一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法

技术特征：
1.一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：包括孔外地面控制组件（1）、孔内地应力测试组件（2）以及设于所述孔外地面控制组件（1）和所述孔内地应力测试组件（2）之间的电缆线（3）和马龙头（4）；其中，所述孔外地面控制组件（1）包括设于孔外同一侧地面彼此通信连接的地面控制器（11）和交流电供电装置（12）；所述孔内地应力测试组件（2）包括由上而下依次设置且通信连接的电子智能采集控制系统（21）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）、液压动力平衡系统（24）以及设于所述电子智能采集控制系统（21）下方的单臂反向定位支撑系统（22）；所述马龙头（4）设于所述孔内地应力测试组件（2）的顶部，所述电缆线（3）的一端与所述交流电供电装置（12）相连，另一端与所述马龙头（4）相连；所述孔内地应力测试组件（2）用于对待测量地应力点进行应力解除并记录应力解除过程中应变变化情况；所述交流电供电装置（12）用于为所述孔内地应力测试组件（2）的电子元件供电；所述地面控制器（11）用于控制所述孔内地应力测试组件（2）的下放、定位和数据分析；通过所述电子智能采集控制系统（21）接收所述地面控制器（11）所传输的命令以控制所述单臂反向定位支撑系统（22）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24）的工作，同时记录所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）所采集到的应变数据并传输到地面控制器（11）；通过地面控制器（11）的数据计算分析处理系统分析处理应力解除与智能按压应变采集系统（23）采集的应变数据进而获得所需要测量的地应力值。2.根据权利要求1所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述电子智能采集控制系统（21）包括双层外壳（211）、设于所述双层外壳（211）顶部的第一连接接头（212）、设于所述双层外壳（211）底部的第二连接接头（213）以及设于所述双层外壳（211）内部的电子控制采集单元（214）；所述第一连接接头（212）的顶部与所述马龙头（4）相连；所述第二连接接头（213）与所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）、单臂反向定位支撑系统（22）及液压动力平衡系统（24）分别通过信号传输线（25）连接。3.根据权利要求2所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述电子控制采集单元（214）包括设于所述双层外壳（211）内壁的防水耐压单元（215）、由上而下设于所述防水耐压单元（215）内的信号处理器（216）、数据记录元件（217）以及命令控制传输单元（218）；通过信号处理器（216）接收所述地面控制器（11）所传输的命令并通过所述命令控制传输单元（218）传送给所述单臂反向定位支撑系统（22）、应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24），通过所述数据记录元件（217）记录所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）所采集到的应变数据并传输到所述地面控制器（11），完成深孔壁面微小应变的采集和记录。4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述单臂反向定位支撑系统（22）包括支撑外壳（221）、转动设于所述支撑外壳（221）上的液压连接杆（224）、设于所述液压连接杆（224）上的齿轮泵（222）、设于所述齿轮泵（222）上的支撑臂（223）以及设于所述支撑外壳（221）上与所述齿轮泵（222）相连的液压驱动组件；所述液压驱动组件包括与所述齿轮泵（222）相连的液压缸（225）和设于所述液压缸（225）上的电磁阀（226），通过所述电磁阀（226）控制所述液压缸（225）给所述齿轮泵（222）
供给能量，进而通过所述齿轮泵（222）控制所述支撑臂（223）向需要应力解除壁面的反方向展开支撑，从而将孔内地应力测试组件推向需要应力解除的壁面并牢固定位。5.根据权利要求3所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述应力解除与智能按压应变采集系统（23）包括应力解除单元（231）和应变测量采集单元（232）；所述应力解除单元（231）包括带出舱口外壳（233）、侧向探出设于所述带出舱口外壳（233）侧壁上的应力解除钻探单元（234）、设于所述带出舱口外壳（233）内部与所述应力解除钻探单元（234）导线相连的马达（235）、交变电机（236）；所述应力解除钻探单元（234）通过所述交变电机（236）提供动力进行钻探进而将深孔壁面应力解除；所述应变测量采集单元（232）包括设于所述应力解除钻探单元（234）远离钻头一端的探头底座（238）、设于所述探头底座（238）上的按压式应变测量探头（239）、与所述探头底座（238导线连接的应变记录仪（240）、与所述应变记录仪（240）导线连接的液压单元（241）；所述应力解除钻探单元（234）和所述按压式应变测量探头（239）通过所述探头底座（238）固定在一起；所述应变记录仪（240）记录所述应力解除钻探单元（234）在应力解除过程中按压式应变测量探头（239）感应应变的变化情况，并通过所述电子智能采集控制系统（21）上的数据记录元件（217）和命令控制传输单元（218）将数据传输到操作地面控制器（11）。