CN113605886B - 一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试*** - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土力学测量技术领域，并具体公开了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***。包括依次连接的电子控制采集子***、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***以及液压平衡子***，电子控制采集子***通过通信传输设备与地面控制器相连，推靠定位机构沿钻孔中心轴径向展开形成支点与井壁接触，应力解除及应变测量子***用于采集和获取钻井井壁在应力解除过程中的应变数据，液压平衡子***用于平衡整体***的内部空间与钻井内压强。本发明可以在地面对在3000米深度以上的局部壁面进行精确控制和测试，实现在深钻孔复杂环境中自动化控制及测试数据的实时传输，不宜对钻井构成塌方危险，具有操作简单，有效稳定，便于维护等特点。

Description

一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***

技术领域

本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体地，涉及一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***。

背景技术

与混凝土或者钢筋这类人造材料不同，自然材料如岩石和土受到自然应力的作用。岩石的应力可以大致分为两类，第一类是原位应力，又可以继续细分为重力应力、构造应力、残余应力以及大地应力。第二类是由人类活动导致的地应力扰动，比如采矿、开挖、钻进、抽水（油）等等。在所有涉及到岩石的工程领域，了解地应力状态是非常重要的。

然而目前，地应力实测技术存在的测试深度不够、测试结果不够稳定、测试周期长、测试成本较高等问题。大部分技术只适用于1000米以浅的钻孔，在垂直深钻孔中直接进行测试的鲜有报道。同时部分方法对地应力的分布进行了假设，即认为由重力导致的垂直向应力为某一主应力，这一认识与深部岩层的实际情况并不符合。

深钻孔局部壁面应力解除法是一种新型三维地应力测试方法，这一方法使用井壁一点处任意方向上的正应变与远场地应力之间的对应关系，反算得到地应力。中国专利CN208749349U公开了一用于测量深部岩体三维地应力的装置，该装置通过封隔排水、打磨烘干壁面、喷胶粘贴应变片、环切钻进等一系列复杂操作实现了在孔深1000-1500米钻井中的地应力原位测试。但在钻孔的更深部进行测试时，对孔壁段的封隔排水将导致孔壁坍塌，将导致设备被埋藏至孔中，造成难以估量的巨大损失。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其中结合深钻井自身的特征及其应力解除数据测量采集工艺特点，相应设计了适用于深钻井，特别是适用地下3000米的深钻井复杂环境下，对井壁局部壁面进行应力解除法测试的***，并对其关键组件如电子控制采集子***、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***以及液压平衡子***的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的通过井下电子控制子***实现井下自动化测量及信号实时传输，通过应力解除工作部实现测试点的环切动作，通过按压式应变测量装置实现井壁微小应变测量，通过液压调节平衡子***实现整体***内外压的平衡，从而使得可以在地面对在3000米深度以上的本发明***进行精确控制和测试，实现在深钻孔复杂环境中自动化控制及测试数据的实时传输。同时本发明***测试在钻井填充钻井液的条件下进行，有效避免在干燥环境中进行测试时，井壁容易塌方等带来的风险。整个***具有操作简单，有效稳定，便于维护等特点。

为实现上述目的，本发明提出了一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，包括依次连接的电子控制采集子***、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***以及液压平衡子***，其中，

所述电子控制采集子***通过通信传输设备与地面控制器相连；

所述推靠定位机构设于所述电子控制采集子***底部，且与所述电子控制采集子***通信连接，该推靠定位机构用于在所述应力解除及应变测量子***到达测试点时沿钻孔中心轴径向展开形成支点与井壁接触；

所述应力解除及应变测量子***设于所述推靠定位机构中部，包括应力解除外壳模块以及设于该应力解除外壳模块内的应力解除骨架模块以及应力解除钻探模块，所述应力解除骨架模块、所述电子控制采集子***以及应力解除钻探模块相互通信连接，所述应力解除外壳模块上设有供所述应力解除钻探模块伸出的舱口，所述应力解除钻探模块用于在所述应力解除骨架模块的驱动和控制下按照既定轨迹伸出舱口对钻井井壁进行环切钻进，并对钻进点按压使探头与井壁紧密接触，从而采集和获取钻井井壁在环切钻进过程中的应变数据；

所述液压平衡子***设于所述推靠定位机构的底端，用于平衡所述电子控制采集子***、推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***的内部空间与钻井内压强。

