CN202256695U

CN202256695U - 一种钻孔倾斜仪井下探头

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Publication number: CN202256695U
Application number: CN2011203585080U
Authority: CN
Inventors: 欧阳祖熙
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-09-22

Abstract

本实用新型公开了一种钻孔倾斜仪井下探头，包括密封金属筒及设在其内的传感器，在密封金属筒内还设有倾斜零点调节装置，该传感器包括有由上至下设置的设有电子罗盘的电路板以及两个正交设置的电容式倾斜传感器，该设有电子罗盘的电路板垂直的连接在该密封金属筒内壁，该电容式倾斜传感器安装在该倾斜零点调节装置上。本实用新型采用了内置电子罗盘定向，还采用水泥固结或石英砂填埋等井下安装方式，以改善与地球的耦合质量，提高系统的稳定性，并突破几十米的安装深度的限制；设置了可以轴向调节的倾斜零点调节装置，使钻孔倾斜仪井下探头的外径更小，能利用多数现有的地质、水文与石油系统废弃的钻井，同时还能使该钻孔倾斜仪工作动态范围更宽。

Description

一种钻孔倾斜仪井下探头

技术领域

本实用新型涉及精密测量装置技术领域，更具体的说是涉及一种用于连续观测地壳的倾斜变形的钻孔倾斜仪井下探头。

背景技术

连续观测地壳的倾斜变形是预报强地震发生的有效途径之一。地倾斜是一个伪矢量，它不但有大小的变化，还有方向的变化，通常用倾角和倾向来描述。在台站实际观测中，需要在互成直角的两个方向上同时开展大地倾斜的测量，才能全面地了解地倾斜的变化情况。以往的几十年里，国内、外观测地倾斜，均是以洞体观测为主；所使用的仪器主要有长水管倾斜仪和水平摆倾斜仪等。这些仪器发展历史悠久，精度高，稳定性好，成为洞体仪器的主体。目前国内常用的倾斜仪，有SQ-70型石英丝水平摆倾斜仪，FSQ型浮子式自记水管倾斜仪，JB金属丝水平摆倾斜仪，VS型垂直摆倾斜仪等几大类，有300多台投入观测。这些仪器绝大多数都安装在有一定长度的窿道或山洞内，以避免温度与湿度变化，以及人类活动等对地倾斜观测的干扰，安装条件比较苛刻，建站费用也非常昂贵。地壳伸缩-应变观测也有同样的问题。随着我国城市化进程的加快，符合安装条件的台址越来越难找到，地倾斜-地形变观测受到严重制约。尤其是华北与东南部沿海平原地区，及大城市一带，已经成为形变-应变观测的空白区。

钻孔型仪器，包括钻孔倾斜仪和钻孔应变仪，它们几乎可以在任何地理环境下工作，且具有与洞体仪器相当的技术指标，经过国内、外科学家40多年的探索和试验，已经取得多方面的进展，为今后形变观测向深度广度发展打下了良好的基础。钻孔型仪器相对于在地表和山洞中工作的仪器有以下几方面优越性：

(1)由于钻孔仪器一般要安装在地下几十米到几百米深的井孔内，有效地抑制了地球表面气象因素变化和人类工程活动等带来的干扰。

(2)由于不需要开凿山洞，故可以在山区、平原，甚至沙漠、海底都可以钻孔安装，进行观测。具有极强的环境适应性。

(3)钻井安装仪器，相比开凿山洞更加经济，高效。

正是由于钻孔型仪器具备诸多的优越性，早在上世纪70年代德国、日本、美国相继开展了钻孔倾斜仪的研制，并逐渐得到推广应用。

但是，由于钻孔倾斜仪安装在深钻井中，约10公分的井孔直径限制了仪器的体积，仪器的结构设计受到制约，要达到高的灵敏度，大的动态范围和良好的稳定性具有较大的难度。其次，由于安装在深井内，甚至用水泥固结安装，再取出维修很困难，要求仪器必须具有更高的可靠性。再次，井下仪器人无法靠近，就要求测量系统具有很强的远距离控制功能。最后，随着深度增加，还有随之而来的高温、高压问题，都给钻孔倾斜仪的发展带来了更大的难度。

