一種用于地應力測量的測向裝置和測向方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于地應力測量技術領域，具體涉及一種用于地應力測量的測向裝置和測 向方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國采礦、隧道、水利水電、地熱能開發(fā)和核廢料處置等工程的持續(xù)增加，巖 爆、巷道變形、高邊坡失穩(wěn)等一系列問題愈加突出，因此，開展地應力測量，探知地殼應力狀 態(tài)具有重要現實意義，可為地球動力學研究、斷裂活動性研究和地質災害預警研究提供重 要的科學依據。
[0003] 水壓致裂法是70年代發(fā)展起來的一種地應力測量方法，該方法是國際巖石力學 學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應力所推薦的方法之一，是目前國際上能較好地直接 進行深孔應力測量的先進方法。
[0004] 在傳統(tǒng)的水壓致裂地應力測量中，壓裂裂縫的測量較多地使用帶有定向器的印模 器。印模器為外表面包裹一層可塑性橡皮或類似材料的設備，將印模器連同加壓管路一起 送入井下壓裂段部位，然后將印模器加壓膨脹，以便使水壓致裂產生的鉆孔壁上所有壓裂 裂隙均印在印模器上，此印痕可保持足夠時間，以便將印模器提至井上后可記錄下來。另 外，由于印模器底部安裝有定向器，通過定向器記錄的數據確定壓裂裂縫的方位。
[0005] 具體的，在進行垂直孔測量時，印模器底部安裝的定向器為電子羅盤，通過電子羅 盤測量壓裂裂隙的地磁方向角；在進行水平孔測量時，印模器底部安裝的定向器為圖像采 集設備，運用機械重錘和使用圖像采集設備定時拍照顯影的方法獲取裂隙與水平面的夾 角；在進行斜孔測量時，通過多種儀器綜合使用判斷裂隙的方位角，俯仰角和滾轉角。
[0006] 由此可見，使用傳統(tǒng)的定向器確定壓裂裂縫的方位時，需要根據孔的方向選取不 同的測量儀器，具有通用性低和操作繁瑣的問題；尤其當測量環(huán)境為含鐵類礦藏或者大型 構建干擾時，電子羅盤等定向器會失效，從而導致測量失敗。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現有技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種用于地應力測量的測向裝置和測向方 法，用以解決上述問題。
[0008] 本發(fā)明采用的技術方案如下：
[0009] 本發(fā)明提供一種用于地應力測量的測向裝置，該測向裝置為三通道獨立測量測向 裝置，包括第一測量通道、第二測量通道、第三測量通道、處理器、存儲器、時鐘模塊和電源 模塊；所述處理器分別與所述第一測量通道、所述第二測量通道、所述第三測量通道、所述 存儲器、所述時鐘模塊和所述電源模塊電連接；
[0010] 其中，所述第一測量通道包括串聯的地磁測量模塊、第一信號調理電路和第一模 數轉換器；
[0011] 所述第二測量通道包括串聯的傾角測量模塊、第二信號調理電路和第二模數轉換 器；
[0012] 所述第三測量通道包括串聯的旋轉角測量模塊、第三信號調理電路和第三模數轉 換器。
[0013] 優(yōu)選的，所述地磁測量模塊包括互相垂直的X向地磁傳感器、Y向地磁傳感器和Z 向地磁傳感器；
[0014] 所述傾角測量模塊包括互相垂直的X向加速度傳感器、Y向加速度傳感器和Z向 加速度傳感器；
[0015] 所述旋轉角測量模塊包括互相垂直的X向陀螺儀、Y向陀螺儀和Z向陀螺儀；
[0016] 所述處理器用于根據所述地磁測量模塊、所述傾角測量模塊和所述旋轉角測量模 塊的測量結果，計算壓裂裂隙的地磁方向和傾角；
[0017] 所述存儲器用于存儲各設定時間段壓裂裂隙的地磁方向和傾角；
[0018] 所述時鐘模塊用于控制所述處理器休眠或喚醒；
