CN116591627A - 一种用于地应力测量的取芯钻具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其涉及一种用于地应力测量的取芯钻具，钻头组件、外管总成、应力检测组件和内管总成。外管总成、应力检测组件和内管总成从外至内依次嵌套且同轴设置。内管总成包括第一端和第二端。第二端沿外管总成的轴线方向延伸至外管总成的外部，且内管总成与应力检测组件的一端可拆卸连接。应力检测组件用于检测待检测岩石层的应力。钻头组件设置于外管总成的一端，钻头组件与应力检测组件远离内管总成的第二端的一侧可拆卸连接。通过应力检测组件获取应变变化值，从而得出岩体应力状况，相比较套芯应力解除法，不需要单独提钻，换钻头打测量孔，不需要更换设备装置，工序简单，操作方便，节省大量的工序，提高测量效率。

Description

一种用于地应力测量的取芯钻具

技术领域

本发明涉及岩石力学实验技术领域，尤其涉及一种用于地应力测量的取芯钻具。

背景技术

地质勘探钻进的主要任务是获取真实的地质岩心，以便于了解所勘探的地质岩石层的真实情况；岩石力学实验是确定工程岩体的力学属性，从而进行围岩稳定性的分析，两者结合更能为实现岩土工程开挖设计提供科学决策的依据。在地质勘探钻进工程的稳定性分析中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。

应力解除法目前是国内外最普遍采用的发展时间最长、技术较为成熟的地应力测量方法，主要是把岩样全部或部分地从孔壁周围岩体中分离开来，同时监测被解除部位的应变或位移的响应，然后根据测得的应变或位移与围岩远场应力之间的关系来确定测点的地应力张量。比较典型的方式是套芯应力解除法。

其中，套芯应力解除法是采用套钻的方式实现套孔岩芯的完全应力解除，使测点岩体完成脱离地应力作用，从而确定地应力大小和方向。具体参见中国专利：CN215292335U，包括钻具外管和设置在钻孔底部圆心处的应变传感器，钻具外管内部设有钻具内管，钻具外管与钻具内管之间还设有与钻机连接的传动管，其中传动管外侧与钻具外管内侧之间设有连接装置，传动管内侧与钻具内管之间设有居中装置；钻具外管、钻具内管组成的钻进结构，连接装置包括可旋转螺栓与金属锁止器，居中装置包括设置在钻具内管外侧与传动管内侧之间的万向球，其主要测量工序为：需要先进行钻心得到复合条件的测量孔，在测量孔钻取完成后，需要将钻具内管从传动管内抽离，再使用长杆将应变传感器置入测量孔中，才能读取数据。

但是，目前在深度超过500米的地质勘探过程中，在这两种应力检测之前大多采用绳索取芯钻具进行钻探，现有的应力解除法的应力测试需要与单管取芯钻具配合完成，即绳索取芯的条件下，通过单管单独的取芯无法实现测量元件的安放、测量等操作，均需要单独地进行钻孔，再将钻具抽出，接下来再通过应力测量装置单独地进行应力检测，因此也导致深度超过500米的深孔内难以进行应力解除法地应力测试，工序复杂繁琐，工期过长。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种用于地应力测量的取芯钻具，其解决了深度超过米的深孔内难以进行应力解除法地应力测试，工序复杂繁琐，工期过长的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明实施例提供一种用于地应力测量的取芯钻具，钻头组件、外管总成、应力检测组件和内管总成，所述外管总成、所述应力检测组件和所述内管总成从外至内依次嵌套且同轴设置；

所述内管总成包括靠近所述钻头组件的第一端和与所述第一端相对设置的第二端；

所述内管总成的第二端沿所述外管总成的轴线方向延伸至所述外管总成的外部，且所述内管总成相对转动安装于所述应力检测组件的一端可拆卸连接，所述应力检测组件用于检测待检测岩石层的应力；

