[发明专利]一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置

权利要求书

1.一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，所述装置由刚性连接直套管、刚性连接杆、树脂壳体瓣、应变片、尾锥、孔口推进阀、变径刚性套管、条带状合成橡胶块、条带状胶体胶囊、反弧底V型钢片槽组成；其特征在于，所述刚性连接杆为空心管体，其一端固连有尾锥，紧邻尾锥顺次连接测量部件、刚性连接直套管和一孔口推进阀；所述测量部件设有变径刚性套管，其较粗端与刚性连接直套管连接，较细端外部是周向均布的3个树脂壳体瓣，相邻树脂壳体瓣之间由反弧底V型钢片槽连接，槽体的顶口与刚性连接杆轴向平行，槽底与变径刚性套管外表面法向相切，槽体内由槽底向上顺序嵌装条带状合成橡胶块和条带状胶体胶囊，并且槽体两端粘结橡皮质的弹性封堵；所述变径钢性套管和刚性连接直套管可滑动地套装在刚性连接杆上，孔口推进阀与刚性连接杆螺纹连接并和刚性连接直套管刚性接触；所述尾锥设有能够推入变径刚性套管的锥形腔，锥形腔的周围均布穿线孔；各树脂壳体瓣内嵌装有应变片，所述应变片的缆线经过穿线孔以及刚性连接杆杆腔穿出，与外部数据采集设备连接；当孔口推进阀旋拧推动变径刚性套管沿刚性连接杆向尾锥方向轴向移动时，反弧底V型钢片槽在受到变径刚性套管径向挤压的同时也受到尾锥的轴向限制，伴随反弧底V型钢片槽的两翼向两侧打开，其整体也同步径向移动，同步撕裂条带状胶体胶囊，胶体流出，进而驱使树脂壳体瓣径向移动贴紧钻孔孔壁并由胶体与钻孔壁粘结固定。

2.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述刚性连接杆为分体式结构，由多节空心杆体螺纹连接组成。

3.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述刚性连接直套管采用分体式结构，由多段套管首尾刚性连接而成。

4.根据权利要求3所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述刚性连接直套管的两端部设有边耳，边耳上设有螺丝孔，带槽口变径刚性套管较粗端的端面上设有螺丝孔，相邻套管之间或套管与变径刚性套管通过螺丝连接。

5.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述变径刚性套管的外壁对应反弧底V型钢片槽的弧形底面设有凸起的导向道。

6.根据权利要求5所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述反弧底V型钢片槽的反弧底是直径为2.3mm的半圆弧；导向道的截面为2mm的半圆状。

7.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述的反弧底V型钢片槽常态下槽体夹角为10°。

8.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述树脂壳体瓣的横截面为圆弧形，连接于反弧底V型钢片槽的槽顶边沿。

9.根据权利要求8所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述树脂壳体瓣的半径与钻孔的半径相同，树脂壳体瓣的所对应的角度小于以壳体瓣的个数为基数将以树脂壳体瓣的半径为半径的圆等分后的角度。

10.根据权利要求1所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置，其特征在于，所述橡胶块为充炭黑母胶，在反弧底V型钢片槽底部与槽口平行布置。

11.根据权利要求1～10任意一项要求所述的一种分瓣紧贴孔壁式三维地应力测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤:

a.造孔,选大直径金刚石钻头开孔,钻进到预定孔深,再用小直径钻头同心钻进长度约200mm，然后再 清理钻孔；

b.清孔后通过将已经安装尾椎和测量部件的刚性连接杆放入钻孔内，同时在刚性连接杆上涂上润滑油；

c.然后套上刚性连接直套管，将变径刚性套管用螺丝与刚性连接直套管固定；刚性连接直套管和刚性连接杆均为分体式结构，根据孔深确定刚性连接杆以及刚性连接直套管的节数，各节套管之间用螺丝连接，各节连接杆之间螺纹连接，刚性连接杆上均涂有润滑油；

d.将按步骤c安装的刚性连接直套管和刚性连接杆随安装进度逐步向钻孔内推进，直到将尾锥推进至钻孔孔底；

e.安装孔口推进阀，使其与刚性连接直套管接触；

f.旋转孔口推进阀，向刚性连接直套管施加轴向推力，促使其轴向前进，使树脂壳体瓣径向撑开贴紧钻孔壁，胶体挤出使树脂壳体瓣和孔壁粘结，根据钻孔孔径尺寸与测量装置参数间的关系得到孔口推进阀轴向移动距离：

式中S是孔口推进阀需要轴向移动的距离，D_k是钻孔直径，D_s是树脂壳体瓣弧顶距刚性连接杆中心距离的2倍，α为变径刚性套管母线与轴线的夹角；

g.应力解除,待胶体固化后,用大直径金刚石钻头套钻解除,采用便携式防爆电阻应变仪记录随解除深度变化的数据。