CN116950641A - 钻孔孔壁裂隙产状的测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统及测量方法，包括：中心管，在使用时其一端与钻杆连通，其另一端封闭，在中心管的管壁上设置有通孔；印模筒，其套设在中心管外且两者之间形成密封空间，所述密封空间通过通孔与中心管连通，所述印模筒包括遇高压水膨胀的胶筒以及包裹在胶筒上的柔性薄膜压力传感器，所述柔性薄膜压力传感器包括压力接触面和非接触面，柔性薄膜压力传感器的压力非接触面朝向中心管设置，柔性薄膜压力传感器的压力接触面背向中心管设置；方位定向装置，其设置在印模筒的端侧；数据采集装置，其与柔性薄膜压力传感器、方位定向装置连接，用于采集柔性薄膜压力传感器感应的压力数据以及获取方位定向装置采集的方向信息。本发明实现了孔壁裂隙的“可视化”连续测量，提高水压致裂法方向测试效率与精度。
Description
技术领域
本发明属于地质勘察的技术领域，具体涉及一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统及测量方法。
背景技术
水压致裂地应力测量方法是国际岩力学学会(ISRM)、美国材料学会(ASTM)和国内相关规程规范主要推荐的岩体地应力原位测试方法，主要分为地应力量值和方向测试两个环节。
目前，地应力方向测试环节主要是通过外表为半硫化橡胶层的可膨胀定向印模器进行。测定方向时，将定向印模器放置到试验深度，在地面通过增压系统对印模器加压使其膨胀，将岩体已经闭合的裂隙重新张开，表层半硫化橡胶挤入破裂隙，并保持一定压力持续一段时间，印模器表面就印制了与裂隙相对应的凸起印迹。卸压取出印模器至孔口，查看并由透明薄膜纸拓印破裂隙留下的凸起痕迹，由印模器连接的定向器确定基线标志。最后，根据基线方位与印痕之间的关系，计算出所测破裂隙的产状信息，确定最大水平主应力方位。该方法在测试时，每测试一个压裂隙均需将印模器提出查看结果并进行更换，导致测试效率低且成本过高；同时，印模器在提出孔口的过程中，与孔壁间的摩擦可能使印模痕迹被擦除，影响破裂隙产状和主应力方位的判定。
发明内容
本发明的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，该系统实现了孔壁裂隙的“可视化”连续测量，提高水压致裂法方向测试效率与精度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，包括：
中心管，在使用时其一端与钻杆连通，其另一端封闭，在中心管的管壁上设置有通孔；
印模筒，其套设在中心管外且两者之间形成密封空间，所述密封空间通过通孔与中心管连通，所述印模筒包括遇高压水膨胀的胶筒以及包裹在胶筒上的柔性薄膜压力传感器，所述柔性薄膜压力传感器包括压力接触面和非接触面，柔性薄膜压力传感器的压力非接触面朝向中心管设置，柔性薄膜压力传感器的压力接触面背向中心管设置；
方位定向装置，其设置在印模筒的端侧；
数据采集装置，其与柔性薄膜压力传感器、方位定向装置连接，用于采集柔性薄膜压力传感器感应的压力数据以及获取方位定向装置采集的方向信息；
数据处理装置，其与数据采集装置连接，用于接收数据采集装置采集的数据并对数据进行处理。
进一步地，在柔性薄膜压力传感器外覆盖一层遇高压水膨胀的胶层。
进一步地，胶层的厚度不超过2mm。
进一步地，中心管与印模筒的两端分别通过接头连接从而将两者之间的空间封闭形成所述密封空间。
进一步地，所述方位定向装置为电子罗盘。
进一步地，在印模筒远离钻杆的一端设置有套筒，数据采集装置、方位定向装置密封在套筒内。
本发明的另一个目的是提供一种根据上述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、将中心管与钻杆连接，再将所述测量系统送至钻孔中地应力试验段产生裂隙处；
步骤2、向钻杆内注入高压水，高压水通过钻杆、中心管以及中心管上的通孔进入到密封空间中，胶筒在密封空间内的高压水的作用下膨胀紧贴钻孔孔壁，数据采集装置自动记录并存储方向定位装置上的方位信息和柔性薄膜压力传感器上的接触压力信息及受力过程，数据处理装置对数据采集装置采集的柔性薄膜压力传感器上完整孔壁与裂隙处存在的压力差信息进行处理获得裂隙的产状信息；
步骤3、当向钻杆注入的高压水达到目标压力值后，保压一定时间后泄压，完成当前试验段的裂隙产状信息；
步骤4、通过增加或减少钻杆的长度并重复上述步骤进行下一试验段裂隙产状的测试，直至完成所有待测试段的产状测量。
进一步地，数据采集装置设定为压力阈值触发启动、停止工作，即当压力大于阈值，数据采集装置触发启动工作，当压力小于阈值，数据采集装置触发停止工作。
进一步地，步骤3中的目标压力大小根据地应力量值测量的重张压力大小确定，目标压力为重张压力的1.3～1.5倍。
进一步地，步骤3中保压1-3min后泄压。
本发明测量系统原理为：
当印模筒受密封空间内的水压膨胀贴于孔壁重张裂隙时，柔性薄膜压力传感器上完整孔壁和裂隙处的接触压力不同，如图1所示；当印膜筒内水压力为P时，柔性薄膜压力传感器完整孔壁处微段水平方向受力关系有：