作为进一步优选的，所述应力解除骨架模块包括依次连接的应力解除上接头、支撑柱、上下连接接头以及应力解除交流电机，所述应力解除上接头与所述推靠定位机构连接，所述上下连接接头上设有位移推杆，该位移推杆与设于应力解除交流电机上的电磁阀连接，所述位移推杆一端与导板连接，所述应力解除钻探模块设置在该导板上，所述位移推杆在所述电磁阀的液压驱动下驱动所述导板运动，以带动所述应力解除钻探模块垂直于钻井轴线方向运动，所述应力解除交流电机与所述应力解除钻探模块连接，用于驱动所述应力解除钻探模块的钻进。

作为进一步优选的，所述应力解除钻探模块包括底座、转向齿轮、减速齿轮组、按压式应变测量探头以及钻头，所述底座设于导板上，所述转向齿轮与所述应力解除交流电机的动力输出轴连接，所述按压式应变测量探头和钻头固定设置在所述底座上，且按压式应变测量探头位于所述钻头中心，所述减速齿轮组固定设置在所述钻头上，且该减速齿轮组与所述转向齿轮啮合连接，用于降低钻头的转速。

作为进一步优选的，所述按压式应变测量探头包括上端盖、扣帽、应变片、应变片导线、探头推杆、弹簧和探头底座，所述探头推杆一端设有第一环状凸缘上，扣帽将上端盖扣压固定于所述第一环状凸缘上；所述上端盖采用柔性材料制成，其中心处设有穿过扣帽的凸起部，所述应变片设于凸起部底部；所述探头推杆另一端套设于探头底座内，探头底座可沿探头推杆做轴向运动；所述探头底座上设有第二环状凸缘上；所述弹簧的两端分别抵触并固定于第一环状凸缘上和第二环状凸缘上上，探头底座在所述导板的推动作用下推动弹簧带动探头推杆向前位移，使上端盖在数据采样阶段始终与钻井井壁保持紧密贴合，应变片可根据上端盖形变完成微应变的数据采样，采样数据经应变片导线传输给所述电子控制采集子***。

作为进一步优选的，所述钻头上设有多个排屑槽。

作为进一步优选的，所述应力解除外壳模块包括密封连接的应力解除上外壳和应力解除下外壳，所述应力解除上外壳固定在所述上下连接接头上，所述应力解除下外壳侧壁上设有与应力解除钻探模块对应设置的舱口，该舱口提供应力解除钻探模块的行动轨道，所述应力解除下外壳内还设有固定块，该固定块用于固定数集采集电路仓，所述应力解除上外壳上设有应力解除前端盖和齿轮组盖板。

作为进一步优选的，所述推靠定位机构包括上部推靠定位子***以及下部推靠定位子***，所述上部推靠定位子***设于所述电子控制采集子***与所述应力解除及应变测量子***之间，所述下部推靠定位子***设于所述应力解除及应变测量子***与液压平衡子***之间。

作为进一步优选的，所述上部推靠定位子***包括上推靠上接口、上推靠推板单元、第一推靠定位对中结构单元、第一推靠推杆单元、上推靠活塞，所述第一推靠定位对中结构单元一端与上推靠上接口铰接，另一端与上推靠推板单元铰接，该第一推靠定位对中结构单元设置有多个，多个所述第一推靠定位对中结构单元沿上推靠推板单元周向均匀布置，该第一推靠定位对中结构单元包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第一推靠推杆单元包括第一推靠推杆以及套设在该第一推靠推杆上的第一推靠弹簧，该第一推靠推杆一端与上推靠上接口固定连接，另一端与上推靠推板单元滑动连接，所述第一推靠弹簧一端与上推靠上接口固定连接，另一端与上推靠推板单元固定连接，所述上推靠活塞通过液压管与活塞供油管连接，所述第一推靠推杆单元与所述上推靠活塞的活塞杆连接；

所述下部推靠定位子***包括下推靠活塞、下推靠推板单元、第二推靠定位对中结构单元、第二推靠推杆单元、下推靠下接口，所述第二推靠定位对中结构单元一端与下推靠下接口铰接，另一端与下推靠推板单元铰接，该第二推靠定位对中结构单元设置有多个，多个所述第二推靠定位对中结构单元沿下推靠推板单元周向均匀布置，该第二推靠定位对中结构单元包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第二推靠推杆单元包括第二推靠推杆以及套设在该第二推靠推杆上的第二推靠弹簧，所述第二推靠推杆一端与下推靠下接口固定连接，另一端与下推靠推板单元滑动连接，所述第二推靠弹簧一端与下推靠下接口固定连接，另一端与下推靠推板单元固定连接，所述下推靠活塞通过液压管与活塞供油管连接，所述下推靠推板单元与所述下推靠活塞的活塞杆连接。

