地应力测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了地应力测试装置，包括超前钻具，超前钻具包括超前钻具外管和超前钻具内管，地应力测试装置还包括触头式孔径应变测量装置，触头式孔径应变测量装置包括依次连接的打捞悬挂部件、电路仓部件、测量延伸杆、触头部件和防冲击部件，本发明专利技术还公开了地应力测试方法，本发明专利技术具有离线记录储存数据的功能，突破测量深度的限制；将超前钻具和触头式孔径应变测量装置分离，保障触头式孔径应变测量装置的安全；安装、测量、回收，操作方便，容易实现，测量效率更高。

【技术实现步骤摘要】
地应力测试装置及测试方法
本专利技术属于岩石力学试验
，具体涉及地应力测试装置，还涉及地应力测试方法。
技术介绍
地应力是引起采矿、水利水电和其他各种地下或露天岩土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，进行围岩稳定性分析，实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。随着深部工程建设不断向深部发展，特别是大型地下电站、地下洞室以及深部页岩气开采，在深部工程稳定性分析中，地应力状态是最重要最根本的因素之一，进行地应力测试是开挖设计、岩体稳定性评价以及工程灾害预测的重要内容。应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展时间最长、技术较为成熟的一种地应力测量方法，在测定地应力的适用性和可靠性方面，目前还没有哪种方法可以和应力解除法相比。其测试原理是采用套钻的方式实现套孔岩芯的完全应力解除，使测点岩体完全脱离地应力作用，从而确定地应力大小和方向。目前，应力解除法已形成一套标准的测量程序，具体步骤为：（1）从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道的表面向岩体内部打一个大的钻孔，直至需要测量岩体应力的部位；（2）从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所选用的探头直径决定；（3）用一套专用装置将测量探头安装到小孔中央部位；（4）用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延伸大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除。基于该方法研制的地应力测量设备已有很多应用案例，该方法通过测量岩石形变量来确定地应力大小和方向，具有测量精度高的特点，但是大多数测量设备难以适应深钻孔下高温、高压的环境条件。传统的应力解除法设备通常采用电子类测量元器件，高温会使测量元器件出现温度漂移、零点漂移，高渗透压会导致元器件粘贴困难、设备进水等问题，尤其是当元器件与孔壁黏合不牢固时，会严重影响测试结果的准确性。此外，传统应力解除法完成一次测量工作，需要等待井下粘合剂固结，同时需要提放钻杆4次，对于深孔和超深孔内的地应力测量，工序复杂，工期过长。目前，深度超过500米的钻孔，大多采用绳索取芯钻具进行钻探，绳索取芯钻具最大的优势在于快速提放钻杆，而现有的应力解除法地应力测试均需要与单管取芯钻具配合来完成，在绳索取芯钻具条件下，测量元件安放、穿线、解除钻进等操作无法实现，也导致了深钻孔内，尤其是绳索取芯钻具条件下，难以进行应力解除法地应力测试。综上，传统的测量技术、测量元器件、测试流程不能满足深钻孔在绳索取芯钻具下进行应力解除法地应力测试的需求，迫切需要新的测量技术、测量元器件及测试流程。
技术实现思路
本专利技术的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供地应力测试装置，还提供地应力测试方法。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：地应力测试装置，包括超前钻具，超前钻具包括超前钻具外管和超前钻具内管，超前钻具外管包括弹卡管和绳索取芯钻具外管，弹卡管一端与绳索取芯钻具外管一端连接，绳索取芯钻具外管另一端设置有环形内台阶，环形内台阶的内沿形成扶正器穿出孔，绳索取芯钻具外管设置有环形内台阶的一端外壁设置有金刚石颗粒，绳索取芯钻具外管设置有环形内台阶的一端以及环形内台阶构成钻具外管钻头，超前钻具内管包括弹卡件、传力延伸杆、扶正环、钻杆延伸杆和扶正器，弹卡件设置在弹卡管内，弹卡管内壁开设有与弹卡件适配的卡槽，弹卡件与传力延伸杆一端连接，传力延伸杆另一端与扶正器一端连接，扶正器另一端穿过扶正器穿出孔与钻杆延伸杆一端连接，钻杆延伸杆另一端设置有孕镶金刚石，扶正环的内圈活动套设在扶正器上，扶正环的外圈与绳索取芯钻具外管的内壁连接。