力解除钻探单元通过出舱口将钻探应力解除钻头送达壁面，开始进行应力解除，同时启动液压动力平衡系统工作，使得孔内地应力测试组件内部压力与孔内地应力测试组件外部的钻井压力保持平衡，保证孔内地应力测试组件正常工作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

（1）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，在地表控制器的控制下准确下放到孔内指定位置时，反向定位支撑臂向需要应力解除壁面的反方向伸出支撑壁，将设备推靠到需要应力解除的壁面一侧并定位固定，与此同时，按压式应变片伸出并贴合到所测壁面上后应力解除探头伸出进行壁面应力解除，以此完成壁面应力解除，保证了反推地应力值的可靠程度。该设备避免了在孔底进行壁面应力解除，保证了应力解除的成功率，极大地提高了深孔地应力测量的准确性。

（2）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，通过采用单臂侧向定位支撑，在支撑外壳上设支撑槽口，在支撑槽口上转动设置液压连接杆、在液压连接杆上设齿轮泵，在齿轮泵上设可向外旋转伸展的支撑臂，通过电磁阀控制液压缸给齿轮泵供给能量，进而通过齿轮泵控制所述支撑臂向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位；本发明的单臂侧向定位支撑整体上不占用额外空间，使本发明的孔内地应力测试组件的直径与现有深孔孔内地应力测试组件相比有了极大的减小，使其可以满足适用于水利水电工程的150mm钻孔的工作环境且准确测试出深孔中的地应力。

（3）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，采用局部壁面应力解除，可保证在钻探结束后将该设备放下对任意壁面进行应力解除，不必受下探钻孔深度限制而仅能对孔底应力进行解除。

（4）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，采用按压式智能应变测试装置进行壁面微小应变测量以解决深孔有液环境下粘贴式应变片无法粘贴、操作难度大及准确性受到极大干扰的问题。

（5）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，由于应变片受温度等外部因素的影响，在温度变化时，应变片中的电阻也会随之改变，会导致获取应变存在较大误差，同时由于采用按压应变获取装置，按压的微小应力也会导致获取的应变存在误差；对此，采用实验室专用设备对按压式应变获取装置进行标定，以保证应变数据的准确性。

（6）本发明的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，所用电子元件均采用特殊密封防水设计，且外壳采用双层外壳，保证设备各部分在深孔高温高压的复杂环境下依旧能准确完成工作，保证设备运作、数据获取、数据记录、数据传输的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统的电子智能采集控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统的单臂反向定位支撑系统的结构示意图；

图4为本发明实施例一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统的应力解除与智能按压应变采集系统的结构示意图；

