考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种水平有效地应力测试装置，包括多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘、数据存储器、透明保护罩、钻机、钻杆和钻头，多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器安装在钻杆外壁上，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘水平安装，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘分别通过数据线与数据存储器连接，透明保护罩位于钻杆外壁上，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器，钻头通过钻杆与钻机连接。本发明专利技术还提供了考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法，该方法能提高水平有效地应力测试的准确性，简化测试操作、提高测试成功率和降低测试成本。

Horizontal effective geostress test method and test device considering drilling fluid pressure

The invention provides a horizontal and effective in-situ stress testing device, which includes a multi ray phase laser range finder, a three-dimensional electronic compass, a data memory, a transparent protective cover, a drill, a drill rod and a drill, a multi ray phase laser rangefinder, a three-dimensional electronic compass and a data memory mounted on the outer wall of a drill rod, and a multi ray phase excitation. The optical range finder and the three-dimensional electronic compass are installed horizontally. The multi ray phase laser rangefinder and the three-dimensional electronic compass are connected to the data memory respectively through the data line. The transparent protective cover is located on the outer wall of the drill rod. The transparent protective cover covers the multi ray phase laser range finder, the three-dimensional electronic compass and the data memory. The drill passes through the drill rod. Connect with the rig. The invention also provides a horizontal effective in-situ stress testing method considering drilling fluid pressure. This method can improve the accuracy of the effective horizontal stress test, simplify the test operation, improve the test success rate and reduce the test cost.

【技术实现步骤摘要】
考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置
本专利技术属于地应力测试领域，涉及一种考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置。
技术介绍
地应力是存在于地层中的未受到工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性、进行工程岩体稳定性分析、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。地应力状态对于地震预报、区域地壳稳定性评价、高地应力区岩爆以及煤和瓦斯突出的研究等有重要意义。现有的地应力测量主要通过小直径钻孔，减少对原岩应力的扰动，但是无论是直接测量法如刚性包体应力计法、水压致裂法等，还是间接测量法如套孔应力解除法或孔径变形法等都未考虑到钻孔过程中钻井液压力对地应力的影响，加之现有地应力测试方法的操作都较为繁琐复杂，这些都有碍于地应力测量准确性、成功率和测试效率的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置，以提高水平有效地应力测试的准确性，简化测试操作、提高测试成功率和降低测试成本。本专利技术提供的水平有效地应力测试装置，包括多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘测量数据的数据存储器、透明保护罩、钻机、钻杆和钻头，钻头钻取的钻孔直径比钻杆外径大9～12cm，多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器安装在钻杆外壁上，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘水平安装，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘分别通过数据线与数据存储器连接，透明保护罩位于钻杆外壁上，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器，钻头通过钻杆与钻机连接。上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘通过转角支撑件和螺钉安装于钻杆外壁上。在钻头直径一定的情况下，为了尽可能地减小钻杆外径与钻头钻取的钻孔的直径的差异，优选在钻杆外壁上设置凹槽，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘均部分嵌入凹槽中并通过转角支撑件和螺钉固定于凹槽中。数据存储器最好也安装在钻杆外壁上的凹槽中，由于数据存储器的安装方向没有限制，数据存储器可以直接通过螺钉固定在钻杆外壁上、也可以通过转角支撑件和螺钉安装于钻杆外壁上、还可以通过胶布缠绕的方式固定于钻杆外壁上。上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，透明保护罩由有机玻璃制作，透明保护罩的大小恰好能将多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器罩在透明保护罩中即可，透明保护罩与钻头钻取的钻孔的壁面最接近处的距离至少为1cm，优选为1～3cm。上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，透明保护罩通过平行于钻杆轴线设置的滑轨安装在钻杆外壁上，透明保护罩的上端或下端设有开口，在开口处设有活动挡板挡住开口。上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，所述钻杆包括多根，各钻杆之间通过螺纹连接，多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器安装在与钻头直接相连的钻杆上。上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，所述钻机的转速是可以调整的，在钻机慢速转动时，能够带动钻杆以3～5r/min的转速匀速转动。本专利技术还提供了一种考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法，该方法使用上述水平有效地应力测试装置进行测试，步骤如下：①确定待进行水平有效地应力的目标岩体，勘探或根据勘探资料查阅目标岩体不同深度处岩层的岩性，采用单轴压缩试验测定不同深度岩层的弹性模量和泊松比；②在目标岩体上钻取垂直于水平面的钻孔，在钻进过程中通入钻井液冷却钻头，当多光尺相位激光测距仪在钻孔中的位置达到目标深度后，停止钻进，确保钻杆的轴线与钻孔的轴向重合，调整钻机的转速使钻杆以3～5r/min的转速匀速转动，测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据存储器中；③将数据存储器取出并将其中储存的数据传输给计算机处理系统，将三维电子罗盘测定的角度数据与多光尺相位激光测距仪测定的距离数据匹配，建立坐标系构建钻孔在目标深度处径向面的形态，在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，即构建的钻孔在目标深度处径向面的形态呈椭圆形；计算所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，然后根据式(Ⅰ)～(Ⅱ)计算分别钻孔在长轴和短轴方向的位移，根据式(Ⅰ)～(Ⅱ)组成的二元一次方程组计算目标测量深度的水平有效地应力，式(Ⅰ)～(Ⅱ)中，uc,ud依次为钻孔长轴和短轴方向的位移，2a,2b依次为所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，d为钻孔的初始直径，σ1‘,σ2‘依次为最小和最大水平有效地应力，E为目标测量深度处岩体的弹性模量，μ为目标测量深度处岩体的泊松比，P为目标测量深度处的钻井液压力，P＝γh，γ为钻井液容重，h为目标测量深度。本专利技术提供的考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法建立在小直径钻孔对原地应力扰动较小的基础上，以平板圆孔模型，与厚壁圆筒的公式共同建立地应力与钻井液压力之间的关系，原理为钻孔导致的地应力释放后，钻孔会发生变形，在钻孔周边会产生径向位移和切向位移，通过测量产生的径向位移和切向位移值来反向计算原位地应力。以平板圆孔模型，与厚壁圆筒的公式共同建立地应力与钻井液压力之间的关系，如以下公式(Ⅲ)～(Ⅳ)所示。其中，ur，vθ为钻孔的径向位移和切向位移，d为钻孔的初始直径，m为目标测量深度所在测量断面上，变形后的钻孔在沿着设定的x轴逆时针旋转θ角度后的孔壁到钻孔中心的距离，该距离通过多光尺相位激光测距仪测得，σ1‘,σ2‘依次为最小和最大水平有效地应力，E为目标测量深度处岩体的弹性模量，μ为目标测量深度处岩体的泊松比，P为目标测量深度处的钻井液压力，P＝γh，γ为钻井液容重，h为目标测量深度。但从上述切向位移的表达式(式(Ⅳ))可以看出，当沿着设定的x轴旋转的角度θ为0°、90°、180°和270°时，钻孔变形后在这些点并无切向位移而只有径向位移，基于此，选择沿着设定的x轴旋转的角度θ为0°、90°组成一元二次方程组(式(Ⅰ)～(Ⅱ)组成的二元一次方程组)，结合此时的钻孔径向位移值，即可计算出目标测量深度处的水平有效地应力。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果：1.本专利技术提供了一种测试水平有效地应力的装置，该装置包括多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器，并将它们安装在钻杆上、通过透明保护罩罩住它们以防钻孔钻机过程中对它们造成损坏，当采用钻机钻进至多光尺相位激光测距仪达到目标测量深度后，停止钻进，调整钻机钻速使钻杆缓慢匀速转动，即可通过多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘测得钻孔变形的位移数据和相应的角度信息可以重建钻孔在目标深度处径向面的形态，结合压力数据及岩体的弹性模量和泊松比，即能实现水平有效地应力的测定。2.本专利技术提供的水平有效地应力测试装置的主要测量部件安装在钻杆上，在对岩体进行钻孔的过程中即可实现目标深度处的水平有效地应力的测定，无需另外采用仪器按照特定操作专门钻孔进行测量，采用本专利技术的装置，能够有效简化水平有效地应力测试的操作。3.本专利技术提供的水平有效地应力测试装置采用现有仪器的组合安装即可形成，结构简单，无需使用特殊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水平有效地应力测试装置，其特征在于包括多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)测量数据的数据存储器(3)、透明保护罩(4)、钻机(5)、钻杆(6)和钻头(7)，钻头(7)钻取的钻孔直径比钻杆外径大9～12cm，多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)和数据存储器(3)安装在钻杆(6)外壁上，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)水平安装，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)分别通过数据线与数据存储器(3)连接，透明保护罩(4)位于钻杆外壁上，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)和数据存储器(3)，钻头(7)通过钻杆(6)与钻机(5)连接。