作为进一步优选的，所述电子控制采集子***包括双层外壁以及设于该双层外壁内的电子控制采集器，所述双层外壁包括外侧支撑钢壁和保温壁。

作为进一步优选的，所述液压平衡子***包括液压气囊以及多根液压调节管，所述液压气囊与多根液压调节管一端连接，多根液压调节管另一端分别与电子控制采集子***、推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***连通，用于对填充于所述推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***内的液压油压力进行补偿，以平衡钻井内压强。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1．本发明通过设备上下两端的推靠定位***实现设备在深钻井中的对中定位，通过井下电子控制子***实现井下自动化测量及信号实时传输，通过应力解除工作部实现测试点的环切动作，通过按压式应变测量装置实现井壁微小应变测量，通过液压调节平衡子***实现整体***内外压的平衡，从而使得本发明***可以在地面对在3000米深度以上的局部壁面进行精确控制和测试，实现在深钻孔复杂环境中自动化控制及测试数据的实时传输。同时本发明***测试在钻井填充钻井液的条件下进行，有效避免在干燥环境中进行测试时，井壁容易塌方等带来的风险。整个***具有操作简单，有效稳定，便于维护等特点。

2．本发明应力解除及应变测量子***，采用交流电机对钻头进行驱动，同时，采用齿轮机构将电机高转速进行降速，钻头做沿垂直于设备轴线方向的旋转，以适应钻头的工作模式，保证应力解除动作的成功率，实现定点钻孔测量和应力解除，按压式应变测量探头采用液压活塞推动，直接将应变片按压在测量点，以完成应力解除数据采集，通过按压式探头装置省去了封隔、打磨、挤胶等复杂的机构，不仅提高了设备在钻井内采样的成功率，加快了测试进度，而且能够长时间重复使用，降低了设备整体生产成本。

3．本发明通过特殊设计的探头装置保护高精度应变片免受岩屑以及不规则孔壁的破坏，并对应变片的进行防水封装，在弹簧和探头推杆的配合下实现按压式应变测量，使该装置能直接在高温高压钻井液环境中开展测试。更具体的，本发明探头模块的上端盖采用耐高温耐腐蚀柔性材料制成，能够适应钻井下复杂环境，在施加一定的压力可使其与壁面的紧密贴合，可适应多种壁面环境，粘贴在其底部中心位置应变片可根据上端盖形变完成微应变的数据采样，在上端盖和应变片配合下，应力数据测试采集***可在井下连续进行采样工作，既提高了在井下极端条件下应变片的耐用性，也大大提高了应变数据采样效率。通过选用精度高温漂小的应力片，有效解决了应变片在井下高温环境下产生的温度漂移使得应变测量失真这一问题。

4．本发明推靠定位机构将井下探测设备固定于井壁上，实现自动推靠、精确定位、智能对中作业，为深钻孔井下岩土力学参数测量提供精确定位，提高测量精度、效率以及智能化水平。更具体的，本发明推靠定位机构包括间隔布置的上部推靠定位子***和下部推靠定位子***，即采用两点确定一条直线的方式，使得推靠定位机构定位确定的直线唯一，此外，本发明中推靠定位子***通过液压活塞驱动的方式驱动连杆结构动作，使得连接结构在推力作用下沿折叠并沿钻井径向展开，以使得连杆铰接点与井壁形成多个支点，从而保证推靠定位机构定位确定的直线与钻井的轴线重合，完成整体测量***的对中定位。具有定位精确、结构简单、操作方便等特点。同时在推靠定位机构驱动过程中，直接采用其内填充的液压油进行液压驱动，进一步简化***结构，提高了液压油的利用。

5．本发明推靠定位对中结构单元采用连杆铰接制成，通过铰接处形成支点将井下探测设备固定于井壁上，对采样段井壁整体影响小，不会对地应力测试结果产生干扰。同时本发明推靠定位机构以井下探测设备为中心轴径向展开与井壁接触，具有自动对中功能，该推靠定位对器中结构单元根据钻井直径调整其张开半径，可适用多种直径钻井。

6．本发明液压平衡子***分别与电子控制采集子***、推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***连通，用于对填充于所述推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***内的液压油压力进行补偿，以平衡钻井内压强，从而适应深钻孔的高压环境，防止***受压破坏，进一步提升了***在深钻复杂环境中应用的适应性。

