一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法。该印模系统主要由具有适时存储功能的三维电子罗盘、印模胶囊和适用的转换算法组成，通过注压泵向印模胶囊加压，使胶囊表面附着的柔软胶层挤入孔壁裂缝，从而获取任意倾斜状态钻孔的孔壁裂缝印痕。依据三维电子罗盘的存储数据以及裂缝印痕的几何参数进行系统的求解计算，就可得到钻孔倾向、倾角和裂缝面产状等多种参数。本发明专利技术的主要优势为，通过特制三维电子罗盘和印模胶囊配合使用，一次测量就可以同时得到任意钻孔的走向、倾向以及裂隙面在空间的产状。

【技术实现步骤摘要】
一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法
本专利技术属于地质勘察技术和岩石力学试验
，具体涉及一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法。
技术介绍
带有定向装置的印模方法是确定钻孔内过孔裂隙产状的有效方法。但传统方法一般采用平面罗盘或重锤定向，平面罗盘定向仅适合于铅直钻孔的产状分析；重锤定向不能用于铅直钻孔的产状分析，对于倾斜钻孔，也仅能得到裂隙面相对于钻孔横截面底端方位的相对产状，裂隙产状结果应用不方便，另需单独额外测量钻孔的倾向、倾角的空间分布参数。随着电子技术的发展，三维电子罗盘大量出现，但其输出结果仅有罗盘平面的航向角，无法直接应用于钻孔倾向、倾角及裂缝面产状的测量。为此，我们提出一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法，以解决上述
技术介绍
中提到的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法及其方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘通过无磁柱安装于印模胶囊的底部，组成新的印模系统；所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模胶囊注压，印模胶囊受压膨胀，其表层柔软胶层会向钻孔孔壁裂缝挤入而留下印痕；同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法，具体步骤如下：S1、定义罗盘坐标系和初始坐标系；S2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；S3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；S4、将法向量转换为初始坐标系下产状；S5、将坐标产状转换为工程地质产状。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：提供了一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法及其方法，通过特制三维电子罗盘和印模胶囊配合使用来获取钻孔的空间方位数据和印模所得裂缝印痕的几何参数，一次测量就可以同时得到任意钻孔的走向、倾向以及裂隙面在空间的产状。附图说明图1为本专利技术同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统的示意图；图2为本专利技术同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法的数据处理流程示意图；图3为本专利技术三维电子罗盘读数示意图；图4为本专利技术印模迹线的示意图；图5为本专利技术法向量在初始平面坐标系的倾角示意图；图6为本专利技术四个象限求值示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施应用，而非全部。基于本专利技术中的实施例，本领域其他技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1-6，实施例如下：一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘7、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘7通过无磁柱6安装于印模胶囊1的底部，组成新的印模系统；所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模器注压，印模器受压膨胀，其表层柔软胶层会向钻孔孔壁裂缝2挤入而留下印痕3；同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法，具体步骤如下：S1、定义罗盘坐标系和初始坐标系：三维电子罗盘7在使用三维地磁传感器的基础上，增加了三轴加速度传感器，可对罗盘进行倾斜补偿，罗盘平面的倾斜变化等价为从初始位置分别依次沿Z轴-Y轴-X轴旋转z、y、x的结果；初始坐标系XYZ下Z轴指向正上方，Y轴指向正北方，X轴指向正东方；三维电子罗盘7记录印模时罗盘平面的倾