6.根据权利要求5所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统，其特征在于：所述带出舱口外壳（233）上还设有第三连接接头（237）和固定装置；所述第三连接接头（237）在所述带出舱口外壳（233）的顶部和底部分别设置，顶部的接头用于与所述电子智能采集控制系统（21）和所述单臂反向定位支撑系统（22）相连，底部的连接接头用于与所述液压动力平衡系统（24）相连；所述固定装置用于与其他部件相固定。7.一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，应用如权利要求1-6中任一项所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统实现，包括如下步骤：s1：勘察钻孔,在待测量地应力地点勘察钻孔；钻孔孔径应确保能够容纳孔内地应力测试组件下探到地应力测试点；s2：将孔内地应力测试组件与孔外地面控制组件通信连接后，通过地面控制器将孔内地应力测试组件下放到预设测量深度；s3：通过地面控制器发出控制指令并通过电子智能采集控制系统传达给单臂反向定位支撑系统将孔内地应力测试组件反向推靠到需要应力解除的壁面一侧；s4：通过地面控制器控制应力解除与智能按压应变采集系统，使得按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上；s5：通过地面控制器控制应力解除钻探单元进行应力解除，并通过应变记录仪记录应力解除过程中应变的变化情况，并通过电子智能采集控制系统（21）将数据传输到地面控制器；s6：通过地面控制器控制孔内地应力测试组件前往下一个测试点所在位置，重复步骤s1～s5，待全部预设点应力解除完毕后，取出孔内地应力测试组件，通过地面控制器分析处理得到所需要测量的地应力值。8.根据权利要求7所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于：步骤s3还包括操作人员通过操作地面控制器（11）将操作指令通过电子智能采集控制系
统（21）传达给单臂反向定位支撑系统（22），通过电磁阀（226）控制液压缸（225）给齿轮泵（222）供给能量，通过齿轮泵（222）控制支撑臂（223）向需要应力解除壁面的反方向展开，进而将孔内地应力测试组件（2）反向推靠到需要应力解除的壁面一侧，并支撑在孔壁上。9.根据权利要求7或8所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，步骤s4还包括操作人员通过操作地面控制器（11）发出伸出按压式应变片的指令并通过电子智能采集控制系统（21）将该指令传达给应力解除与智能按压应变采集系统（23），应变测量采集单元（232）将按压式应变片通过出舱口送出并通过按压仪器将按压式应变片贴合到需要应力解除的壁面上。10.根据权利要求9所述的一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试方法，其特征在于，步骤s5还包括操作人员操作地面控制器（11）将应力解除的指令通过电子智能采集控制系统（21）传达给应力解除与智能按压应变采集系统（23）和液压动力平衡系统（24），随后应力解除钻探单元（234）通过出舱口将钻探应力解除钻头送达壁面，开始进行应力解除，同时启动液压动力平衡系统（24）工作，使得孔内地应力测试组件（2）内部压力与孔内地应力测试组件（2）外部的钻井压力保持平衡，保证孔内地应力测试组件（2）正常工作。

技术总结
本发明公开了一种水利勘察钻孔用小孔径深孔地应力测试系统及方法，该系统包括孔外地面控制组件、孔内地应力测试组件以及设于孔外地面控制组件和孔内地应力测试组件之间的电缆线和马龙头；孔外地面控制组件包括彼此通信连接的地面控制器和交流电供电装置；孔内地应力测试组件包括电子智能采集控制系统、应力解除与智能按压应变采集系统、液压动力平衡系统以及单臂反向定位支撑系统；通过电子智能采集控制系统接收地面控制器传输的命令以控制单臂反向定位支撑系统、应力解除与智能按压应变采集系统和液压动力平衡系统工作，同时记录应力解除与智能按压应变采集系统采集的应变数据并传输到地面控制器，通过地面控制器分析处理获得所需要测量的地应力值。理获得所需要测量的地应力值。理获得所需要测量的地应力值。


技术研发人员：汤华 秦雨樵 葛修润 吴振君 程谞 张勇慧 袁从华 邓琴 尹小涛
受保护的技术使用者：中国科学院武汉岩土力学研究所
技术研发日：2022.04.07
技术公布日：2022/5/6