如上所述的弹卡件包括弹卡架外筒体、弹卡拉动部和弹卡钳，弹卡钳包括旋转销、线状张簧和两个卡钳叶片，旋转销与弹卡架外筒体内壁连接，两个卡钳叶片一端均活动套设在旋转销上，两个卡钳叶片的另一端分别与线状张簧的两端连接，线状张簧的中部与弹卡拉动部连接，弹卡拉动部与钻具打捞矛头连接，弹卡架外筒体侧壁上与卡钳叶片对应的部分开设有卡钳叶片伸出孔，弹卡架外筒体一端与传力延伸杆一端连接，弹卡架外筒体与传力延伸杆的一端套设有限位环，悬挂环的内圈活动套设在传力延伸杆与弹卡架外筒体连接的一端上，悬挂环的外圈与绳索取芯钻具外管的内壁连接，卡槽与卡钳叶片伸出孔的位置相对应。如上所述的传力延伸杆和钻杆延伸杆均为中空管，扶正器内设置有过流通道，传力延伸杆的中空部两端分别与过流通道一端以及弹卡架外筒体连通，过流通道另一端与钻杆延伸杆的中空部连通，钻杆延伸杆设置有孕镶金刚石的一端开设有出液孔。如上所述的扶正器包括扶正粗端和扶正细端，扶正粗端和扶正细端轴接，扶正细端穿过环形内台阶形成的扶正器穿出孔，扶正粗端穿过扶正环，扶正粗端的外径大于扶正细端的外径，扶正粗端的外径小于扶正环的内径，扶正粗端的外径还小于悬挂环的内径，过流通道贯穿扶正粗端和扶正细端。地应力测试装置，还包括触头式孔径应变测量装置，触头式孔径应变测量装置包括依次连接的打捞悬挂部件、电路仓部件、测量延伸杆、触头部件和防冲击部件，打捞悬挂部件包括测量打捞矛头和密封盖，测量打捞矛头与密封盖一侧连接，密封盖另一侧设置有密封盖内丝扣端，启动开关一端安装有航空插件公接头，启动开关的外周设置有开关连接外丝扣，数据传输接口的两端分别为第一连接端和第二连接端，第一连接端外周设置有与密封盖内丝扣端适配的传输接口外丝扣，第一连接端内设置有与开关连接外丝扣适配的传输接口内丝扣，第一连接端内还设置有与航空插件公接头适配的航空插件母接头，第二连接端通过丝扣与电路仓部件一端连接，电路仓部件另一端通过丝扣与测量延伸杆一端连接，电路仓部件与测量延伸杆连接的一端外周套设有锥形的孔底扶正器，测量延伸杆另一端通过丝扣与触头部件一端连接，触头部件另一端镶嵌有防冲击部件，密封盖的直径大于环形内台阶的内径。地应力测试方法，包括以下步骤：第一步，组装好超前钻具外管和超前钻具内管，将钻杆通过丝扣与超前钻具外管的弹卡管连接，使用钻杆将超前钻具外管吊入钻井井内，第二步，将绳索取芯打捞器接到超前钻具内管的钻具打捞矛头，将超前钻具内管吊入钻杆内，下放绳索取芯打捞器，直到超前钻具内管的弹卡件进入超前钻具外管的弹卡管内壁的卡槽内，将绳索取芯打捞器与钻具打捞矛头脱离，第三步，钻机带动钻杆，钻杆带动超前钻具内管和超前钻具外管，下放到孔底，使钻杆延伸杆的末端接触到岩石，然后启动钻机，打开泥浆泵，钻井液经过泥浆泵送入钻杆，又由钻杆流到超前钻具内管与超前钻具外管之间，钻井液再依次经由卡钳叶片伸出孔、弹卡架外筒体、传力延伸杆、扶正器、钻杆延伸杆到达钻杆延伸杆末端形成钻井液循环；钻机带动钻杆旋转，钻杆带动超前钻具外管旋转，超前钻具外管带动超前钻具内管旋转，钻杆延伸杆末端处的孕镶金刚石开始切削岩石，一直钻进到扶正器接触岩石，在钻孔底部形成测试孔，当扶正器接触岩石，即停止钻进，第四步，下放绳索取芯打捞器，使绳索取芯打捞器与钻具打捞矛头连接，通过绳索取芯打捞器将钻具打捞矛头上提，从而使弹卡钳从三弹卡室中脱离，绳索取芯打捞器将超前钻具内管打捞上来后与钻具打捞矛头分离，再将绳索取芯打捞器与触头式孔径应变测量装置的测量打捞矛头连接，使用绳索取芯打捞器将触头式孔径应变测量装置吊入钻杆内，下放绳索取芯打捞器直到触头式孔径应变测量装置的测量延伸杆、触头部件、防冲击部件进入测试孔中；将绳索取芯打捞器与测量打捞矛头脱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.