图5为本发明实施例一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法的流程示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-孔外地面控制组件、11-地面控制器、12-交流电供电装置、2-孔内地应力测试组件、21-电子智能采集控制系统、211-双层外壳、212-第一连接接头、213-第二连接接头、214-电子控制采集单元、215-防水耐压单元、216-信号处理器、217-数据记录元件、218-命令控制传输单元、22-单臂反向定位支撑系统、221带支撑口外壳、222-齿轮、223-支撑臂、224-液压连接杆件、225-液压缸、226-电磁阀、23-应力解除与智能按压应变采集系统、231-应力解除单元、232-应变测量采集单元、233-带出舱口外壳、234-应力解除钻探单元、235-马达、236-交变电机、237-第三连接接头、238-探头底座、239-按压式应变测量探头、240-应变记录仪、241-液压单元、24-液压动力平衡系统、25-信号传输线、3-电缆线、4-马龙头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，当元件被称为“固定于”、“设置于”或“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上；术语“安装”、“相连”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，本发明提供一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，包括孔外地面控制组件1、孔内地应力测试组件2以及设于所述孔外地面控制组件1和所述孔内地应力测试组件2之间的电缆线3和马龙头4；所述孔外地面控制组件1包括设于孔外同一侧地面彼此通信连接的地面控制器11和交流电供电装置12；所述马龙头4设于所述孔内地应力测试组件2的顶部，所述电缆线3的一端与所述交流电供电装置12相连，另一端与所述马龙头4相连；所述孔外地面控制组件1用于控制所述孔内地应力测试组件2的下放和应力解除，并分析处理所述孔内地应力测试组件采集的应力数据获得所需要测量的地应力值；所述孔内地应力测试组件2用于对待测量地应力点进行应力解除并记录应力解除过程中应变变化情况；所述电缆线3和马龙头4用于将所述孔外地面控制组件1的控制指令传输给所述孔内地应力测试组件2，并将所述孔内地应力测试组件2采集的地应变变化数据传输给所述孔外地面控制组件1；通过所述电缆线3和马龙头4将所述孔外地面控制组件1的控制指令传输给所述孔内地应力测试组件2的电子智能采集控制系统21，并将所述孔内地应力测试组件2采集的地应变变化数据传输给所述孔外地面控制组件1；通过地面控制组件1的数据计算分析处理系统分析处理所述孔内地应力测试组件2采集的应力数据以获得所需要测量的地应力值；本发明采用局部壁面应力解除，可保证在钻探结束后将该设备放下对任意壁面进行应力解除，能够解决现有技术的地应力测试受下探钻孔深度限制而仅能对孔底应力进行解除且局部壁面应力解除法设备不能适用于水利水电工程勘察的小型深钻孔局部壁面应力解除的应力测试的问题。

进一步地，如图1-4所示，所述孔内地应力测试组件2包括由上而下依次设置且通信连接的的电子智能采集控制系统21、应力解除与智能按压应变采集系统23、液压动力平衡系统24以及设于所述电子智能采集控制系统21下方的单臂反向定位支撑系统22；通过所述电子智能采集控制系统21接收所述地面控制器11所传输的命令以控制所述单臂反向定位支撑系统22、应力解除与智能按压应变采集系统23和液压动力平衡系统24的工作，同时记录应力解除与智能按压应变采集系统23所采集到的应变数据并传输到地面控制器；通过采用所述反向定位支撑系统进行单臂侧向定位支撑，使本发明的孔内地应力测试组件的直径与现有深孔孔内地应力测试组件相比有了极大的减小，使其可以满足适用于水利水电工程的150mm钻孔的工作环境且准确测试出深孔中的地应力。

进一步地，如图1-4所示，所述电子智能采集控制系统21包括双层外壳211、设于所述双层外壳211顶部的第一连接接头212、设于所述双层外壳211底部的第二连接接头213以及设于所述双层外壳211内部的电子控制采集单元214；所述第一连接接头212的顶部与所述马龙头4相连；所述第二连接接头213与所述应力解除与智能按压应变采集系统23、单臂反向定位支撑系统22及液压动力平衡系统24分别通过信号传输线25连接；所述电子控制采集单元214包括设于所述双层外壳211内壁的防水耐压单元215、由上而下设于所述防水耐压单元215内的信号处理器216、数据记录元件217以及命令控制传输单元218；通过信号处理器216接收所述地面控制器11所传输的命令并通过所述命令控制传输单元218传送给所述单臂反向定位支撑系统22、应力解除与智能按压应变采集系统23和液压动力平衡系统24，通过所述数据记录元件217记录所述应力解除与智能按压应变采集系统23所采集到的应变数据并传输到地面控制器11，完成深孔壁面微小应变的采集和记录；本发明设备所用电子元件均采用特殊密封防水设计，且外壳采用双层外壳，保证设备各部分在深孔高温高压的复杂环境下依旧能准确完成工作，保证设备运作、数据获取、数据记录、数据传输的准确性。