国际上，上世纪70年代初期，美国科学家运用罗克威尔公司(Rockwell)开发出的高精度气泡倾斜传感器，设计了一种钻孔倾斜仪，安装于数米深的浅井中进行地震监测预报研究。新的钻孔倾斜测量系统很快在1973年和1974年霍利斯特地震之前记录到明显的前兆异常，于是，USGS(美国地质调查局)倾斜仪台网在此后的两年里迅速发展，在加州西部建立了74个观测站，安装了84台仪器。但是，之后积累的大量观测资料说明，安装在浅井中的倾斜仪记录的基本上是各种气象变化与人为活动的干扰。1982年以后，大多数USGS浅井倾斜仪已不再用于地震预测研究。气泡倾斜仪无论本身性能如何好，安装在浅井中并不能拾取到大地真实的倾斜变化。这使人们认识到，用于地球物理观测的仪器在实际应用中首先要解决的一个重要问题，就是如何实现与地球的耦合。

之后，德国研制出一种钻孔倾斜仪，即由Askania公司生产的GBP-10钻孔倾斜仪。该钻孔倾斜仪由观测井、探头外壳、悬吊与支撑部件、摆体、锁摆机构、重锤、差动电容式位移传感器、标定元件等8部分组成，观测井事先需安装不锈钢套管；倾斜仪落入后，依靠底部支点与顶端支撑杆得以固定。倾斜仪的摆体采用万向结悬挂于探头外壳钢筒上，摆体可在任意竖直面内摆动，自由状态下可保持垂直姿态，此时将其锁定即可实现仪器调零。摆体被锁定后，它会跟随钻孔倾斜而改变倾角，其内置重锤为自由悬吊，将始终保持垂直位置，因此，固定于其上的电容式位移传感器动极板，与固定在摆体上的定极板产生相对差动位移，测量传感器电容量的变化，可以输出比例于地面倾角的信号。该钻孔倾斜仪零敏度为1×10^-9弧度，探头尺寸为2000mm×φ140mm，设计安装深度在15m～70m之间，仪器售价约20万美元。

地倾斜观测从上世纪70年代以来，在我国开展得比较广泛，但大多数是在山洞与隧道中进行。在钻孔内观测地倾斜的工作起步较晚，国家地震局天津测量队于上世纪80年代，曾研制出一种气泡式钻孔倾斜仪，后因所研制的气泡倾斜传感器工作寿命较短，未能进一步推广运用。与此同时，河南省地震局马鸿钧等研制出采用电容式位移传感器的“CBZ-1型竖直摆钻孔倾斜仪”，观测效果比较好，得到一定程度的推广运用。如图1所示，CZB-1型钻孔倾斜仪主要由仪器主体、地面控制箱，和记录器三部分组成。仪器主体就是井下的部分，仪器外壳是一个圆柱形密封耐压钢筒(7)，外径为Φ127mm。筒内装有垂直悬挂的摆体(21)，在摆体(21)的周围安装了两套用来测量微小位移量的电容传感器，包括传感器电路(18)、万向结(19)、锁摆机构(20)和电容极板(22)，由于地壳的倾斜变化，引起摆体(21)与支撑架的相对位移，电容传感器可以将产生的微小位移量转变成与之对应的电压变化，该电压变化就反映了地倾斜的变化。为了使仪器能在井孔内长期正常工作，井下仪器内设有精细的机械调零机构(24)，通过调零电机(25)调整摆系的最佳工作状态。仪器内还设置有标定器(23)，以便随时检查仪器的灵敏度系数。为了按适当的方位把仪器安装到井底，在井孔底部应先安装一个定向底座，推靠在井孔壁上，起着支撑仪器和确定仪器方位的作用。仪器的上部有将仪器卡紧到井壁的机械装置，包括重块(16)和滑块(17)，用提环(10)将仪器下到井底后，它会自动把仪器固定在井下。在需要提出来检修时，它又能自动放松，使仪器顺利提出。CZB-1型竖直摆倾斜仪设计安装井深在30米左右，倾斜仪灵敏度达0.0002角秒，探头尺寸为1500mm×φ127mm。

就国内目前使用的“CBZ-1型竖直摆钻孔倾斜仪”来说，现有技术存在如下的问题：首先，因为使用的定向与机械接触的安装技术使得仪器安装深度受限制；其次，通过几个机械支撑点与岩石孔壁接触，仪器和地球的耦合效果欠佳，系统的稳定性受到一定影响；再次，一个垂直悬挂的摆，配两套电容位移传感器的极板进行测量，零点调整时将互相影响，操作复杂；最后，该仪器外壳钢筒外径为Φ127mm，比较大，不能安装在多数地质、水文与石油系统废弃的井中，因而不利于推广应用，有必要加以改进。