P＝F+2T1 sinθ (1)
式中，P为印模筒印模时某一时该的内水压力，F为柔性薄膜压力传感器压力接触面受到的孔壁接触反力，T1为完整孔壁段印模筒微段受到的环向拉力，θ为环向拉力方向与内水压力垂线方向的夹角；
则柔性薄膜压力传感器的压力接触面受到来自孔壁的接触反力F：
F＝P-2T1sinθ (2)
柔性薄膜压力传感器在孔壁裂隙处，其压力接触面未受到来自孔壁的接触反力，F＝0；此时，内水压力与印膜筒的切向拉力水平分量平衡，有P＝2T2sinθ，其中，T2为裂隙孔壁段印模筒微段受到的环向拉力；
由上可见，薄膜压力传感器上完整孔壁和裂隙处存在较大的接触压力差，基于这一特点，可以轻松识别裂隙的产状信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的数据采集器能够自动记录方向定位装置上的方位和柔性薄膜压力传感器上的接触压力及受力过程，从而得到印膜时的孔壁裂隙压力分布图，由于柔性薄膜压力传感器上完整孔壁与裂隙处存在较大的接触压力差，故数据采集装置根据压力差信息获得裂隙的产状信息，再根据电子罗盘定向仪确定的电子感压纸基线位置(一般指向正北)与裂隙关系，可以计算确定出最大水平主应力的方向，故本发明的测量系统实现了全过程电子信息“可视”化孔壁裂隙产状测量，图像化清晰显示破裂隙产状，提高了破裂隙形态辨识度和方向测量准确度；本发明解决了现有技术中需频繁将印模器提出查看结果并进行更换以及提取过程中印模痕迹任意被擦除的问题，而可以快速、连续性印模，大大降低了孔壁裂隙产状测量工作量，提高了测试效率。
附图说明
图1为本发明完整孔壁与裂隙处压力差的原理图；
图2为本发明实施例钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的示意图，其中，(a)为主视图，(b)为(a)中虚线部分的剖面图，(c)为(a)中虚线部分的左视图；
图3为本发明实施例测量系统三维示意图；
图4为本发明实施例中电子模块连接的示意图；
图5为本发明实施例印模结果的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
如图2、图3所示，本发明实施例公开了一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，包括中心管1、印模筒2、方位定向装置3以及数据采集装置4。在本实施例中，中心管1的直径小于钻杆的直径，中心管1在使用时其一端通过变接头5与钻杆连通，其另一端封闭。另外，在中心管1的管壁上设置有多个通孔11。
印模筒2包括遇高压水膨胀的胶筒21以及包裹在胶筒21上的柔性薄膜压力传感器22，其中，胶筒21的内径大于中心管1的外径。柔性薄膜压力传感器22包括压力接触面和非接触面，柔性薄膜压力传感器22的压力非接触面朝向中心管1设置，柔性薄膜压力传感器22的压力接触面背向中心管1设置。为了保护柔性薄膜压力传感器22，在柔性薄膜传感器22上覆盖一层薄薄的胶层23，而为了防止胶层过厚影响柔性薄膜传感器22对压力的敏感度，该胶层23的厚度不超过2mm，在本实施例中，胶层23的厚度为1mm，其中，胶层23和胶筒21均由半硫化橡胶制成。印模筒3套设在中心管1外，其一端与中心管1通过上接头6连接，其另一端与中心管1通过下接头7连接，上接头6与下接头7将胶筒21与中心管1之间的空间密封从而形成密封空间，密封空间通过通孔11与中心管1连通。
在下接头7上套装套筒8，在套筒8内布设供电器9、方位定向装置3、数据采集装置4，将方位定向装置3、柔性薄膜压力传感器22、数据采集器装置4通过电路与供电器9连接好，打开供电器9开关，供电器9为三者供电，如图4。套筒则将设供电器9、方位定向装置3、数据采集装置4密封在其内侧，从而防止三者在工作时遇水损坏。此外，还将柔性薄膜压力传感器22、方位定向装置3与数据采集装置4连接，数据采集装置4采集柔性薄膜压力传感器22感应的压力数据以及获取方位定向装置3采集的方向信息。在试验结束后，再将数据采集装置4通过线路与数据处理装置连接，数据处理装置用于接收数据采集装置4采集的信息并进行处理，当然，也可以在试验过程中将数据采集装置4与数据处理装置连接，数据处理装置实时获取并处理数据采集装置4采集的信息。为了更好地采集有用信息防止不必要应力信息的获取，将数据采集装置4设定为压力阈值触发启动以及停止工作，即压力大于阈值，数据采集装置4被压力触发启动工作；压力小于阈值，数据采集装置4被压力触发停止工作。在本实施例中，压力阈值可设为1MPa，接触压力大于该阈值时数据采集工作启动，小于该阈值时数据采集工作停止。在本实施例中，方位定向装置3为电子罗盘，其始终指向正北向，为后续计算地应力方向提供计算基础。
实施例2
本实施例提供一种根据上述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1、将中心管1与钻杆通过变接头5连接后，将上述的测量系统送至钻孔中地应力试验段产生裂隙处；