7．本发明电子控制采集子***采用双壁结构，外壁采用高强度钢制备而成，用于抵御深钻井的高压，内壁采用保温材料制备而成，用于保护设于期内的电路结构不受高温影响。

附图说明

图1是本发明优选实施例涉及的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***的结构示意图；

图2是图1中涉及的应力解除及应变测量子***的应力解除外壳模块的结构示意图；

图3是图1中涉及的应力解除及应变测量子***的应力解除骨架模块结构示意图；

图4是图1中涉及的应力解除及应变测量子***的应力解除钻探模块结构示意图；

图5是图4中涉及的按压式应变测量探头的结构示意图；

图6是本发明优选实施例涉及的上部推靠定位子***的结构示意图；

图7是本发明优选实施例涉及的下部推靠定位子***的结构示意图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-电子控制采集子***、2-上部推靠定位子***、3-应力解除及应变测量子***、4-下部推靠定位子***、5-液压平衡子***，7-应力解除上外壳、8-应力解除下外壳、9-后端盖、10-应力解除前端盖、11-齿轮组盖板、12-固定块，13-应力解除上接头、14-液压油管、15-位移传感器、16-导板、17-位移推杆、18-上下连接接头、19-电磁阀、20-应力解除交流电机，21-钻头、22-下减速齿轮、23-按压式应变测量探头、24-底座、25-中减速齿轮、26-上减速齿轮、27-转向齿轮，201-上推靠上接口、202-上推靠推板单元、203-第一推靠定位对中结构单元、204-第一推靠推杆单元、205-上推靠活塞，405-下推靠活塞、401-下推靠推板单元、403-第二推靠定位对中结构单元、402-第二推靠推杆单元、404-下推靠下接口，231-上端盖，232-扣帽，233-应变片，234-应变片导线，235-上端盖，236-弹簧，237-探头底座。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1至图7所示，本发明实施例提供的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，包括依次连接的电子控制采集子***1、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***3以及液压平衡子***5。其中，电子控制采集子***1、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***3以及液压平衡子***5均为单独密封结构，同时，推靠定位机构、应力解除及应变测量子***3均通过液压调节管与液压平衡子***5连通，当整体***下放至地下时，受到钻进内钻井液的压迫，液压平衡子***5内的液压油通过液压调节管传输至推靠定位机构、应力解除及应变测量子***3内，以平衡***的内外压强。本发明***，可直接在充满钻井液的钻进中对井壁进行应力测量，无需在干燥环境下进行，以此方式，可有效避免钻进塌方带来的危害，同时，通过***整体内补偿液压油来平衡***内外压差，使得本***能应用于地下3000米质地测量。

总体而言，如图1所示，该测试***包括井下电子控制采集子***1、上部推靠定位子***2、应力解除及应变测量子***3、下部推靠定位子***4，液压平衡子***5。其中电子控制采集子***1一端与铠装电缆相连，下部与上部推靠定位子***2连接，其主要作用是接受地面发来的指令，控制上部推靠定位子***2、应力解除及应变测量子***3、下部推靠定位子***4，并接受应力解除及应变测量***5采集的应变数据至地面。上部推靠定位子***2上部与电子控制采集子***1连接，下部与应力解除及应变测量子***3通过方楔螺钉结构相连，其主要作用是与下部推靠定位子***4一同将设备定位在指定测试深度并对中。应力解除及应变测量子***3上部与上部推靠定位子***2通过方楔螺钉结构相连，下部通过方楔螺钉结构与下部推靠定位子***4相连，其主要作用是对钻孔孔壁的测试点进行环切钻进动作，并同时采集测试点表面三个不同方向上的正应变。下部推靠定位子***4通过方楔螺钉结构相连，下部通过方楔螺钉结构与液压平衡子***5相连，其主要作用是与上部推靠定位***3一同将设备定位在指定测试深度并对中。液压平衡子***5上部与下部推靠定位子***4通过方楔螺钉结构相连，其主要作用是通过管路维持上部推靠定位子***2、应力解除及应变测量子***3、下部推靠定位子***4中的压力与外界压力一致。

具体的，本发明***中，电子控制采集子***1通过通信传输设备与地面控制器相连，用于接收和传递地面控制器发送的指令，同时，还用于将应力解除及应变测量子***3采集的数据传递至地面控制器。在本发明的一个实施例中，电子控制采集子***1包括双层外壁以及设于该双层外壁内的电子控制采集器，双层外壁包括外侧支撑钢壁和保温壁，外侧支撑钢壁用于抵御压力强度。电子控制采集子***1与地面控制器的通讯载体铠装电缆导线两根，传送62.5kHz高频微弱的MSK信号，同时载体还传送交流50Hz、220V井下工作电压。经MXD2000磁环线圈隔离。高频微弱的MSK信号进入LC谐振回路选频滤波，经CD4046锁相器电路检出控制信号，送入微处理器，驱动电路采用放大电路，经电容隔离输出高频调制信号。发送接收的磁环双端口电路匹配电阻取值1kΩ，线圈变比1：1。地面井下载波通讯电路基本相同。