所述钻头组件固定设置于所述外管总成的一端，所述钻头组件与所述应力检测组件远离所述内管总成的所述第二端的一侧可拆卸连接。

可选地，所述应力检测组件包括沿轴向相连的切缝单元和传感器单元，且所述切缝单元和所述传感器单元相连接后形成应力检测筒，所述应力检测筒的内侧壁与所述内管总成的外侧壁之间形成泥浆流道，以供所述泥浆进入；

所述切缝单元的一端与所述钻头组件相连，所述传感器单元的一端与所述内管总成内侧壁相连；

所述传感器单元能够沿所述应力检测筒的径向穿过所述外管总成伸出或者缩回，所述切缝单元能够沿所述应力检测筒的径向穿过所述外管总成伸出或者缩回。

可选地，在所述切缝单元和所述传感器单元之间还设置有连接管；

所述连接管的两端分别与所述切缝单元和所述传感器单元可拆卸连接。

可选地，所述切缝单元包括钻头连接管、切缝弹性件、第一阀门、叶片和两个第一安装接头；

所述钻头连接管与所述连接管之间设置有切缝接管，且所述切缝接管的两端分别与所述钻头连接管和所述连接管的侧面分别相抵，所述切缝接管与所述内管总成之间为所述泥浆流道一部分，且所述切缝弹性件套设于所述切缝接管的外部，且与所述切缝接管的外侧壁相抵；

所述钻头连接管的一端与所述钻头组件可拆卸连接，所述钻头连接管的另一端与一所述第一安装接头可拆卸连接，所述钻头连接管与一所述第一安装接头之间构成第一环形槽，以放置所述切缝弹性件的一端，所述切缝弹性件的另一端放置于所述连接管与另一所述第一安装接头之间构成第二环形槽的另一端；

所述切缝接管的底部开设有用于放置所述第一阀门的第一通孔，所述第一阀门能够承受的最大压力为P2；

所述叶片的底部端面与所述切缝弹性件的顶部外侧壁相抵。

可选地，所述叶片包括圆弧状的叶片主体和竖直状的切刀；

所述叶片主体的内侧弧面与所述切缝弹性件相抵，所述叶片主体的所述外侧弧面与所述切刀固定连接。

可选地，所述传感器单元包括安装管、传感橡胶、第二阀门、传感器主体和两个第二安装接头；

所述安装管与所述连接管之间设置有传感接管，且所述传感接管的两端分别与所述安装管和所述连接管的侧面分别相抵，所述传感接管与所述内管总成之间为所述泥浆流道的一部分，且所述传感橡胶套设于所述传感接管的外部，且与所述传感接管的外侧壁相抵；

所述安装管的一端与所述内管总成可拆卸连接，所述安装管的另一端与一所述第二安装接头可拆卸连接，所述安装管与一所述第二安装接头之间构成第三环形槽，以放置所述传感橡胶的一端，所述传感橡胶的另一端放置于所述连接管与另一所述第二安装接头之间构成第四环形槽的另一端；