实用新型内容

本实用新型就是为解决上述问题而提供的一种钻孔倾斜仪井下探头，采用了内置电子罗盘定向，还采用水泥固结或石英砂填埋等井下安装方式，以改善与地球的耦合质量，提高系统的稳定性，并突破几十米的安装深度的限制；另外，还设置了可以轴向调节的倾斜零点调节装置，使钻孔倾斜仪的外径更小，能利用多数现有的地质、水文与石油系统废弃的钻井，同时还能使该钻孔倾斜仪工作动态范围更宽。

本实用新型是采用如下技术方案来实现上述目的的：一种钻孔倾斜仪井下探头，包括密封金属筒及设在其内的传感器，在密封金属筒内还设有倾斜零点调节装置，该传感器包括有由上至下设置的设有电子罗盘的电路板以及两个正交设置的电容式倾斜传感器，该设有电子罗盘的电路板垂直的连接在该密封金属筒内壁，该电容式倾斜传感器安装在该倾斜零点调节装置上。

作为上述方案的进一步说明：

优选地，所述倾斜零点调节装置包括支架、两个步进电机以及倾斜测量平台，该支架主要由上基板、底板以及连接在二者之间的支柱构成，该倾斜测量平台由球形支点连接在上基板上方，该步进电机安装在该支架内，该步进电机的机轴由丝杠装置连接在倾斜测量平台下方，该设有电子罗盘的电路板内置微处理器接收地面仪器发出的指令，控制步进电机动作以调节该测量平台的姿态。

优选地，所述丝杠装置包括依次连接在该步进电机的机轴上的联轴节、螺栓和传动丝杠，该传动丝杠穿透上基板并连接在倾斜测量平台的下表面。

优选地，所述电容式倾斜传感器包括有屏蔽壳及设在其内的固定板、悬吊梁、动极板和定极板，该固定板安装在屏蔽壳内底部，该悬吊梁垂直安装在该固定板上，该动极板悬挂在该悬吊梁上，该定极板与该动极板平行地设置在该动极板两侧，且该定极板固定连接在该悬吊梁上。

优选地，所述动极板由簧片通过机械卡具连接在悬吊梁上，该动极板与该簧片及定极板平行。

优选地，所述倾斜零点调节装置下方设有与密封金属筒连接的密封底座，在设有电子罗盘的电路板上方设有与密封金属筒连接的引线密封盘，所述传感器及倾斜测量装置的信号电缆从该引线密封盘引出密封金属筒，该密封底座和引线密封盘与密封金属筒构成密封空间。

优选地，所述密封金属筒上端设有扶正器，该扶正器包括三个以上的弹性支撑臂，该支撑臂沿密封金属筒外圆均匀分布，使得井下倾斜仪处于钻孔中心位置。

优选地，所述密封金属筒上端还设有用于保护信号电缆的电缆密封筒。

优选地，所述密封金属筒上端连接有用于吊装的提环。

本实用新型采用以上技术方案所能达到的有益效果是：本实用新型所述的钻孔倾斜仪井下探头采用电容式倾斜传感器，且其动极板由簧片连接在悬吊梁上，由于动极板只对垂直于簧片平面的倾斜变化敏感，所以必须在两个互相垂直的方向上采用两套独立的电容式倾斜传感器来进行测量，才能获得真实的地倾斜变化，这种结构使得倾斜传感器的结构简单，而且体积小巧，再加上设在电容式倾斜传感器下端的倾斜零点调节装置的巧妙配合，全部调节部件都在密封金属筒内轴向排布，不但保证了较大的动态调节范围，也减小了钢筒的外径，因此可以充分利用地质、水文与石油部门的废弃钻孔资源，便于在高精度地球物理观测及地震监测预报等领域的工作中推广应用，又由于内置了电子罗盘，并改进了井下倾斜仪与地层岩石的耦合方式，故本实用新型所述的钻孔倾斜仪可以安装在较深的钻井中。

附图说明

图1是现有的CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪井下探头的结构示意图；

图2是本实用新型所述钻孔倾斜仪井下探头的结构示意图；

图3是本实用新型所述电容式倾斜传感器的结构示意图；

图4是本实用新型所述倾斜零点调节装置的结构示意图；

图5是本实用新型所述钻孔倾斜仪井下探头的安装示意图；

图6是本实用新型所述电容式倾斜传感器输出特性的标定结果。

附图标记说明：

1-井下探头，2-耦合材料，3-信号电缆，4-钢丝绳，5-套管，6-井口套管，7-密封钢筒，8-扶正器，9-电缆密封筒，10-提环，11-引线密封盘，12-设有电子罗盘的电路板，13-电容式倾斜传感器，14-倾斜零点调节装置，15-密封底座，16-重块，17-滑块，18-传感器电路，19-万向结，20-锁摆机构，21-摆体，22-电容极板，23-标定器，24-调零机构，25-调零电机，26-定向头，131-动极板，132-定极板，133-簧片，134-悬吊梁，135-固定板，136-屏蔽壳，137-机械卡具，140-传动丝杠，141-倾斜测量平台，142-球形支点，143-上基板，144-步进电机，145-底板，146-支柱，147-中间板，148-联轴节，149-螺栓。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的结构和功能，以下结合附图和优选的实施例对本实用新型作详细说明，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