斜变化的三个角度值(x，y，z)，根据三维电子罗盘7的外观形状定义罗盘坐标系5，罗盘坐标系5的X’轴：指定罗盘平面的一条边为X’轴，罗盘坐标系5的Y’轴：指定X’轴逆时针旋转90度方向的边为Y’，轴罗盘坐标系5的Z’轴：指定罗盘平面的法向向上为Z’轴；罗盘坐标系5的X’Y’Z’轴符合右手准则；从罗盘坐标系5原点沿X’方向延伸一条线交于印模筒圆周一点，过该点在胶筒表面划出一条竖向基线4，该基线4就是X’轴在圆周上的位置点；S2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量：钻孔孔轴的指向和罗盘坐标系5的Z’轴的指向相同，其向量在罗盘坐标系X’Y’Z’的坐标为(0，0，1)；通过注压印模，可以在印模图上留下裂缝2的印痕3，沿基线4左右展开印模筒上的印痕3，使得基线4位于展示图中央，其宽度上按照方位-180—180均匀分布，查看电子罗盘在注压时刻的记录值(x、y、z)；在一般情况下可以得到图4标识的A类型的印痕，在特殊情况下会产生平行于钻孔轴线B类型的印痕和垂直于钻孔轴线C类型的印痕；对于A种印痕,在罗盘坐标系X’Y’Z’下：裂隙的倾向为印痕最低点所在位置的方位。其具体计算表达式为：α‘＝x/πD，其中最低点在基线左侧，x为负值；最低点在基线右侧，x为正值倾角为印痕最高点与最低点的深度差值与钻孔直径的反余切。β‘＝atan(h/D)，D为印模器直径；因此裂隙的法向量在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(cosα‘，cos(pi/2-α‘)，cos(pi/2-β‘)；在特殊情况下会产生B种印痕，该印痕平行与钻孔轴线，表示裂隙面平行于钻孔孔轴。其方位为α‘＝π/2+(X1+X2)/2πD，其倾角为β’＝π/2同样x在基线左侧，为负值；x在基线右侧，为正值。因此裂隙的法向量在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(cosα‘，cos(pi/2-α‘)，0)；在特殊情况下会产生C种印痕，该印痕表示裂隙面垂直与钻孔轴线，其方位任意，其倾角为β＝0因此裂隙的法向量在罗盘坐标系X’Y’Z’表示为(0，0，1)。S3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量：根据笛卡尔坐标系下的坐标理论，原坐标转换x0y0z0到x1y1z1公式为:记R为坐标变换矩阵。式中cos(x0,y1)代表为X0Y0Z0坐标系统的X轴和X1Y1Z1坐标系统的Y轴夹角的余弦值,其余类推；三维电子罗盘平面的读数(x、y、z)是从原始位置分别依次沿Z-Y-X旋转z、y、x角度的结果。因此反过来，可以将钻孔坐标系按照X-Y-Z顺序旋转-x、-y、-z角度的恢复到初始状态。绕x轴的坐标变换矩阵为：绕y轴的坐标变换矩阵为：绕z轴的坐标变换矩阵为：因此钻孔轴线单位法向量在初始坐标下的为VBX，VBY,VBZ,裂隙的法向量在原始坐标下的为VFX，VFY,VFZ,由于地质结构面的倾角分布范围为0至π/2，VBZ为非负数。因此当VBZ<0时，需将VBX，VBY,本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法，其特征在于：/n同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘(7)、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘(7)通过无磁柱(6)安装于印模胶囊(1)的底部，组成新的印模系统；/n所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模胶囊注压，印模胶囊受压膨胀，其表层柔软胶层会挤入钻孔孔壁的裂缝(2)而留下印痕(3)；/n同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模方法，具体步骤如下：/nS1、定义罗盘坐标系和初始坐标系；/nS2、罗盘坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；/nS3、初始坐标系下钻孔轴线和裂隙面法向量；/nS4、将法向量转换为初始坐标系下产状；/nS5、将初始坐标产状转换为工程地质产状。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统和方法，其特征在于：
同时测量钻孔倾向、倾角及穿孔裂缝面产状的印模系统，其包括用于适时存储的三维电子罗盘(7)、钻杆和注压泵，所述三维电子罗盘(7)通过无磁柱(6)安装于印模胶囊(1)的底部，组成新的印模系统；
所述钻杆用于将印模系统置于钻孔内的指定测试深度，所述注压泵用于通过钻杆向印模胶囊注压，印模胶囊...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永松，贾志刚，张新辉，徐兵，周朝，彭濳，
申请(专利权)人：黄淮学院，
类型：发明
国别省市：河南;41