所述传感接管的底部开设有用于放置所述第二阀门的第二通孔，所述第二阀门能够承受的最大压力为P1，且所述P2大于所述P1；

所述传感器主体的底部端面与所述传感橡胶的顶部外侧壁相抵。

可选地，所述第一安装接头为圆筒状结构件；

所述第一安装接头具有依次相连通的螺纹孔、第一安装孔、斜孔和第二安装孔；

所述螺纹孔能够分别与所述钻头连接管、连接管以及后端的端部相配合螺接；

所述第一安装孔的直径大于所述第二安装孔的直径，所述第二安装孔的直径与所述切缝接管或者所述传感接管的直径相同；

所述第二安装接头与所述第一安装接头的结构相同。

可选地，所述第一连接安装头的外壁以及靠近所述螺纹孔的一端开设有密封环形槽。

可选地，所述传感器单元还包括电源模块、信号采集模块和声波发射模块；

所述传感器主体通过导线依次与所述电源模块、所述信号采集模块、所述声波发射模块相连，所述传感器主体测出的应变变化值通过所述声波发射模块经过所述钻杆发送至地面。

可选地，所述外管总成包括第一外管和第二外管；

所述第一外管与所述第二外管端部可拆卸连接，所述第一外管设置于靠近于所述钻头组件的一侧，所述第一外管侧壁上分别设有供所述切缝单元和所述传感器单元伸出的第一窗口和第二窗口。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的一种用于地应力测量的取芯钻具，在正常的绳索取芯钻进的过程，通过应力检测组件获取应变变化值，从而得出岩体应力状况，相比较套芯应力解除法，不需要单独提钻，换钻头打测量孔，不需要更换设备装置，工序简单，操作方便，节省了大量的工序，提高测量效率。更适合小空间钻进装置，尤其适合钻进取芯的装置，不仅满足了取芯钻进的速度，也能实时获取地应力的数据，在常规绳索取芯的工序上更能全面获取地层数据，为勘探地质岩层提供更为有利可靠的数据，为隧道建设打下良好的基础。

附图说明

图1是本发明用于地应力测量的取芯钻具的整体结构图；

图2是图1内部结构的放大示意图；

图3是切缝单元的结构示意图；

图4为切缝单元的侧面示意图；

图5为第一安装接头的结构示意图；

图6是传感器单元的结构示意图；

图7为安装管的部分结构示意图；

图8为外管总成的部分结构示意图。

【附图标记说明】

1：钻头组件；2：外管总成；21：第一外管；211：第一窗口；212：第二窗口；213：外连接管螺纹；214：肋条槽；22：第二外管；3：应力检测组件；31：切缝单元；311：钻头连接管；312：切缝弹性件；313：第一阀门；314：叶片；3141：叶片主体；3142：切刀；315：第一安装接头；3151：螺纹孔；3152：第一安装孔；3153：斜孔；3154：第二安装孔；3155：圆角；316：切缝接管；32：传感器单元；321：安装管；3211：筒状外孔；3212：连接螺纹；3213：第一平台孔；3214：第三平台孔；3216：第二平台孔；3215：连接内螺纹；322：传感橡胶；323：第二阀门；324：传感器主体；325：第二安装接头；326：传感接管；33：连接管；4：内管总成；5：电源模块；6：信号采集模块；7：声波发射模块；8：导线；9：弹卡室。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所提及的“上”、“下”、“内”、“外”“前”和“后”等方位名词以图1的定向为参照。将图1中钻头组件1掘进的方向定义为“前”；将外管总成2相对于内管总成4所在的方向定义为“外”；将第二窗口212相对于第一外管21所开设的位置定义为“上”。

参见图1-图8所示，一种用于地应力测量的取芯钻具，钻头组件1、外管总成2、应力检测组件3和内管总成4。外管总成2、应力检测组件3和内管总成4从外至内依次嵌套且同轴设置。

进一步地，参见图1和图4所示，外管总成2包括呈前后排布的第一外管21和第二外管22。第一外管21的后端部与第二外管22的前端部通过地质螺纹相连可拆卸连接，构成钻具外管结构。具体地，第一外管21固定设置于靠近于钻头组件1的一侧，第一外管21的顶部侧壁上分别设有供切缝单元31和传感器单元32伸出的第一窗口211和第二窗口212。

进一步地，参见图8所示，其中第一外管21上外连接管螺纹213与第二外管22的螺纹连接，第一外管21的外表面与岩壁是紧密接触的。第一外管21内设有肋条槽214，与信号采集模块6上的肋条(图中未示出)紧密配合，目的是固定信号采集模块6，让其与第一外管21、安装管321一起运动，避免产生晃动，干扰信号的采集。

参见图1所示，内管总成4包括前后相对设置的第一端和第二端。第一端处于靠近钻头组件1的一侧，第一端开设有与钻头组件1相连通的通孔。需要说明的是，第一端的通孔与内管相连通的目的是为了实现内管的取芯，将钻头组件1开采的岩芯直接存放至内管总成4的内腔中。