图1为现有的CZB-1型竖直摆钻孔倾斜仪井下探头的结构示意图，在背景技术中已有介绍，在此不再赘述。

图2为本实用新型所述钻孔倾斜仪井下探头1的结构示意图，如图中所示，该钻孔倾斜仪井下探头1包括有密封钢筒7及设在其内的传感器，在密封钢筒7内还设有倾斜零点调节装置14，该传感器包括有由上至下设置的设有电子罗盘的电路板12以及两个正交设置的电容式倾斜传感器13，该设有电子罗盘的电路板12垂直的连接在该密封钢筒7内壁，该电容式倾斜传感器13安装在该倾斜零点调节装置14上。倾斜零点调节装置14下方设有与密封钢筒7连接的密封底座15，在设有电子罗盘的电路板12上方设有与密封钢筒7连接的引线密封盘11，传感器及倾斜测量装置的信号电缆3从该引线密封盘11引出密封钢筒7，该密封底座15和引线密封盘11与密封钢筒7构成密封空间。在密封钢筒上端还设有扶正器8，它由仪器外壳沿圆周对称分布的4个带弹簧的支撑臂组成，使得倾斜仪能够处在钻孔的中心位置，为其实现与地壳良好的耦合提供保证。在密封钢筒上端还设有提环10和用于保护信号电缆3的电缆密封筒9，从引线密封盘11引出的信号电缆3经由电缆密封筒9引出至地面，提环10用于固定钢丝绳4，以便安装时将探头悬吊于井中，并落入井底。

设有电子罗盘的电路板12可用于测量方位，试验证明，井下探头1内部的铁磁物质对设有电子罗盘的电路板12的影响是确定的，通过进行补偿，可以克服这些部件的影响，这样，用设有电子罗盘的电路板12配以简单的电源、通讯接口电路和上位机，利用简单的测量程序就可以轻松实现井下定位功能。初步的实验表明，井下定位精度达到了±3°。

图3为本实用新型所述电容式倾斜传感器13的结构示意图，如图中所示，该电容式倾斜传感器13包括有屏蔽壳136及设在其内的固定板135、悬吊梁134、动极板131和定极板132，该固定板135安装在屏蔽壳136内底部，该悬吊梁134垂直安装在该固定板135上，该动极板131由簧片133通过机械卡具137连接在悬吊梁134上，该动极板131与该簧片133及定极板132平行，该定极板132平行的设置在该动极板131两侧，且该定极板132固定在悬吊梁134上。

这里，地倾斜的变动通过该动极板131的摆动转化为位移，并采用数字式电容位移测量技术，把测量电路靠近定极板132安装，可以较好地抑制噪声与干扰。动极板131只对垂直于簧片133平面的倾斜变化敏感，所以必须在两个互相垂直的方向上采用两套独立的电容式倾斜传感器13来进行测量，分别实现两个正交方向倾角的观测，以达到测量大地倾斜矢量的要求。最终，该电容式倾斜传感器13的簧片133长度约70mm，悬吊的动极板131重量在300克左右，极板间距约0.1mm，其固有振动周期小于1秒，因此，对于监测地倾斜固体潮信号，本实用新型所述的井下探头1具有较高的动态响应性能，能及时跟踪伴随构造活动的地壳倾斜变形，具有体积小、重量轻、稳定性好等特点。实验结果表明，系统噪声达0.0002角秒，在±0.5°基本测量范围内输出线性度优于0.5％。图6即为本实用新型所述的电容式倾斜传感器13输出特性的标定结果示例。

图4是本实用新型所述倾斜零点调节装置14的结构示意图，如图中所示，该倾斜零点调节装置14包括支架、两个步进电机144以及倾斜测量平台141，该支架主要由上基板143、底板145以及连接在二者之间的支柱146构成，在上基板143和底板145之间还设有用于固定步进电机144的中间板147，该倾斜测量平台141由球形支点142连接在上基板143上方，该步进电机144安装在该支架内，该步进电机144的机轴由丝杠装置连接在倾斜测量平台141下方。该丝杠装置包括依次连接在该步进电机144的机轴上的联轴节148、螺栓149和传动丝杠140，该传动丝杠140穿透上基板143并连接在倾斜测量平台141的下表面。在倾斜测量平台141上方设有两个正交设置的电容式倾斜传感器13，上一个电容式倾斜传感器13的底部固定连接在下一个电容式倾斜传感器13的屏蔽壳136顶部，下一个电容式倾斜传感器13的底部固定连接在倾斜测量平台141上表面。

