專利名稱：變應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于監(jiān)控和檢測固體應(yīng)變和變形的方法和儀器，且特別涉及適用于檢測地下應(yīng)變的方法和儀器。
就某一方面來說，本發(fā)明涉及一種應(yīng)變儀和應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，它們能夠在地下深層操作，并能測量巖層運(yùn)動，且不受巖層中高溫產(chǎn)生的負(fù)面影響。
測量地下巖層運(yùn)動的鉛孔應(yīng)變儀和系統(tǒng)的應(yīng)用眾所周知。雖然出于商業(yè)用途設(shè)計(jì)了許多不同的應(yīng)變儀及系統(tǒng)，但是其中大部分在操作中都存在缺陷和局限性，特別是在非常深的鉛孔條件下。
一種已知的鉆孔應(yīng)變儀包括一種彈性金屬管，用一種可膨脹砂漿將其預(yù)壓入一鉆孔，這樣它就可以準(zhǔn)確地跟蹤巖層變形。用液壓手段將巖石變形放大，且變形驅(qū)動一種小薄壁波紋管，接著波紋管再驅(qū)動一種電子傳感器。所有的能量和信號通過一種電纜傳到地面。大量上述設(shè)備被廣泛應(yīng)用。
盡管這樣，由于聲音隨深度而降低，并在許多條件苛刻的地區(qū)，例如東京沖積層有幾公里厚，而且還因?yàn)樯顚拥卣饠鄬幼枞?，所以更加靈敏的檢測儀的需求日益增長，使其能夠在溫度很高以致于電子元件不能長期忍受的數(shù)公里深度上操作。
本發(fā)明的一個目的是提供一種應(yīng)變檢測系統(tǒng)，它能在溫度非常高的數(shù)公里深地下有效工作。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種不含下井電子元件的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，其能夠在溫度非常高的數(shù)公里深處準(zhǔn)確測量巖層運(yùn)動。
上述目的通過提供一種基本封閉的容器來達(dá)到，該容器制成和設(shè)置成能夠插入延伸到地層的一鉆孔中。一種細(xì)長的管子從容器中延伸出來，并且于此和管子的一端以流體聯(lián)通方式相連。該管長度足夠使其另一端通常延伸到地面。傳感裝置和該管第二端相連。該流體基本充滿該管和容器。容器這樣制造和設(shè)置容器周圍的固體變形傳遞給容器，導(dǎo)致容器中容量變化；接著迫使流體流入管子，最終導(dǎo)致管子里流體容量變化。傳感裝置制造和設(shè)置用來檢測管子流體容量的改變，從而檢測固體的變形。
另一個充滿流體的小鉆管從地面伸入該鉆孔中，并與容器非常接近，它用來補(bǔ)償容器和地面之間的環(huán)境影響。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種檢測地層應(yīng)力和應(yīng)變的方法。該方法包括在地層鉆孔中放置一種能承受較高溫度的傳感儀器。該儀器包括一種容器；一個第一管子；其第一端與容器相連，且在該處以流體連通的形式，而且，其第二端通常延伸到地面。上述容器和第一管子里充滿流體。本傳感儀器包括與上述管子第二端相連的傳感裝置。
鉆孔壁和容器外側(cè)之間通過預(yù)應(yīng)力形成一種緊配合，這樣容器周圍的巖石和固體的變形被傳遞到容器壁，從而導(dǎo)致容器和第一管子容量的改變。
利用傳感裝置檢測第一管子中排出的流量，來檢測地下層中的變形。
容器和地面之間的第一管子內(nèi)流體容量的環(huán)境影響通過提供一第二管子補(bǔ)償，該管子較低的一端封閉，和第一管子相比，基本上具有相同的長度、容積并裝有同一種流體。補(bǔ)償傳感裝置和上述第二管的第二端相連，用來檢測和第一管子比較起來該管中容積的變化。