而且，内管总成4的第二端(后端)沿外管总成2的轴线方向延伸至外管总成2的外部并与弹卡室9转动连接，需要说明的是，弹卡室9与内管总成4的连接方式为常规的绳索取芯钻具的设置相同，在此不做过多的赘述。内管总成4通过弹卡室9与钻杆钻机固定连接。其中内管总成4放置于钻具外管结构内部，其连接结构于常规绳索取芯结构相似。具体地，内管总成4的弹卡室9一端通过钻杆与钻机相连图中未示，内管总成4的另一端延伸至接近于钻头组件1且内管总成4相对于钻具外管结构静止不动。另外，应力检测组件3设置于内管总成4和外管总成1之间，且内管总成4的弹卡室9的另一端与应力检测组件3的一端可拆卸连接，具体地，即应力检测组件3的一端与钻头组件1相连，另一端通过安装管321螺纹连接于内管总成4的弹卡室9的另一端，也就是说，应力检测组件3相对于内管总成4旋转。内管总成4、应力检测组件3、钻头组件1和外管总成2之间相互作用形成能够取芯的钻具。当需要对岩石层进行应力检测时，应力检测组件3能够随着取芯钻具一同运动，用于检测待检测岩石层的应力，无需多次提管或者更换钻管。提高了效率。

参见图1和图2所示，钻头组件1固定设置于外管总成2的一端外部，钻头组件1的后端与应力检测组件3远离内管总成4的第二端的一侧通过螺纹可拆卸连接。具体地，当钻机旋转，通过外管总成2传递钻压时，钻具会相应的开始旋转、钻进切削，取芯。

进一步地，应力检测组件3包括沿轴向相连的切缝单元31和传感器单元32。且切缝单元31和传感器单元32相连接后形成应力检测筒，应力检测筒的内侧壁与内管总成4的外侧壁之间形成环形的泥浆流道，以供泥浆进入至钻头组件1处以将岩芯排出。另外，泥浆的进入是通过地面上的泥浆泵进行注入的，而且泥浆泵是能够调节泥浆的压力的，以配合后续的地应力测量。

进一步地，在切缝单元31和传感器单元32之间还设置有连接管33。连接管33的两端分别与切缝单元31和传感器单元32可拆卸连接。

在本实施例中，切缝单元31的一端与钻头组件1固定相连，传感器单元32的一端与内管总成4的弹卡室9相连。

进一步地，切缝单元31包括钻头连接管311、切缝弹性件312、第一阀门313、两个第一安装接头315和多个叶片314。

具体地，钻头连接管311的一端与钻头组件1通过螺纹可拆卸连接，钻头连接管311的另一端与前端的第一安装接头315通过螺纹可拆卸连接。钻头连接管311与前端的第一安装接头315之间构成第一环形槽，以放置切缝弹性件312的一端，切缝弹性件312的另一端放置于连接管33与另外一个第一安装接头315之间构成第二环形槽的另一端。优选地，切缝弹性件312为切缝橡胶圈，切缝橡胶的弹性好，磨损程度小，成本低。

进一步地，钻头连接管311与连接管33之间设置有切缝接管316。且切缝接管316的两端均呈薄壁状的连接耳，两端的连接耳分别插入第一环形槽和第二环形槽内，且切缝接管316的两端面分别与钻头连接管311和连接管33的侧面分别相抵安装。切缝接管316与内管总成4之间为泥浆流道一部分，且切缝弹性件312套设于切缝接管316的外部，且与切缝接管316的外侧壁相抵。而且，切缝弹性件312的两端同样插进第一环形凹槽内，以将切缝接管316的连接耳抵压于钻头连接管311的外侧壁上。

具体而言，切缝接管316的底部开设有用于放置第一阀门313的第一通孔，第一阀门313能够承受的最大压力为P1。切缝接管316设置的目的是为了泥浆提供通道对的同时切缝弹性件312进行良好的支撑和压力直接地传递的功能。

进一步地，叶片314包括圆弧状的叶片主体3141和竖直状的切刀3142。叶片主体3141的内侧弧面与切缝弹性件312相抵，叶片主体3141的外侧弧面与切刀3142固定连接。