如图6和图7所示，推靠定位机构设于所述电子控制采集子***1底部，且与所述电子控制采集子***1通信连接，该推靠定位机构用于在所述应力解除及应变测量子***3到达测试点时沿钻孔中心轴径向展开形成支点与井壁接触。推靠定位机构包括上部推靠定位子***2以及下部推靠定位子***4，所述上部推靠定位子***2设于所述电子控制采集子***1与所述应力解除及应变测量子***3之间，所述下部推靠定位子***4设于所述应力解除及应变测量子***3与液压平衡子***5之间。上部推靠定位子***2包括上推靠上接口201、上推靠推板单元202、第一推靠定位对中结构单元203、第一推靠推杆单元204、上推靠活塞205，所述第一推靠定位对中结构单元203一端与上推靠上接口201铰接，另一端与上推靠推板单元202铰接，该第一推靠定位对中结构单元203设置有多个，多个所述第一推靠定位对中结构单元203沿上推靠推板单元202周向均匀布置，该第一推靠定位对中结构单元203包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第一推靠推杆单元204包括第一推靠推杆以及套设在该第一推靠推杆上的第一推靠弹簧，该第一推靠推杆一端与上推靠上接口201固定连接，另一端与上推靠推板单元202滑动连接，所述第一推靠弹簧一端与上推靠上接口201固定连接，另一端与上推靠推板单元202固定连接，所述上推靠活塞205通过液压管与活塞供油管连接，所述第一推靠推杆单元204与所述上推靠活塞205的活塞杆连接。下部推靠定位子***4包括下推靠活塞405、下推靠推板单元401、第二推靠定位对中结构单元403、第二推靠推杆单元402、下推靠下接口404，所述第二推靠定位对中结构单元403一端与下推靠下接口404铰接，另一端与下推靠推板单元401铰接，该第二推靠定位对中结构单元403设置有多个，多个所述第二推靠定位对中结构单元403沿下推靠推板单元401周向均匀布置，该第二推靠定位对中结构单元403包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第二推靠推杆单元402包括第二推靠推杆以及套设在该第二推靠推杆上的第二推靠弹簧，所述第二推靠推杆一端与下推靠下接口404固定连接，另一端与下推靠推板单元401滑动连接，所述第二推靠弹簧一端与下推靠下接口404固定连接，另一端与下推靠推板单元401固定连接，所述下推靠活塞405通过液压管与活塞供油管连接，所述下推靠推板单元401与所述下推靠活塞405的活塞杆连接。在本发明中，第一推靠推杆和第二推靠推杆两端还设有供液压调节管通过的孔，第一推靠推杆和第二推靠推杆与该孔密封连接。本发明中，当测试***到达指定位置时，推靠推杆单元在推力作用下沿***轴向折叠，并沿径向展开，以形成多个支点与井壁接触，从而保证了整个***在测试过程中的稳定性，同时也保证了整个***的轴线与钻井轴线共线。同时，整个推靠定位机构密封设置，内部根据外界压力填充相应液压油，保证整体机构的抗压性能。

如图2、图3、图4以及图5所示，应力解除及应变测量子***3设于所述推靠定位机构中部，包括应力解除外壳模块以及设于该应力解除外壳模块内的应力解除骨架模块以及应力解除钻探模块，应力解除外壳模块两端均是有供液压调节管通过的孔，应力解除外壳模块与该孔密封连接。所述应力解除骨架模块、所述电子控制采集子***1以及应力解除钻探模块相互通信连接，所述应力解除钻探模块用于在所述应力解除骨架模块的驱动和控制下对钻井井壁进行环切钻进，并对钻进点按压以发生形变，从而采集和获取钻井井壁应力解除数据。应力解除骨架模块包括依次连接的应力解除上接头13、支撑柱、上下连接接头18以及应力解除交流电机20，所述应力解除上接头13与所述推靠定位机构连接，所述上下连接接头18上设有位移推杆17，该位移推杆17与设于应力解除交流电机20上的电磁阀19连接，所述位移推杆17一端与导板16连接，所述应力解除钻探模块设置在该导板16上，所述位移推杆17在所述电磁阀19的液压驱动下驱动所述导板16运动，以带动所述应力解除钻探模块垂直于钻井轴线方向运动，所述应力解除交流电机20与所述应力解除钻探模块连接，用于驱动所述应力解除钻探模块的钻进。应力解除钻探模块包括底座24、转向齿轮27、减速齿轮组、按压式应变测量探头23以及钻头21，所述底座24设于导板16上，所述转向齿轮27与所述应力解除交流电机20的动力输出轴连接，所述按压式应变测量探头23和钻头21固定设置在所述底座24上，且按压式应变测量探头23位于所述钻头21中心，所述减速齿轮组固定设置在所述钻头21上，且该减速齿轮组与所述转向齿轮27啮合连接，用于降低钻头21的转速。本发明***在指定压力下，实现按压式应变测量探头23前端与壁面的紧密贴合，在应力解除结构对岩心进行环切解除过程中，应变片记录应力解除区域的应变变化情况并将数据传至电子控制采集子***，电子控制采集子***采用特殊的密封防水设计，可保护电子控制采集子***的数据采集电路板能在在高温高压钻井液环境中向地面控制器传输数据。