【技术特征摘要】
1.一种水平有效地应力测试装置，其特征在于包括多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)测量数据的数据存储器(3)、透明保护罩(4)、钻机(5)、钻杆(6)和钻头(7)，钻头(7)钻取的钻孔直径比钻杆外径大9～12cm，多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)和数据存储器(3)安装在钻杆(6)外壁上，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)水平安装，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)分别通过数据线与数据存储器(3)连接，透明保护罩(4)位于钻杆外壁上，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪(1)、三维电子罗盘(2)和数据存储器(3)，钻头(7)通过钻杆(6)与钻机(5)连接。2.根据权利要求1所述水平有效地应力测试装置，其特征在于，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)通过转角支撑件和螺钉安装于钻杆(6)外壁上。3.根据权利要求2所述水平有效地应力测试装置，其特征在于，钻杆外壁上设有凹槽(8)，多光尺相位激光测距仪(1)和三维电子罗盘(2)均部分嵌入凹槽中并通过转角支撑件和螺钉固定于凹槽中。4.根据权利要求3所述水平有效地应力测试装置，其特征在于数据存储器(3)安装于钻杆外壁上的凹槽(8)中。5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述水平有效地应力测试装置，其特征在于所述透明保护罩(4)由有机玻璃制作。6.根据权利要求5中任一权利要求所述水平有效地应力测试装置，其特征在于透明保护罩通过平行于钻杆轴线设置的滑轨(9)安装在钻杆外壁上。7.根据权利要求6所述水平有效地应力测试装置，其特征在于，透明保护罩的上端或下端设有开口，在开口处设有活动挡板(10)挡住开口。8.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明忠，陆彤，吕有厂，张建国，汪文勇，刘强，陈海亮，彭高友，王明耀，王飞，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51