进一步地，如图1-4所示，所述单臂反向定位支撑系统22包括支撑外壳221、转动设于所述支撑外壳221上的液压连接杆224、设于所述液压连接杆224上的齿轮泵222、设于所述齿轮泵222上的支撑臂223以及设于所述支撑外壳221上与所述齿轮泵222相连的液压驱动组件；所述支撑外壳221的侧面设有槽型支撑口；所述液压驱动组件包括与所述齿轮泵222相连的液压缸225和设于所述液压缸225上的电磁阀226；所述液压缸225、所述齿轮泵222、所述电磁阀226通过油管相连接；待整个孔内地应力测试组件2到达应力解除区时，通过所述电磁阀226控制所述液压缸225给所述齿轮泵222供给能量，进而通过所述齿轮泵222控制所述支撑臂223向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位；本发明的孔内地应力测试组件通过采用单臂侧向定位支撑，在支撑外壳上设支撑槽口，在支撑槽口上转动设置液压连接杆、在液压连接杆上设齿轮泵，在齿轮泵上设可向外旋转伸展的支撑臂，通过电磁阀控制液压缸给齿轮泵供给能量，进而通过齿轮泵控制所述支撑臂向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位；本发明的单臂侧向定位支撑整体上不占用额外空间，使本发明的孔内地应力测试组件的直径与现有深孔孔内地应力测试组件相比有了极大的减小，使其可以满足适用于水利水电工程的150mm钻孔的工作环境且准确测试出深孔中的地应力。

进一步地，如图1-4所示，所述应力解除与智能按压应变采集系统23包括应力解除单元231和应变测量采集单元232；所述应力解除单元231包括带出舱口外壳233、侧向探出设于所述带出舱口外壳233侧壁上的应力解除钻探单元234、设于所述带出舱口外壳233内部与所述应力解除钻探单元234相连的马达235以及交变电机236；所述带出舱口外壳233上还设有第三连接接头237和固定装置；所述应力解除钻探单元234通过所述交变电机236提供动力进行钻探进而将深孔壁面应力解除；所述第三连接接头237在所述带出舱口外壳233的顶部和底部分别设置，顶部的接头用于与所述电子智能采集控制系统21和所述单臂反向定位支撑系统22相连，底部的连接接头用于与所述液压动力平衡系统24相连；所述固定装置用于与其他部件相固定；所述应变测量采集单元232包括设于所述应力解除钻探单元234远离钻头一端的探头底座238、设于所述探头底座238上的按压式应变测量探头239、与所述探头底座238导线连接的应变记录仪240、与所述应变记录仪240导线连接的液压单元241；所述应力解除钻探单元234和所述按压式应变测量探头239通过所述探头底座238固定在一起；所述应变记录仪240记录所述应力解除钻探单元234在应力解除过程中按压式应变测量探头239感应应变的变化情况，并通过所述电子智能采集控制系统21上的数据记录元件217和命令控制传输单元218将数据传输到操作地面控制器11并记录；由于应变片受温度等外部因素的影响，在温度变化时，应变片中的电阻也会随之改变，会导致获取应变存在较大误差，同时由于采用按压应变获取装置，按压的微小应力也会导致获取的应变存在误差；对此，需对按压式应变获取装置进行标定；标定装置采用实验室专用设备来标定，保证应变数据的准确性；本发明采用按压式智能应变测试装置进行壁面微小应变测量以解决深孔有液环境下粘贴式应变片无法粘贴、操作难度大及准确性受到极大干扰的问题。

进一步地，如图1-4所示，所述液压动力平衡系统24设于所述应力解除与智能按压应变采集系统23的底部；用于使得孔内地应力测试组件2内部压力与孔内地应力测试组件2外部的钻井压力保持平衡，进而保证孔内地应力测试组件2正常工作。

如图5所示，本发明的另一个方面提供一种适用于水利勘察钻孔的小孔径深孔地应力测试方法，包括如下步骤：

S1：勘察钻孔,在待测量地应力地点勘察钻孔；具体地在水利工程现场所需测量地应力地点进行水利勘察钻孔，钻孔孔径应符合《水利水电工程钻探规程》（SL291-2003）要求以确保能够容纳孔内地应力测试组件2下探到地应力测试点；