按压式应变测量探头23包括上端盖231、扣帽232、应变片233、应变片导线234、探头推杆235、弹簧236和探头底座237，所述探头推杆235一端设有第一环状凸缘上，扣帽232将上端盖231扣压固定于所述第一环状凸缘上；所述上端盖231采用柔性材料制成，其中心处设有穿过扣帽232的凸起部，所述应变片233设于凸起部底部；所述探头推杆235另一端套设于探头底座237内，探头底座237可沿探头推杆235做轴向运动；所述探头底座237上设有第二环状凸缘上；所述弹簧236的两端分别抵触并固定于第一环状凸缘上和第二环状凸缘上上，探头底座237在所述导板16的推动作用下推动弹簧236带动探头推杆235向前位移，使上端盖231在数据采样阶段始终与钻井井壁保持紧密贴合，应变片233可根据上端盖231形变完成微应变的数据采样，采样数据经应变片导线234传输给所述电子控制采集子***1。钻头21上设有多个排屑槽。在本发明的一个优选实施例中，上端盖231可选用聚四氟乙烯制成，应力片233可选用KFWS系列通用箔式应变片，在100℃的范围内其受温度影响导致的应变片系数误差范围为0.8±0.5%, 钻井高温液体环境对其采集应力数据影响小。应力片233采用防水应变片粘贴胶水粘贴于凸出部底部的中心处，所述凸出部底部开口处采用防水胶水进行封口。

应力解除外壳模块包括密封连接的应力解除上外壳7和应力解除下外壳8，所述应力解除上外壳7固定在所述上下连接接头18上，所述应力解除下外壳8侧壁上设有与应力解除钻探模块对应设置的舱口，该舱口提供应力解除钻探模块的行动轨道，所述应力解除下外壳8内还设有固定块12，该固定块用于固定数集采集电路仓，所述应力解除上外壳7上设有应力解除前端盖10和齿轮组盖板11。

更具体的，应力解除上外壳7与应力解除下外壳8通过方楔螺钉结构相连，固定在上下连接接头18上。其中应力解除下外壳8的功能是为钻头21和按压式应变测量探头23提供行动轨道。侧壁取芯钻头***后端盖9通过螺钉固定在应力解除上外壳7后端，取下后方便对解除应力的钻头21和按压式应变测量探头23进行拆装。应力解除前端盖10和齿轮组盖板11通过螺钉固定在应力解除上外壳7前端，作用是防止钻井液中的岩屑等杂质进入设备内部，导致设备运行异常。固定块12位于应力解除下外壳8，通过螺钉将数据采集电路仓与应力解除下外壳8相连。应力解除骨架模块包括应力解除上接头13、连接油管14、位移传感器15、导板16、位移推杆17、上下连接接头18、电磁阀19、380V应力解除交流电机20。整个应力解除骨架模块穿过应力解除上外壳7与应力解除下外壳8。应力解除上接头13通过方楔螺钉结构上侧固定在应力解除上外壳7上端，下侧则与部推靠定位子***4相连，中间开孔方便液压油管14穿出并固定。位移传感器15固定在上下连接接头18上，用以监测钻头伸出的距离。导板16一端与位移推杆17相连，一端与底座24相连，并放置在应力解除上外壳7中的导槽中。位移推杆17一端固定在上下连接接头18，并通过油管与电磁阀19相连，另一端与导板16相连。在电磁阀19的作用下，控制油压使位移推杆17带动导板16向前运动，最终使应力解除钻探模块垂直设备轴线方向移动。380V应力解除交流电机20固定在上下连接接头18上，通过齿轮组控制钻头旋转。转向齿轮27固定在上下连接接头18，并与380V应力解除交流电机20的主轴相连，将沿设备轴向的旋转动作转换至沿垂直轴向方向的转动。上减速齿轮26、中减速齿轮25及下减速齿轮22相互接触，将380V交流电机20传来的5000转数降低至700至800转，保证应力解除动作的成功率。钻头21及按压式应变测量探头23固定在底座24上，并且按压式应变测量探头23放置在钻头21中心。钻头21在下减速齿轮26的带动下做沿垂直与设备轴线方向的旋转，钻头21还设有排屑槽，方便钻进过程中岩屑的排出。