参见图3所示，当泥浆泵控制泥浆的压力达到第一阀门313的开启压力P1时候，第一阀门313打开，泥浆通过第一阀门313流入切缝接管316的内部，切缝弹性件312受到泥浆的压力开始膨胀变形，叶片314也随切缝弹性件312的变形产生沿切缝弹性件312的径向朝上移动。通过第一外管21的第一窗口211伸出，便能够在岩壁上切开1mm缝。当泥浆压力小于第一阀门313的开启压力P2时，切缝弹性件312的形变复位进而使得其缩回至初始位置，叶片314也随切缝弹性件312的复位产生沿切缝弹性件312的径向朝下从岩壁表面回缩至初始位置，由此就能够达到解除释放地应力的效果。操作简单，能够便于实现，避免了过多的工序。

参见图5所示，第一安装接头315为圆筒状结构件。第一安装接头315具有依次相连通的螺纹孔3151、第一安装孔3152、斜孔3153和第二安装孔3154。螺纹孔3151能够分别与钻头连接管311、连接管33以及后端的端部相配合螺接。第一安装孔3152的直径大于第二安装孔3154的直径，第二安装孔3154的直径与切缝接管316或者传感接管326的直径相同。

其中在第一连接安装头的外壁以及靠近螺纹孔的一端端面均开设有密封环形槽。两个密封环形槽均用于放置O型圈，形成密封环境。即能够为切缝弹性件312或者传感橡胶322提供密封环境，在两者接触泥浆时候，更有利地使得橡胶膨胀，进而使得切缝弹性件312或者传感橡胶322形变效果更好。螺纹孔3151上的螺纹能够与钻头连接管311、连接管33以及安装管321均螺纹连接，传递钻机传过来的钻压至钻头组件1。第一安装孔3152为切缝接管316的大内孔，其直径大于切缝接管316，小于切缝弹性件312或者传感橡胶322的直径，第二安装孔3154的直径与切缝接管316的外径等大。第一安装孔3152与第二安装孔3154之间有斜孔3153、圆角3155进行缓冲，以避免台阶面、尖角损坏橡胶；同时，直径的设计，也将橡胶端部锁压在切缝接管316内，从而固定切缝弹性件312的轴向移动。进一步的在切缝接管316中开通孔，作为电缆通道，此为第二安装接头325的结构。

参见图6所示，传感器单元32能够沿应力检测筒的径向穿过外管总成2伸出或者缩回，切缝单元31能够沿应力检测筒的径向穿过外管总成2伸出或者缩回。

进一步地，传感器单元32包括安装管321、传感橡胶322、第二阀门323、传感器主体324和两个第二安装接头325。

进一步地，安装管321与连接管33之间设置有传感接管326。且传感接管326的两端分别与安装管321和连接管33的侧面分别相抵，传感接管326与内管总成4之间为泥浆流道的一部分，且传感橡胶322套设于传感接管326的外部，且与传感接管326的外侧壁相抵。安装管321的一端与内管总成4可拆卸连接，安装管321的另一端与一第二安装接头325可拆卸连接，安装管321与一第二安装接头325之间构成第三环形槽，以放置传感橡胶322的一端，传感橡胶322的另一端放置于连接管33与另一第二安装接头325之间构成第四环形槽的另一端。

在本实施例中，传感接管326的底部开设有用于放置第二阀门323的第二通孔。第二阀门323能够承受的最大压力为P1，且P2大于P1。传感器主体324的底部端面与传感橡胶322的顶部外侧壁相抵。可选地，传感器主体324下端为圆弧形与传感橡胶322外表面配合。

具体地，传感器主体324放置于传感接管326外面，正对着第一外管21的第二窗口23。传感接管326内孔与内管总成4的管体的外表面构成泥浆流道的一部分。当泥浆压力达到第二阀门323的开启压力P2时候，第二阀门323打开，泥浆通过第二阀门323流入传感接管326的内部，传感橡胶322受到泥浆的压力开始膨胀变形，传感器主体324也随传感橡胶322的变形产生沿传感橡胶322的径向朝上移动，传感器主体324通过第一外管21的第二窗口212伸出，便能够接触岩壁，以测量此时岩壁的应变值；当泥浆压小于至第二阀门323的开启压力P2时，传感橡胶322的形变复位进而使得其缩回至初始位置，传感器主体324也随传感橡胶322的复位产生沿传感橡胶322的径向朝下从岩壁表面回缩至初始位置，由此便就能测出地应力的应变变化值。