地应力测试装置，包括超前钻具，其特征在于，超前钻具包括超前钻具外管（15）和超前钻具内管（16），超前钻具外管（15）包括弹卡管（1）和绳索取芯钻具外管（3），弹卡管（1）一端与绳索取芯钻具外管（3）一端连接，绳索取芯钻具外管（3）另一端设置有环形内台阶（301），环形内台阶（301）的内沿形成扶正器穿出孔（302），绳索取芯钻具外管（3）设置有环形内台阶（301）的一端外壁设置有金刚石颗粒，绳索取芯钻具外管（3）设置有环形内台阶（301）的一端以及环形内台阶（301）构成钻具外管钻头，超前钻具内管（16）包括弹卡件（2）、传力延伸杆（4）、扶正环（5）、钻杆延伸杆（6）和扶正器（7），弹卡件（2）设置在弹卡管（1）内，弹卡管（1）内壁开设有与弹卡件（2）适配的卡槽（101），弹卡件（2）与传力延伸杆（4）一端连接，传力延伸杆（4）另一端与扶正器（7）一端连接，扶正器（7）另一端穿过扶正器穿出孔（302）与钻杆延伸杆（6）一端连接，钻杆延伸杆（6）另一端设置有孕镶金刚石，扶正环（5）的内圈活动套设在扶正器（7）上，扶正环（5）的外圈与绳索取芯钻具外管（3）的内壁连接。

【技术特征摘要】
1.地应力测试装置，包括超前钻具，其特征在于，超前钻具包括超前钻具外管（15）和超前钻具内管（16），超前钻具外管（15）包括弹卡管（1）和绳索取芯钻具外管（3），弹卡管（1）一端与绳索取芯钻具外管（3）一端连接，绳索取芯钻具外管（3）另一端设置有环形内台阶（301），环形内台阶（301）的内沿形成扶正器穿出孔（302），绳索取芯钻具外管（3）设置有环形内台阶（301）的一端外壁设置有金刚石颗粒，绳索取芯钻具外管（3）设置有环形内台阶（301）的一端以及环形内台阶（301）构成钻具外管钻头，超前钻具内管（16）包括弹卡件（2）、传力延伸杆（4）、扶正环（5）、钻杆延伸杆（6）和扶正器（7），弹卡件（2）设置在弹卡管（1）内，弹卡管（1）内壁开设有与弹卡件（2）适配的卡槽（101），弹卡件（2）与传力延伸杆（4）一端连接，传力延伸杆（4）另一端与扶正器（7）一端连接，扶正器（7）另一端穿过扶正器穿出孔（302）与钻杆延伸杆（6）一端连接，钻杆延伸杆（6）另一端设置有孕镶金刚石，扶正环（5）的内圈活动套设在扶正器（7）上，扶正环（5）的外圈与绳索取芯钻具外管（3）的内壁连接。2.根据权利要求1所述的地应力测试装置，其特征在于，所述的弹卡件（2）包括弹卡架外筒体（25）、弹卡拉动部（26）和弹卡钳（22），弹卡钳（22）包括旋转销（28）、线状张簧（24）和两个卡钳叶片（27），旋转销（28）与弹卡架外筒体（25）内壁连接，两个卡钳叶片（27）一端均活动套设在旋转销（28）上，两个卡钳叶片（27）的另一端分别与线状张簧（24）的两端连接，线状张簧（24）的中部与弹卡拉动部（26）连接，弹卡拉动部（26）与钻具打捞矛头（21）连接，弹卡架外筒体（25）侧壁上与卡钳叶片（27）对应的部分开设有卡钳叶片伸出孔（29），弹卡架外筒体（25）一端与传力延伸杆（4）一端连接，弹卡架外筒体（25）与传力延伸杆（4）的一端套设有限位环（23），悬挂环（8）的内圈活动套设在传力延伸杆（4）与弹卡架外筒体（25）连接的一端上，悬挂环（8）的外圈与绳索取芯钻具外管（3）的内壁连接，卡槽（101）与卡钳叶片伸出孔（29）的位置相对应。3.根据权利要求1所述的地应力测试装置，其特征在于，所述的传力延伸杆（4）和钻杆延伸杆（6）均为中空管，扶正器（7）内设置有过流通道，传力延伸杆（4）的中空部两端分别与过流通道一端以及弹卡架外筒体（25）连通，过流通道另一端与钻杆延伸杆（6）的中空部连通，钻杆延伸杆（6）设置有孕镶金刚石的一端开设有出液孔。4.根据权利要求3所述的地应力测试装置，其特征在于，所述的扶正器（7）包括扶正粗端和扶正细端，扶正粗端和扶正细端轴接，扶正细端穿过环形内台阶形成的扶正器穿出孔（302），扶正粗端穿过扶正环（5），扶正粗端的外径大于扶正细端的外径，扶正粗端的外径小于扶正环（5）的内径，扶正粗端的外径还小于悬挂环（8）的内径，过流通道贯穿扶正粗端和扶正细端。5.根据权利要求4所述的地应力测试装置，其特征在于，还包括触头式孔径应变测量装置，触头式孔径应变测量装置包括依次连接的打捞悬挂部件（9）、电路仓部件（10）、测量延伸杆（12）、触头部件（13）和防冲击部件（14），打捞悬挂部件（9）包括测量打捞矛头（71）和密封盖（72），测量打捞矛头（71）与密封盖（72）一侧连接，密封盖（72）另一侧设置有密封盖内丝扣端，启动开关（73）一端安装有航空插件公接头，启动开关（73）的外周设置有开关连接外丝扣，数据传输接口（74）的两端分别为第一连接端和第二连接端...

【专利技术属性】
技术研发人员：王益腾，王川婴，韩增强，汪进超，胡胜，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42