液压平衡子***5包括液压气囊以及多根液压调节管，所述液压气囊与多根液压调节管一端连接，多根液压调节管另一端分别与推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***3连通，用于对填充于所述推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***3内的液压油压力进行补偿，以平衡钻井内压强。

本发明***能够深钻孔下高温高压的液态环境中展开测试，同时在测试过程中，应力解除钻探模块与侧壁应力解除结构同时向采样段壁面移动，在指定压力下，实现探头装置前端与壁面的紧密贴合；在应力解除结构对岩心进行环切解除过程中，应变片记录应力解除区域的应变变化情况并将数据传至数据采集装置。同时本发明***采用特殊的密封防水设计，可保护数据采集电路板能在在高温高压钻井液环境中向地面设备传输数据，同时维持***内外压平衡，防止***受压破坏，进一步提升了***在深钻复杂环境中应用的适应性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，包括依次连接的电子控制采集子***（1）、推靠定位机构、应力解除及应变测量子***（3）以及液压平衡子***（5），其中，

所述电子控制采集子***（1）通过通信传输设备与地面控制器相连；

所述推靠定位机构设于所述电子控制采集子***（1）底部，且与所述电子控制采集子***（1）通信连接，该推靠定位机构用于在所述应力解除及应变测量子***（3）到达测试点时沿钻孔中心轴径向展开形成支点与井壁接触，使深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***固定在指定深度；

所述应力解除及应变测量子***（3）设于所述推靠定位机构中部，包括应力解除外壳模块以及设于该应力解除外壳模块内的应力解除骨架模块以及应力解除钻探模块，所述应力解除骨架模块、所述电子控制采集子***（1）以及应力解除钻探模块相互通信连接，所述应力解除外壳模块上设有供所述应力解除钻探模块伸出的舱口，所述应力解除钻探模块用于在所述应力解除骨架模块的驱动和控制下按照既定轨迹伸出舱口对钻井井壁进行环切钻进，并对钻进点按压以使探头与井壁紧密接触，从而采集和获取钻井井壁在环切钻进过程中的应变数据；

所述应力解除骨架模块包括依次连接的应力解除上接头（13）、支撑柱、上下连接接头（18）以及应力解除交流电机（20），所述应力解除上接头（13）与所述推靠定位机构连接，所述上下连接接头（18）上设有位移推杆（17），该位移推杆（17）与设于应力解除交流电机（20）上的电磁阀（19）连接，所述位移推杆（17）一端与导板（16）连接，所述应力解除钻探模块设置在该导板（16）上，所述位移推杆（17）在所述电磁阀（19）的液压驱动下驱动所述导板（16）运动，以带动所述应力解除钻探模块垂直于钻井轴线方向运动，所述应力解除交流电机（20）与所述应力解除钻探模块连接，用于驱动所述应力解除钻探模块的钻进；

所述应力解除钻探模块包括底座（24）、转向齿轮（27）、减速齿轮组、按压式应变测量探头（23）以及钻头（21），所述底座（24）设于导板（16）上，所述转向齿轮（27）与所述应力解除交流电机（20）的动力输出轴连接，所述按压式应变测量探头（23）和钻头（21）固定设置在所述底座（24）上，且按压式应变测量探头（23）位于所述钻头（21）中心，所述减速齿轮组固定设置在所述钻头（21）上，且该减速齿轮组与所述转向齿轮（27）啮合连接，用于降低钻头（21）的转速；