S2：孔内地应力测试组件下放,将孔内地应力测试组件与孔外地面控制组件通信连接后，通过地面控制器将孔内地应力测试组件下放到预设测量深度；具体地，将孔内地应力测试组件2通过电缆线3及马龙头4与地面控制器11相连后将孔内地应力测试组件2放入钻孔内，由操作人员操作地面控制器11将孔内地应力测试组件2下放到预设测量深度；

S3：孔内地应力测试组件的定位固定，通过地面控制器发出控制指令并通过电子智能采集控制系统传达给单臂反向定位支撑系统将孔内地应力测试组件2反向推靠到需要应力解除的壁面一侧；具体地，将孔内地应力测试组件2在钻孔内下放并到达预设深度后，由操作人员通过操作地面控制器11将操作指令通过电子智能采集控制系统21传达给单臂反向定位支撑系统22，通过所述电磁阀226控制所述液压缸225给所述齿轮泵222供给能量，通过所述齿轮泵222控制所述支撑臂223向需要应力解除壁面的反方向展开，进而将孔内地应力测试组件2反向推靠到需要应力解除的壁面一侧，并支撑在孔壁上；

S4：按压式应变片与需要应力解除壁面的贴合，通过地面控制器控制应力解除与智能按压应变采集系统，使得按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上；具体地，在单臂反向定位支撑系统22定位支撑完成后，操作人员通过操作地面控制器11发出伸出按压式应变片的指令并通过电子智能采集控制系统21将该指令传达给应力解除与智能按压应变采集系统23，应变测量采集单元232将按压式应变片通过出舱口送出并通过按压仪器将按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上；

S5：应力解除并记录应变变化情况，通过地面控制器控制应力解除钻探单元进行应力解除，并通过应变记录仪记录应力解除过程中应变的变化情况，并通过电子智能采集控制系统21将数据传输到地面控制器；具体地，

记录当按压式应变片贴合后，操作人员操作地面控制器11将应力解除的指令通过电子智能采集控制系统21传达给应力解除与智能按压应变采集系统23和液压动力平衡系统24，随后应力解除钻探单元234通过出舱口将钻探应力解除钻头送达壁面，开始进行应力解除，与此同时通过应变记录仪记录应力解除过程中应变的变化情况，并通过电子智能采集控制系统21将数据传输到地面控制器11并记录；同时启动液压动力平衡系统8工作，使得孔内地应力测试组件2内部压力与孔内地应力测试组件2外部的钻井压力保持平衡，保证孔内地应力测试组件2正常工作；

S6：通过地面控制器控制孔内地应力测试组件前往下一个测试点所在位置，重复步骤S1～S6，待全部预设点应力解除完毕后，取出孔内地应力测试组件，通过地面控制器分析处理得到所需要测量的地应力值；具体地，上述测量点应力解除完毕后，由操作人员通过地面控制器11控制孔内地应力测试组件2前往下一个测试点所在位置，重复上述步骤，当所有预设点均完成应力解除过程并采集到数据后，将孔内地应力测试组件2取出井外，通过地面控制器11中的数据计算分析处理系统分析处理得到所需要测量的地应力值。

本发明提供的一种适用于水利勘察钻孔的小孔径深孔地应力测试系统的工作原理：通过在地面控制器的控制下准确下放孔内地应力测试组件到孔内指定位置时，通过反向定位支撑臂向需要应力解除壁面的反方向伸出支撑壁，将设备推靠到需要应力解除的壁面一侧并定位固定，与此同时，按压式应变片伸出并贴合到所测壁面上后应力解除探头伸出进行壁面应力解除，以此完成壁面应力解除，保证了反推地应力值的可靠程度；本发明避免了在孔底进行壁面应力解除，保证了应力解除的成功率，极大地提高了深孔地应力测量的准确性；本发明采用局部壁面应力解除，可保证在钻探结束后将该设备继续放下对任意壁面进行应力解除，不必受下探钻孔深度限制而仅能对孔底应力进行解除；本发明采用按压式智能应变测试装置进行壁面微小应变测量以解决深孔有液环境下粘贴式应变片无法粘贴、操作难度大及准确性受到极大干扰的问题；本发明设备所用电子元件均采用特殊密封防水设计，且外壳采用双层外壳，保证设备各部分在深孔高温高压的复杂环境下依旧能准确完成工作，保证设备运作、数据获取、数据记录、数据传输的准确性；本发明能够解决现有技术的地应力测试受下探钻孔深度限制而仅能对孔底应力进行解除，且局部壁面应力解除法设备不能适用于水利水电工程勘察的小型深钻孔局部壁面应力解除的应力测试的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：包括孔外地面控制组件（1）、孔内地应力测试组件（2）以及设于所述孔外地面控制组件（1）和所述孔内地应力测试组件（2）之间的电缆线（3）和马龙头（4）；其中，