考慮到下列參考附圖的本發(fā)明詳細(xì)描述和附加權(quán)利要求，上述這些均是本說明書的一部分，將會對本發(fā)明的其它目的、特征、特點(diǎn)、該結(jié)構(gòu)的相關(guān)元件功能、零部件組合和制造的經(jīng)濟(jì)性一目了然。
參考

圖1，可以更好地理解本發(fā)明，圖1是一種傳感儀器的示意圖，該傳感儀器位于地層一鉆孔中并與地表的一種測量系統(tǒng)相連。
傳感儀器，如圖中所示10，包括一種彈性鋼管或容器12，它被預(yù)應(yīng)力壓入固體或巖石的孔13末端，這樣它可以精確地記錄巖石中最小變形。因此形成的容器12充滿流體14，并且除了一個小直徑的導(dǎo)出管16外它是密封的，管16延伸到或接近地球表面18。一種可延長的波紋管20與管16一端通常在地球表面18處相連。容器12和管16完全充滿液體14。容器12任何變形都會導(dǎo)致流體14被壓入管16，并且促使波紋管20延伸。一旦變形結(jié)束，波紋管就會恢復(fù)正常的松弛狀態(tài)。波紋管20的運(yùn)動均能夠被任何位敏傳感器22檢測到，例如一種線型可調(diào)差動變壓器或電容電橋。波紋管20和傳感器22組成儀器10的第一傳感裝置。
所用的流體14是能適合設(shè)備結(jié)構(gòu)的任何一種流體，例如USP3,635,075中描述的，在此作為參考。雖然三氯甲烷飽和液和其它流體均可使用，但優(yōu)先地采用與本發(fā)明目的相適應(yīng)的硅油。
儀器10還包括與管16相比具有相同長度和直徑的管24。管24同樣充滿液體14。管24底端25中斷或封閉，而在另一端處與波紋管26相連。一種與第一管16的傳感器22相同的位置傳感器28和波紋管26相連。波紋管26和傳感器28構(gòu)成儀器10的補(bǔ)償傳感裝置。
因此，地球表面的傳感裝置包括可延伸的薄壁、充滿液體的波紋管20和26，其分別和一種線型可變差動變壓器或一種可變電容電橋或其它合適的裝置22和28相連。這些差動變壓器的電壓輸出全都是數(shù)字化的，通常使用20或24位AD轉(zhuǎn)換器，且其結(jié)果數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中(沒有畫出)。從波紋管20產(chǎn)生的信號中減去波紋管26產(chǎn)生的信號，其作用在下文中將一目了然。
第二個管24和波紋管26的作用如下因?yàn)閮x器10要安置在相當(dāng)深處，即約一英里或更深處，所以管16就較長且可能容量相當(dāng)大?？?3中任何溫度和壓力的變化都會改變管16中流體容量，并導(dǎo)致波紋管延伸失真。在相對應(yīng)的管24和波紋管26中將會出現(xiàn)完全或近乎完全相同的延伸。從波紋管20的延伸量中減去波紋管26的延伸量就可以得到使容器12變形的真正巖層信號。
儀器10被放入地下所需深度的位置，其方法為通過鉆孔13達(dá)到所需深度，通過灌注混凝土30的方式用連接結(jié)構(gòu)填充孔13的較低部位，并把容器12向下放入混凝土30中。采用一種膨脹水泥，灌注混凝土固化膨脹，所以立刻把容器12壁和周圍的結(jié)構(gòu)連接起來。在已被公開的儀器10中，當(dāng)灌注水泥固化后，容器12的預(yù)應(yīng)力一般是每平方英寸7lbs。
當(dāng)周圍結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化時，孔13將會變形，且容器12壁會隨著變形。當(dāng)容器壁變形時，容器12中流體14容量就會發(fā)生變化，因此此處流體壓力變化，該變化通過導(dǎo)出管16以液壓形式傳遞傳遞到地面，而且該變化可被可延伸波紋管20檢測到。容器12的壁厚選擇要使得此處剛度和周圍結(jié)構(gòu)的剛度等同。
可延伸波紋管20和26，如薄壁金屬圓筒風(fēng)箱，如USP 3,623,076中描述的與差動變壓器相連。此變壓器以一種本領(lǐng)域中眾所周知的方式提供波紋管長度變化的電子顯示。