进一步地，传感器单元32还包括电源模块5、信号采集模块6和声波发射模块7。传感器主体324通过导线8依次与电源模块5、信号采集模块6、声波发射模块7相连，传感器主体324测出的应变变化值通过声波发射模块7经过钻杆发送至地面。另外，电源模块5、信号采集模块6、声波发射模块7之间的通讯方式为现有的常规技术，在此不作过多赘述。

参见图6所示，传感器主体324通过绝缘电线依次与电源模块5、信号采集模块6、声波发射模块7通讯相连，传感器主体324能够测出的应变变化值并通过声波发射模块7，以及通过钻杆(图中未示出)传出至地面，地面的声波模块接收到声波发射模块7的信号后，单片机系统进行数据采集处理后，再通过无线的方式传播出去，实现与地面计算机的通讯。这样就实现了无线传输，能够实时了解地应力的情况，测量效率更高。

具体地，图4展示的是切缝装置的前侧结构示意图。地应力测量主要采用在岩石层上钻孔，即孔壁上切割处若干条围绕钻孔圆心按一定角度分布的平行于钻孔轴线方向的切缝，使切缝两侧表面法向应力完全释放，通过测得切缝一侧岩体表面，应力释放前后的法向应变变化值，根据弹性理论计算处岩体应力状况。本实施例中，在切缝前，首先通过液压控制泥浆的压力传感接管326上的第二阀门323的压力值P1，第二阀门323打开，泥浆通过第二阀门323流入传感接管326的内部，传感橡胶322受到泥浆的压力开始膨胀变形，传感器主体324也随传感橡胶322的变形产生沿传感橡胶322的径向朝上移动，传感器主体324通过第一外管21的第二窗口212伸出，将紧邻切缝的接触型应变传感器主体324从第二窗口212伸出，以使应变传感器主体324紧密贴合在预设的切缝附近的岩体的岩壁上，再通过测读岩体切缝前的应变值，待应变信号稳定后记录下来，接下来，继续增大泥浆泵的压力值至P2，此时，第一阀门313打开，切缝弹性件312膨胀，叶片314将开一个1mm的槽，之后再减小泥浆泵的压力至P1，那么切缝弹性件312缩回至初始位置，叶片314将从第一窗口211中直接抽回，此时应变传感器主体324仍然接触岩壁，并再一次测量，直到输出信号再次稳定后，减小泥浆泵压力使其小于<P1，此时传感器主体324从岩壁上缩回，其间的数据信号始终依靠声波发射模块7通过泥浆泵控制第一阀体后应变值变化量，从而计算得切缝法向应力。假定钻孔横截面水平方向为x轴，铅直向上方向为z轴，令S_zz及S_xz为钻孔横截面的原岩应力造孔前岩体应力分量，则孔壁上与z轴夹角为0位置的孔周岩壁的应力状态为：

如果切缝后，测得该部位应变为ε，则岩体的弹性模量为E，则：

σθ＝Eε。

需要说明的是，第二安装接头325与第一安装接头315的结构相同。目的是为了便于生产，简化工艺和零部件的适配度。

进一步地，多个叶片314沿切缝弹性件312的周向间隔设置，且每个叶片314的内侧端面均与切缝弹性件312的外侧壁相抵。

在理论上，布置最少三个独立的切缝进行单独测量，并通过三个独立的法向应力结果可计算出钻孔横截面的二维应力张量。测试过程中若测量结果的规律性较差时，可增加额外的切缝数量，直到取得较为一致的测试结果。能够得到较为平均且合理的应力值。