所述孔外地面控制组件（1）包括设于孔外同一侧地面彼此通信连接的地面控制器（11）和交流电供电装置（12）；所述孔内地应力测试组件（2）包括由上而下依次设置且通信连接的电子智能采集控制系统（21）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）、液压动力平衡系统（24）以及设于所述电子智能采集控制系统（21）下方的单臂反向定位支撑系统（22）；

所述单臂反向定位支撑系统（22）包括支撑外壳（221）、转动设于所述支撑外壳（221）上的液压连接杆（224）、设于所述液压连接杆（224）上的齿轮泵（222）、设于所述齿轮泵（222）上的支撑臂（223）以及设于所述支撑外壳（221）上与所述齿轮泵（222）相连的液压驱动组件；

所述液压驱动组件包括与所述齿轮泵（222）相连的液压缸（225）和设于所述液压缸（225）上的电磁阀（226），通过所述电磁阀（226）控制所述液压缸（225）给所述齿轮泵（222）供给能量，进而通过所述齿轮泵（222）控制所述支撑臂（223）向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位；

所述马龙头（4）设于所述孔内地应力测试组件（2）的顶部，所述电缆线（3）的一端与所述交流电供电装置（12）相连，另一端与所述马龙头（4）相连；所述孔内地应力测试组件（2）用于对待测量地应力点进行应力解除并记录应力解除过程中应变变化情况；所述交流电供电装置（12）用于为所述孔内地应力测试组件（2）的电子元件供电；所述地面控制器（11）用于控制所述孔内地应力测试组件（2）的下放、定位和数据分析；通过所述电子智能采集控制系统（21）接收所述地面控制器（11）所传输的命令以控制所述单臂反向定位支撑系统（22）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24）的工作，同时记录所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）所采集到的应变数据并传输到地面控制器（11）；通过地面控制器（11）的数据计算分析处理系统分析处理应力解除与智能按压应变采集系统（23）采集的应变数据进而获得所需要测量的地应力值。

2.根据权利要求1所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述电子智能采集控制系统（21）包括双层外壳（211）、设于所述双层外壳（211）顶部的第一连接接头（212）、设于所述双层外壳（211）底部的第二连接接头（213）以及设于所述双层外壳（211）内部的电子控制采集单元（214）；

所述第一连接接头（212）的顶部与所述马龙头（4）相连；

所述第二连接接头（213）与所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）、单臂反向定位支撑系统（22）及液压动力平衡系统（24）分别通过信号传输线（25）连接。

3.根据权利要求2所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述电子控制采集单元（214）包括设于所述双层外壳（211）内壁的防水耐压单元（215）、由上而下设于所述防水耐压单元（215）内的信号处理器（216）、数据记录元件（217）以及命令控制传输单元（218）；通过信号处理器（216）接收所述地面控制器（11）所传输的命令并通过所述命令控制传输单元（218）传送给所述单臂反向定位支撑系统（22）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24），通过所述数据记录元件（217）记录所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）所采集到的应变数据并传输到所述地面控制器（11），完成深孔壁面微小应变的采集和记录。

4.根据权利要求3所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）包括应力解除单元（231）和应变测量采集单元（232）；