步骤2、向钻杆内注入高压水，高压水通过钻杆、中心管1以及中心管1上的通孔11进入到密封空间中，胶筒21在密封空间内的高压水的作用下膨胀紧贴钻孔孔壁，当印模筒3受水压膨胀贴于孔壁重张裂隙时，数据采集装置4受压触发启动并自动记录和存储方向定位装置3上的方位和柔性薄膜压力传感器22上的接触压力及受力过程，由于柔性薄膜压力传感器22上与完整孔壁的接触压力和其与裂隙处的接触压力存在较大的压力差，数据采集装置采集到柔性薄膜压力传感器22的全部压力信息后，数据处理装置根据其采集的压力差信息即可获得裂隙的产状信息；
步骤3、当向钻杆注入的高压水达到目标压力值后，保压一定时间，泄压，泄压过程中，当试验段的水压力小于阈值时，数据采集装置4受压力影响停止工作，即完成当前试验段的裂隙产状信息测量；在本实施例中，目标压力大小根据地应力量值测量的重张压力大小确定，一般约为重张压力的1.3～1.5倍，以保证压裂隙完全张开，达到目前压力值后，保压1-3分钟左右，泄压完成第一段测试；
步骤4、通过增加或减少钻杆的长度并重复上述步骤进行下一试验段裂隙产状的测试，直至完成所有试验段得测试，取出印模器至孔口地表，打开套筒8，供电器9开关，取出数据采集装置4，将数据采集装置4连接至数据处理装置，在本实施例中，数据处理装置为电脑，通过电脑上的专用软件进行视频与图像的显示与处理，得到印膜时的孔壁裂隙压力分布图(见图5)，图5中压力0处形成的线条即对应为孔壁裂隙。在获得孔壁裂隙后，根据电子罗盘确定的基线位置(一般指向正北)与孔壁裂隙之间的位置关系，计算确定最大水平主应力的方向。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，包括：
中心管，在使用时其一端与钻杆连通，其另一端封闭，在中心管的管壁上设置有通孔；
印模筒，其套设在中心管外且两者之间形成密封空间，所述密封空间通过通孔与中心管连通，所述印模筒包括遇高压水膨胀的胶筒以及包裹在胶筒上的柔性薄膜压力传感器，所述柔性薄膜压力传感器包括压力接触面和非接触面，柔性薄膜压力传感器的压力非接触面朝向中心管设置，柔性薄膜压力传感器的压力接触面背向中心管设置；
方位定向装置，其设置在印模筒的端侧；
数据采集装置，其与柔性薄膜压力传感器、方位定向装置连接，用于采集柔性薄膜压力传感器感应的压力数据以及获取方位定向装置采集的方向信息；
数据处理装置，其与数据采集装置连接，用于接收数据采集装置采集的数据并对数据进行处理。
2.根据权利要求1所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，在柔性薄膜压力传感器外覆盖一层遇高压水膨胀的胶层。
3.根据权利要求2所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，胶层的厚度不超过2mm。
4.根据权利要求1所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，中心管与印模筒的两端分别通过接头连接从而将两者之间的空间封闭形成所述密封空间。
5.根据权利要求1所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，所述方位定向装置为电子罗盘。
6.根据权利要求1所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统，其特征在于，在印模筒远离钻杆的一端设置有套筒，数据采集装置、方位定向装置密封在套筒内。
7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将中心管与钻杆连接，再将所述测量系统送至钻孔中地应力试验段产生裂隙处；
步骤2、向钻杆内注入高压水，高压水通过钻杆、中心管以及中心管上的通孔进入到密封空间中，胶筒在密封空间内的高压水的作用下膨胀紧贴钻孔孔壁，数据采集装置自动记录并存储方向定位装置上的方位信息和柔性薄膜压力传感器上的接触压力信息及受力过程，数据处理装置对数据采集装置采集的柔性薄膜压力传感器上完整孔壁与裂隙处存在的压力差信息进行处理获得裂隙的产状信息；
步骤3、当向钻杆注入的高压水达到目标压力值后，保压一定时间后泄压，完成当前试验段的裂隙产状信息；
步骤4、通过增加或减少钻杆的长度并重复上述步骤进行下一试验段裂隙产状的测试，直至完成所有待测试段的产状测量。
8.根据权利要求7所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，其特征在于，数据采集装置设定为压力阈值触发启动、停止工作，即当压力大于阈值，数据采集装置触发启动工作，当压力小于阈值，数据采集装置触发停止工作。
9.根据权利要求7所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，其特征在于，步骤3中的目标压力大小根据地应力量值测量的重张压力大小确定，目标压力为重张压力的1.3～1.5倍。
10.根据权利要求7所述的钻孔孔壁裂隙产状的测量系统的测量方法，其特征在于，步骤3中保压1-3min后泄压。
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