[0019] 所述電源模塊包括串聯的電池和電壓轉換芯片，通過所述電壓轉換芯片，向所述 處理器提供適配的電能。
[0020] 優(yōu)選的，所述第一測量通道、所述第二測量通道、所述第三測量通道、所述處理器、 所述存儲器、所述時鐘模塊和所述電源模塊集成為一個測向電路板。
[0021] 優(yōu)選的，所述測向裝置還包括銅管；所述測向電路板置于所述銅管的內壁，且與所 述銅管固定連接；或者，所述測向電路板固定到保護架上，再將已固定有所述測向電路板的 保護架固定到所述銅管內壁上。
[0022] 本發(fā)明還提供一種用于地應力測量的測向裝置的測向方法，包括以下步驟：
[0023] S1，測量前，在地面組裝得到權利要求4所述的測向裝置；
[0024] S2,對所述測向裝置進行初始參數配置；
[0025] S3,對于S1所述的測向裝置，當將測向電路板固定到所述銅管內壁上之后，在銅 管的兩端安裝防水密封件；
[0026] S4,將S3得到的測向裝置安裝到印模器的底部，然后將安裝有所述測向裝置的印 模器送入井下壓裂段部位，將印模器加壓膨脹，保持一定時間的膨脹壓力后，裂隙將在印模 器上留下印痕，所述測向裝置進行測向工作，具體為：
[0027] 當進行垂直孔地應力測量時，啟動第一測量通道，通過地磁測量模塊記錄不同時 刻測向裝置的軸線在水平面的投影的地磁方位角并存儲到存儲器中；
[0028] 當進行水平孔地應力測量時，啟動第二測量通道，通過傾角測量模塊記錄不同時 刻測向裝置沿自身軸線旋轉的角度即滾轉角，以及，記錄不同時刻測向裝置軸線與水平面 的夾角即俯仰角；然后將滾轉角和俯仰角存儲到存儲器中；
[0029] 當進行斜孔地應力測量時，聯合啟動第一測量通道和第二測量通道，使用地磁測 量模塊記錄不同時刻的地磁方向角，以及，使用傾角測量模塊記錄不同時刻的滾轉角和俯 仰角，然后將地磁方向角、滾轉角和俯仰角存儲到存儲器中；
[0030] S5,測量完成后，取出所述測向裝置，從所述存儲器中讀取各測量通道所測量的數 據，通過對數據進行分析，對水壓致裂法產生的壓裂裂縫進行定向，具體為：
[0031] 當進行垂直孔地應力測量時，從所述存儲器中讀取所述地磁測量模塊記錄的各時 刻的地磁方位角，從而推算出水壓致裂法產生的壓裂裂縫的地磁方位角；
[0032] 當進行水平孔地應力測量時，從所述存儲器中讀取所述傾角測量模塊記錄的各時 刻的滾轉角和俯仰角，從而推算出水壓致裂法產生的壓裂裂縫的方向與地平面產生的夾 角；
[0033] 當進行斜孔地應力測量時，從所述存儲器中讀取所述地磁測量模塊記錄的各時刻 的地磁方位角，以及，讀取所述傾角測量模塊記錄的各時刻的滾轉角和俯仰角，從而推算出 水壓致裂法產生的壓裂裂縫方向與地磁場方向產生的夾角，以及壓裂裂縫方向與地平面產 生的夾角，還推算出斜孔的軸線與地平面的夾角。
[0034] 優(yōu)選的，還包括：
[0035] 在進行垂直孔地應力測量時，在啟動第一測量通道的同時，還啟動第三測量通道， 通過旋轉角測量模塊記錄測向裝置的實時姿態(tài)信息，通過旋轉角測量模塊記錄的信息對地 磁測量模塊記錄的信息進行復核；
[0036] 在進行水平孔地應力測量時，在啟動第二測量通道的同時，還啟動第三測量通道， 通過旋轉角測量模塊記錄測向裝置的實時姿態(tài)信息，通過旋轉角測量模塊記錄的信息對傾 角測量模塊記錄的信息進行復核；
[0037] 在進行斜孔地應力測量時，在啟動第一測量通道和第二測量通道的同時，還啟動 第三測量通道，通過旋轉角測量模塊記錄測向裝置的實時姿態(tài)信息，通過旋轉角測量模塊 記錄的信息對地磁測量模塊記錄的信息以及傾角測量模塊記錄的信息進行復核。
[0038] 優(yōu)選的，所述旋轉角測量模塊對所述地磁測量模塊和/或傾角測量模塊的測量結 果進行復核，所采用的復核方法具體為 ：
[0039] 設在即將把測向裝置和印模器送入井下壓裂段部位之前，在井口控制測向裝置的 處理器清除由旋轉角測量模塊