所述应力解除单元（231）包括带出舱口外壳（233）、侧向探出设于所述带出舱口外壳（233）侧壁上的应力解除钻探单元（234）、设于所述带出舱口外壳（233）内部与所述应力解除钻探单元（234）导线相连的马达（235）、交变电机（236）；所述应力解除钻探单元（234）通过所述交变电机（236）提供动力进行钻探进而将深孔壁面应力解除；

所述应变测量采集单元（232）包括设于所述应力解除钻探单元（234）远离钻头一端的探头底座（238）、设于所述探头底座（238）上的按压式应变测量探头（239）、与所述探头底座（238）导线连接的应变记录仪（240）、与所述应变记录仪（240）导线连接的液压单元（241）；所述应力解除钻探单元（234）和所述按压式应变测量探头（239）通过所述探头底座（238）固定在一起；所述应变记录仪（240）记录所述应力解除钻探单元（234）在应力解除过程中按压式应变测量探头（239）感应应变的变化情况，并通过所述电子智能采集控制系统（21）上的数据记录元件（217）和命令控制传输单元（218）将数据传输到操作地面控制器（11）。

5.根据权利要求4所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述带出舱口外壳（233）上还设有第三连接接头（237）和固定装置；所述第三连接接头（237）在所述带出舱口外壳（233）的顶部和底部分别设置，顶部的接头用于与所述电子智能采集控制系统（21）和所述单臂反向定位支撑系统（22）相连，底部的连接接头用于与所述液压动力平衡系统（24）相连；所述固定装置用于与其他部件相固定。

6.一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，应用如权利要求1-5中任一项所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统实现，包括如下步骤：

S1：勘察钻孔,在待测量地应力地点勘察钻孔；钻孔孔径应确保能够容纳孔内地应力测试组件下探到地应力测试点；

S2：将孔内地应力测试组件与孔外地面控制组件通信连接后，通过地面控制器将孔内地应力测试组件下放到预设测量深度；

S3：通过地面控制器发出控制指令并通过电子智能采集控制系统传达给单臂反向定位支撑系统将孔内地应力测试组件反向推靠到需要应力解除的壁面一侧；

S4：通过地面控制器控制应力解除与智能按压应变采集系统，使得按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上；

S5：通过地面控制器控制应力解除钻探单元进行应力解除，并通过应变记录仪记录应力解除过程中应变的变化情况，并通过电子智能采集控制系统（21）将数据传输到地面控制器；

S6：通过地面控制器控制孔内地应力测试组件前往下一个测试点所在位置，重复步骤S1～S5，待全部预设点应力解除完毕后，取出孔内地应力测试组件，通过地面控制器分析处理得到所需要测量的地应力值。

7.根据权利要求6所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于：步骤S3还包括操作人员通过操作地面控制器（11）将操作指令通过电子智能采集控制系统（21）传达给单臂反向定位支撑系统（22），通过电磁阀（226）控制液压缸（225）给齿轮泵（222）供给能量，通过齿轮泵（222）控制支撑臂（223）向需要应力解除壁面的反方向展开，进而将孔内地应力测试组件（2）反向推靠到需要应力解除的壁面一侧，并支撑在孔壁上。

8.根据权利要求6或7所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，步骤S4还包括操作人员通过操作地面控制器（11）发出伸出按压式应变片的指令并通过电子智能采集控制系统（21）将该指令传达给应力解除与智能按压应变采集系统（23），应变测量采集单元（232）将按压式应变片通过出舱口送出并通过按压仪器将按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上。

9.根据权利要求8所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，步骤S5还包括操作人员操作地面控制器（11）将应力解除的指令通过电子智能采集控制系统（21）传达给应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24），随后应力解除钻探单元（234）通过出舱口将钻探应力解除钻头送达壁面，开始进行应力解除，同时启动液压动力平衡系统（24）工作，使得孔内地应力测试组件（2）内部压力与孔内地应力测试组件（2）外部的钻井压力保持平衡，保证孔内地应力测试组件（2）正常工作。

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