两个步进电机144调节点及球形支点142的连线互相垂直，并分别与某一方向的电容式倾斜传感器13的测量方向一致，因此，当需要在某一个方向调节倾斜测量平台141的倾斜角度时，便可控制该方向的步进电机144旋转，它将带动螺栓149转动，最后使传动丝杆发生向上或者向下的位移，达到调节测量平台倾角的目的。在实验样机取外形尺寸1000mm×φ89mm时，该倾斜平台的调节范围大于±5°。

图5是本实用新型所述钻孔倾斜仪井下探头1的安装示意图，如图中所示，该井下探头1可采用水泥固结或者沉砂方式实现与地壳耦合，具体采用何种耦合材料2应视具体情况而定，该井下探头1在下井过程中使用钢丝绳4悬吊，以保护信号电缆3不被损坏。钻孔应选在地层较平坦、完整的地区，钻井深度一般不应小于40米。钻孔浅部需下井口套管6以隔离破碎带对观测井的影响，其深部若是基岩，可以为裸孔，如果是土层，则需下套管5对整个井筒进行保护。

该井下探头1在下井前，应在密封钢筒7内充入具有一定粘度的硅油，其作用有三点：一是增大阻尼，可有效地从传感器前端滤除高频噪声并保护悬吊重物的簧片133；其次，由于电容传感器极板间充满介电常数为2.7的硅油，使得因极板位移产生的电容量变化增大了约2.7倍，能够明显提高倾斜仪的灵敏度系数；最后，可以隔离潮气，保证传感器性能的长期稳定。

本实用新型上述实施例和附图所示仅为本实用新型较佳实施例之一，并不能以此局限本实用新型，在不脱离本实用新型精髓的条件下，本领域技术人员所做的任何变动，包括与其它井下仪器组合成井下多参数综合观测系统，都属本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种钻孔倾斜仪井下探头，包括密封金属筒及设在其内的传感器，其特征在于，在密封金属筒内还设有倾斜零点调节装置，该传感器包括有由上至下设置的设有电子罗盘的电路板以及两个正交设置的电容式倾斜传感器，该设有电子罗盘的电路板垂直的连接在该密封金属筒内壁，该电容式倾斜传感器安装在该倾斜零点调节装置上。

2.根据权利要求1所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述倾斜零点调节装置包括支架、两个步进电机以及倾斜测量平台，该支架主要由上基板、底板以及连接在二者之间的支柱构成，该倾斜测量平台由球形支点连接在上基板上方，该步进电机安装在该支架内，该步进电机的机轴由丝杠装置连接在倾斜测量平台下方。

3.根据权利要求2所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述丝杠装置包括依次连接在该步进电机的机轴上的联轴节、螺栓和传动丝杠，该传动丝杠穿透上基板并连接在倾斜测量平台的下表面。

4.根据权利要求1或2所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述电容式倾斜传感器包括有屏蔽壳及设在其内的固定板、悬吊梁、动极板和定极板，该固定板安装在屏蔽壳内底部，该悬吊梁垂直安装在该固定板上，该动极板悬挂在该悬吊梁上，该定极板与该动极板平行的设置在该动极板两侧，且该定极板固定连接在该悬吊梁上。

5.根据权利要求4所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述动极板由簧片通过机械卡具连接在悬吊梁上，该动极板与该簧片及定极板平行。

6.根据权利要求4所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述倾斜零点调节装置下方设有与密封金属筒连接的密封底座，在设有电子罗盘的电路板上方设有与密封金属筒连接的引线密封盘，所述传感器及倾斜测量装置的信号电缆从该引线密封盘引出密封金属筒，该密封底座和引线密封盘与密封金属筒构成密封空间。

7.根据权利要求1所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述密封金属筒上端设有扶正器，该扶正器包括三个以上的弹性支撑臂，该支撑臂沿密封金属筒外圆均匀分布。

8.根据权利要求1所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述密封金属筒上端还设有用于保护信号电缆的电缆密封筒。

9.根据权利要求1所述的钻孔倾斜仪井下探头，其特征在于，所述密封金属筒上端连接有用于吊装的提环。