所述按压式应变测量探头（23）包括上端盖（231）、扣帽（232）、应变片（233）、应变片导线（234）、探头推杆（235）、弹簧（236）和探头底座（237），所述探头推杆（235）一端设有第一环状凸缘上，扣帽（232）将上端盖（231）扣压固定于所述第一环状凸缘上；所述上端盖（231）采用柔性材料制成，其中心处设有穿过扣帽（232）的凸起部，所述应变片（233）设于凸起部底部；所述探头推杆（235）另一端套设于探头底座（237）内，探头底座（237）可沿探头推杆（235）做轴向运动；所述探头底座（237）上设有第二环状凸缘上；所述弹簧（236）的两端分别抵触并固定于第一环状凸缘上和第二环状凸缘上，探头底座（237）在所述导板（16）的推动作用下推动弹簧（236）带动探头推杆（235）向前位移，使上端盖（231）在数据采样阶段始终与钻井井壁保持紧密贴合，应变片（233）可根据上端盖（231）形变完成应力解除的数据采样，采样数据经应变片导线（234）传输给所述电子控制采集子***（1）；

所述液压平衡子***（5）设于所述推靠定位机构的底端，用于平衡所述推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***（3）的内部空间与钻井内压强。

2.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述钻头（21）上设有多个排屑槽。

3.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述应力解除外壳模块包括密封连接的应力解除上外壳（7）和应力解除下外壳（8），所述应力解除上外壳（7）固定在所述上下连接接头（18）上，所述应力解除下外壳（8）侧壁上设有与应力解除钻探模块对应设置的舱口，该舱口提供应力解除钻探模块的行动轨道，所述应力解除下外壳（8）内还设有固定块（12），该固定块用于固定数集采集电路仓，所述应力解除上外壳（7）上设有应力解除前端盖（10）和齿轮组盖板（11）。

4.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述推靠定位机构包括上部推靠定位子***（2）以及下部推靠定位子***（4），所述上部推靠定位子***（2）设于所述电子控制采集子***（1）与所述应力解除及应变测量子***（3）之间，所述下部推靠定位子***（4）设于所述应力解除及应变测量子***（3）与液压平衡子***（5）之间。

5.根据权利要求4所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述上部推靠定位子***（2）包括上推靠上接口（201）、上推靠推板单元（202）、第一推靠定位对中结构单元（203）、第一推靠推杆单元（204）、上推靠活塞（205），所述第一推靠定位对中结构单元（203）一端与上推靠上接口（201）铰接，另一端与上推靠推板单元（202）铰接，该第一推靠定位对中结构单元（203）设置有多个，多个所述第一推靠定位对中结构单元（203）沿上推靠推板单元（202）周向均匀布置，该第一推靠定位对中结构单元（203）包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第一推靠推杆单元（204）包括第一推靠推杆以及套设在该第一推靠推杆上的第一推靠弹簧，该第一推靠推杆一端与上推靠上接口（201）固定连接，另一端与上推靠推板单元（202）滑动连接，所述第一推靠弹簧一端与上推靠上接口（201）固定连接，另一端与上推靠推板单元（202）固定连接，所述上推靠活塞（205）通过液压管与活塞供油管连接，所述第一推靠推杆单元（204）与所述上推靠活塞（205）的活塞杆连接；

所述下部推靠定位子***（4）包括下推靠活塞（405）、下推靠推板单元（401）、第二推靠定位对中结构单元（403）、第二推靠推杆单元（402）、下推靠下接口（404），所述第二推靠定位对中结构单元（403）一端与下推靠下接口（404）铰接，另一端与下推靠推板单元（401）铰接，该第二推靠定位对中结构单元（403）设置有多个，多个所述第二推靠定位对中结构单元（403）沿下推靠推板单元（401）周向均匀布置，该第二推靠定位对中结构单元（403）包括相互铰接的两个推靠连杆，所述第二推靠推杆单元（402）包括第二推靠推杆以及套设在该第二推靠推杆上的第二推靠弹簧，所述第二推靠推杆一端与下推靠下接口（404）固定连接，另一端与下推靠推板单元（401）滑动连接，所述第二推靠弹簧一端与下推靠下接口（404）固定连接，另一端与下推靠推板单元（401）固定连接，所述下推靠活塞（405）通过液压管与活塞供油管连接，所述下推靠推板单元（401）与所述下推靠活塞（405）的活塞杆连接。

6.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述电子控制采集子***（1）包括双层外壁以及设于该双层外壁内的电子控制采集器，所述双层外壁包括外侧支撑钢壁和保温壁。

7.根据权利要求1所述的一种深钻孔复杂环境局部壁面应力解除法测试***，其特征在于，所述液压平衡子***（5）包括液压气囊以及多根液压调节管，所述液压气囊与多根液压调节管一端连接，多根液压调节管另一端分别与电子控制采集子***（1）、推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***（3）连通，用于对填充于所述电子控制采集子***（1）、推靠定位机构以及应力解除及应变测量子***（3）内的液压油压力进行补偿，以平衡钻井内压强。

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