由于管16中的流體對地面來說是連續(xù)的，所以可以通過選擇流體密度，使容器12中的壓力與周圍壓力近似相等。故此，管壁越薄，測量巖石變形越有效。另外，容器中的高工作壓力可抑制流體的沸點(diǎn)。
可以這樣來評價傳感器提供了一種有效測量固體應(yīng)變和變形的手段。因?yàn)檫€不存在一種下井電子儀器，因此工作溫度沒有限制。提供第二管子確保傳感精度而無需考慮儀器中溫度或壓力的變化。進(jìn)一步地，傳感器是壓力平衡的，不再需要削弱了變形信號的厚壁管子。
由此可以看出本發(fā)明的目的已經(jīng)圓滿有效地完成。盡管這樣，需要指出的是，以說明本項(xiàng)發(fā)明結(jié)構(gòu)和功能原理為目的，上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)給出且加以描述，并且在不背離這些原理的前提下應(yīng)有改變的余地。因此，本發(fā)明包括了包含下述權(quán)利要求宗旨在內(nèi)的所有改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種用來檢測地下巖層應(yīng)變和變形的儀器包括一種被制造和設(shè)置成能被插入延伸到地層中鉆孔的基本封閉的容器；一種從所述容器中延伸出來的細(xì)長管，且在其第一端處與容器以流體聯(lián)通方式連接，通常該管長度足夠使其第二端延伸至地面；傳感裝置與該管的第二端相連，且一種流體基本充滿容器和管子，所述容器制造和設(shè)置成這樣，傳到容器上的容器周圍固體變形能引起所述容器中容量的變化，迫使流體流入所述管子，最終改變管子中流體容量，所述傳感裝置制造和設(shè)置成用來檢測所述管中容器的變化，從而檢測固體的變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種儀器，還包括連接結(jié)構(gòu)，它通過安裝時預(yù)壓容器壁剛性連接容器的外壁和鉆孔壁，這樣就把鉆孔周圍固體的變形傳遞到容器壁。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的一種儀器，其特征在于，所說的連接結(jié)構(gòu)包括一種可膨脹的混凝土。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種儀器，其特征在于，傳感裝置包括一第一波紋管，其通過所述管和容器中的流體連通，還包括和波紋管相連并被其操作的差動變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種儀器，其特征在于，傳感裝置包括一種可延伸的薄壁波紋管，該波紋管和一種能產(chǎn)生波紋管中流體水位信號的傳感器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的一種儀器，其特征在于，傳感器是一種可變差動變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的一種儀器，其特征在于，傳感器是一種電容電橋。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的一種儀器，還包括一種充滿上述流體的細(xì)長補(bǔ)償管，其長度使之第一端通常在地面上，而第二端通常非常接近上述容器，該端封閉，補(bǔ)償傳感裝置和所述補(bǔ)償管的第一端相連，所述補(bǔ)償傳感裝置制造和設(shè)置成用來檢測補(bǔ)償管中容量的變化，從而就可補(bǔ)償容器與地面之間的環(huán)境影響。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一種儀器，其特征在于，補(bǔ)償傳感裝置包括一種和傳感器相連的可延伸補(bǔ)償波紋管，該傳感器可生成補(bǔ)償波紋管中流體水位的信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的一種儀器，其特征在于，所說的流體是一種硅油或三氯甲烷飽和液。