参考图7所示，安装管321包括筒状外孔3211，连接螺纹3212，第一平台孔3213，第二平台孔3216，第三平台孔3214，连接内螺纹3215，筒状外孔3211与第二安装接头325中的斜孔3153构成环形槽，用于锁压传感橡胶322的端部，连接螺纹3212与第二安装接头325中的螺纹孔3151相连，连接内螺纹3215与内管总成4的弹卡室9螺纹相连。第一平台孔3213，第二平台孔3214，第三平台孔3215分别用于放置电源装置5，信号采集模块6，声波发射模块7，避免晃动，产生其他信号，干扰应变值数据的正确性。

本发明的一种用于地应力测量的取芯钻具，在正常的绳索取芯钻进的过程，通过应力检测组件3获取应变变化值，从而得出岩体应力状况，相比较套芯应力解除法，不需要单独提钻，换钻头打测量孔，不需要更换设备装置。而且工序简单，操作方便，节省了大量的工序，提高测量效率。更适合小空间钻进装置，尤其适合钻进取芯的装置，不仅满足了取芯钻进的速度，也能实时获取地应力的数据，在常规绳索取芯的工序上更能全面获取地层数据，为勘探地质岩层提供更为有利可靠的数据，为隧道建设打下良好的基础。

进一步地，本设计采用液压驱动控制传感器、叶片314的动作顺序，结构简单，更适合小空间钻进装置，尤其适合钻进取芯的装置。

而且，钻孔槽沿顺时针方向旋转一个角度120°。然后能够按照上述的方式重复测试过程。这个平面上地应力将被侧量出来。这种操作工序简单，不需要提钻更换钻头套钻打孔。集成在绳索取芯中，能长距离的测量岩层地应力情况。采用声波传输，无线传输，实时更新数据，精确度更高；钻进、取芯、地应力测量同步进行，获取数据信息更多。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，钻头组件(1)、外管总成(2)、应力检测组件(3)和内管总成(4)，所述外管总成(2)、所述应力检测组件(3)和所述内管总成(4)从外至内依次嵌套且同轴设置；

所述内管总成(4)包括靠近所述钻头组件(1)的第一端和与所述第一端相对设置的第二端；

所述内管总成(4)的第二端沿所述外管总成(2)的轴线方向延伸至所述外管总成(2)的外部，且所述内管总成(4)相对转动安装于所述应力检测组件(3)的一端，所述应力检测组件用于检测待检测岩石层的应力；

所述钻头组件(1)固定设置于所述外管总成(2)的一端，所述钻头组件(1)与所述应力检测组件(3)远离所述内管总成(4)的第二端的一侧可拆卸连接。

2.如权利要求1所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述应力检测组件(3)包括沿轴向相连的切缝单元(31)和传感器单元(32)，且所述切缝单元(31)和所述传感器单元(32)相连接后形成应力检测筒，所述应力检测筒的内侧壁与所述内管总成(4)的外侧壁之间形成泥浆流道，以供所述泥浆进入；

所述切缝单元(31)的一端与所述钻头组件(1)相连，所述传感器单元(32)的一端与所述内管总成(4)内侧壁相连；

所述传感器单元(32)能够沿所述应力检测筒的径向穿过所述外管总成(2)伸出或者缩回，所述切缝单元(31)能够沿所述应力检测筒的径向穿过所述外管总成(2)伸出或者缩回。

3.如权利要求2所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，在所述切缝单元(31)和所述传感器单元(32)之间还设置有连接管(33)；

所述连接管(33)的两端分别与所述切缝单元(31)和所述传感器单元(32)可拆卸连接。

4.如权利要求3所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述切缝单元(31)包括钻头连接管(311)、切缝弹性件(312)、第一阀门(313)、两个第一安装接头(315)和多个叶片(314)；

所述钻头连接管(311)与所述连接管(33)之间设置有切缝接管(316)，且所述切缝接管(316)的两端分别与所述钻头连接管(311)和所述连接管(33)的侧面分别相抵，所述切缝接管(316)与所述内管总成(4)之间为所述泥浆流道一部分，且所述切缝弹性件(312)套设于所述切缝接管(316)的外部，且与所述切缝接管(316)的外侧壁相抵；

所述钻头连接管(311)的一端与所述钻头组件(1)可拆卸连接，所述钻头连接管(311)的另一端与一所述第一安装接头(315)可拆卸连接，所述钻头连接管(311)与一所述第一安装接头(315)之间构成第一环形槽，以放置所述切缝弹性件(312)的一端，所述切缝弹性件(312)的另一端放置于所述连接管(33)与另一所述第一安装接头(315)之间构成第二环形槽的另一端；

所述切缝接管(316)的底部开设有用于放置所述第一阀门(313)的第一通孔，所述第一阀门(313)能够承受的最大压力为P2；

多个所述叶片(314)沿所述切缝弹性件(312)的周向间隔设置，且每个所述叶片(314)的内侧端面均与所述切缝弹性件(312)的外侧壁相抵。

5.如权利要求4所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述叶片(314)包括圆弧状的叶片主体(3141)和竖直状的切刀(3142)；

所述叶片主体(3141)的内侧弧面与所述切缝弹性件(312)相抵，所述叶片主体(3141)的所述外侧弧面与所述切刀(3142)固定连接。

6.如权利要求5所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述传感器单元(32)包括安装管(321)、传感橡胶(322)、第二阀门(323)、传感器主体(324)和两个第二安装接头(325)；

所述安装管(321)与所述连接管(33)之间设置有传感接管(326)，且所述传感接管(326)的两端分别与所述安装管(321)和所述连接管(33)的侧面分别相抵，所述传感接管(326)与所述内管总成(4)之间为所述泥浆流道的一部分，且所述传感橡胶(322)套设于所述传感接管(326)的外部，且与所述传感接管(326)的外侧壁相抵；

所述安装管(321)的一端与所述内管总成(4)可拆卸连接，所述安装管(321)的另一端与一所述第二安装接头(325)可拆卸连接，所述安装管(321)与一所述第二安装接头(325)之间构成第三环形槽，以放置所述传感橡胶(322)的一端，所述传感橡胶(322)的另一端放置于所述连接管(33)与另一所述第二安装接头(325)之间构成第四环形槽的另一端；

所述传感接管(326)的底部开设有用于放置所述第二阀门(323)的第二通孔，所述第二阀门(323)能够承受的最大压力为P1，且所述P2大于所述P1；

所述传感器主体(324)的底部端面与所述传感橡胶(322)的顶部外侧壁相抵。

7.如权利要求6所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述第一安装接头(315)为圆筒状结构件；

所述第一安装接头(315)具有依次相连通的螺纹孔(3151)、第一安装孔(3152)、斜孔(3153)和第二安装孔(3154)；

所述螺纹孔(3151)能够分别与所述钻头连接管(311)、连接管(33)以及后端的端部相配合螺接；

所述第一安装孔(3152)的直径大于所述第二安装孔(3154)的直径，所述第二安装孔(3154)的直径与所述切缝接管(316)或者所述传感接管(326)的直径相同；

所述第二安装接头(325)与所述第一安装接头(315)的结构相同。

8.如权利要求7所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述第一连接安装头的外壁以及靠近所述螺纹孔的一端开设有密封环形槽。

9.如权利要求8所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述传感器单元(32)还包括电源模块(5)、信号采集模块(6)和声波发射模块(7)；

所述传感器主体(324)通过导线依次与所述电源模块(5)、所述信号采集模块(6)、所述声波发射模块(7)相连，所述传感器主体(324)测出的应变变化值通过所述声波发射模块(7)经过所述钻杆发送至地面。

10.如权利要求2所述的用于地应力测量的取芯钻具，其特征在于，所述外管总成(2)包括第一外管(21)和第二外管(22)；

所述第一外管(21)与所述第二外管(22)端部可拆卸连接，所述第一外管(21)设置于靠近于所述钻头组件(1)的一侧，所述第一外管(21)侧壁上分别设有供所述切缝单元(31)和所述传感器单元(32)伸出的第一窗口(211)和第二窗口(212)。