11.一種用來檢測地下巖層應(yīng)變和變形的設(shè)備包括一種可插入延伸到地層鉆孔中的基本封閉的容器；一第一管具有一第一端和第二端，其第一端和容器上部相連，所述第一管的長度使所述第二端通常設(shè)置在地面上；第一傳感裝置和上述管的第二端相連，一種流體基本上充滿容器并以流體聯(lián)通方式與容器外壁連接并充滿第一管；連接結(jié)構(gòu)制成和設(shè)置為把容器壁與鉆孔壁連接起來，這是通過安裝時預(yù)壓容器壁而實(shí)現(xiàn)的，從而可將鉆乳周圍巖石或固體的變形傳給容器壁，從而導(dǎo)致容器中容量的變化；充滿流體的第二管子也有兩端，管子長度使其中第一端一般靠近所述容器的上部；而第二端一般在地面上；第二傳感裝置和所述第二管的第二端連接，第二管的第一端是封閉的，所述容器這樣制造和設(shè)置，容器周圍固體變形傳遞到容器，引起容器中容量的改變，迫使流體流入第一管，而使該管流體移動，所述第一傳感裝置制造和設(shè)置成用來檢測上述第一管中流體的移動量，從而可檢測到固體的變形，所述第二傳感裝置制造和設(shè)置成用來檢測第二管中流體的移動，從而補(bǔ)償容器和地面之間的環(huán)境影響。
12.一種用來檢測地層中應(yīng)變和變形的方法包括將一個傳感儀器放置于地層的鉆孔中承受高溫，所述傳感儀器包括一種容器，一第一管，該管第一端和容器相連，且在相連處以流體連通的方式相連接，而第一管的第二端通常在地球表面上，所述容器和所述第一管都充滿了流體，所述傳感儀器包括和第一管的第二端相連的傳感裝置；在鉆孔壁和容器外壁之間形成一種預(yù)應(yīng)力緊配合，這樣鉆孔周圍巖石和固體的變形就可以傳給容器壁，從而導(dǎo)致容器中容量的變化和第一管內(nèi)流體的移動；利用上述傳感裝置檢測第一管內(nèi)流體移動量，就可檢測地層變形；為了補(bǔ)償容器和地面之間環(huán)境因素對第一管內(nèi)流體容量的影響，又設(shè)計(jì)了第二管，其較低一端封閉，和第一管相比，其長度、容量、基本相等，并充滿了同種流體，補(bǔ)償傳感裝置和第二管的第二端相連，用來檢測第二管中流體的移動，從而補(bǔ)償所述第一管中流體流動；
13.根據(jù)權(quán)利要求12中的方法，其特征在于，第一管的傳感裝置和第二管的補(bǔ)償傳感裝置均包括一種柔性可膨脹的容器和一種傳感器，該方法包括測量每一個可膨脹容器中流體水位以及確定可膨脹容器中流體水位之差。
全文摘要
一種用來檢測深孔中固體變形的儀器(10)包括一種預(yù)壓入巖層中的彈性容器(12)。容器(12)中充滿了流體(14),并且除了延伸到或接近地面(18)的小直徑導(dǎo)出管(10)外,都是密封的。導(dǎo)出管(16)尾端與一種可延伸波紋管(20)相連。整個儀器完全充滿流體(14)。容器(12)任何變形都會迫使流體流入導(dǎo)出管(16),并且引起波紋管(20)伸長或縮短。這個運(yùn)動能被如線型可調(diào)差動變壓器或電容電橋等位敏傳感器(22)所檢測。和導(dǎo)出管(16)具有相同長度和尺寸的和二管(24)充滿了同樣的流體。管(24)底部非常接近彈性容器(12)。它同樣也在地面上的管上端有一種波紋管(26)及一種位移傳感器(28)。
文檔編號G01B13/00GK1200804SQ96197812
公開日1998年12月2日 申請日期1996年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月23日
發(fā)明者艾弗·S·薩克斯, 戴爾·W·埃弗森 申請人:華盛頓卡內(nèi)基研究所