CN113931612B - 适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统及方法，系统包括探头装置及数据采集装置，探头装置包括上端盖、扣帽、应变片、应变片导线、探头推杆、弹簧和探头底座，设于探头装置前端的应变片在探头装置后端的驱动装置驱动下，探头装置与侧壁应力解除结构同时向采样段壁面移动，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，所述数据采集装置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，实现按压式应变测量。

Description

适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统及方法

技术领域

本发明属于岩土力学现场测量装备技术领域，更具体地，涉及一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统及方法。

背景技术

局部壁面应力解除法是一种新的应力解除方法，通过解除钻井井壁处足够多数量的岩芯，记录此过程中不同方向的正应变变化，就能反算得到远场地应力。相比与水压致裂法和传统应力解除法，局部壁面应力解除法原理上不需要对地应力场进行假设，并且岩芯解除长度小、测试时间短、测试成功率高，理论上可以运用于任意深度。以局部壁面应力解除法原理为基础的地应力测试机器人已经成功在国家多个重大工程中得到应用，取得了较准确的成果。现有的适用于局部壁面应力解除法的应力探测设备，采用胶水将应变片粘贴在采样段，解除采样段岩芯应力，通过记录应变片应变数据变化测试出地应力。但其存在以下缺陷：(1)不能直接进行连续采样：面对不同采样段需要将应变片重新粘贴，费时费力；(2)不适用于深部钻井复杂条件：在面对深部钻井复杂条件时，存在设备防水性能不足、不能在钻井液存在的条件下直接测试等方面的弱点；(3)应变片易损坏：高精度应变片作为一种精密电子元器件，在重复粘贴后取下的过程中易出现机械系损伤，特别在钻井中石油时极易被钻井液中存在的岩屑以及不规则孔壁所破坏；(4)应变片难以在钻井复杂条件下粘贴在井壁表面，其采用成功率低。(5)应变片存在温度漂移，在钻井的高温条件下，其应变测量数值失真。

专利CN108547613A提供一种用于测量深部岩体三维地应力的装置，采用上下两个封隔器对采样段进行封隔，将井液排干后，采用打磨机构对采样段壁面进行打磨，使壁面光滑，通过挤胶机构对采样段涂胶，贴片机构将应变片粘贴在采样段，完成整个贴片固定的工作。该装置在环境复杂的页岩钻井中，采用井下封隔技术可能导致井壁局部坍塌，对钻井造成不利影响，且采用多组结构完成应变片的贴片固定工作，总体结构复杂，不仅加大了生产成本，其容错率也低，不利于设备在深部钻井复杂条件下展开重复测试。

发明内容

针对现有技术的应用于应力解除法中的应变片易于损坏，且装载有应变片的设备不适用于复杂条件的深部钻井中，本发明提供一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统及方法，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。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，包括采用按压方式测量应力的探头装置，所述探头装置包括上端盖、扣帽、应变片、应变片导线、探头推杆、弹簧和探头底座；其中，所述探头推杆一端设有第一环状凸缘，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上端盖凸出部，所述应变片设于上端盖凸出部底部；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；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；通过设于探头底座一端的外部驱动机构驱动下，探头底座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采样段井壁保持紧密贴合，应变片根据上端盖形变完成应力的数据采样，采样数据经应变片导线穿过探头推杆和探头底座向外传输，通过数据采集装置将应力采样数据传输至地面设备；所述数据采集装置包括与应变片导线连接的密封接线仓，设于密封接线仓下方并与密封接线仓通信相连的电路仓，设于电路仓一端的水密接头，通过所述水密接头与地面设备数据线的对接，地面设备与应力数据测试采集系统实现实时通信。

进一步地，所述密封接线仓包括右密封接线仓和左密封接线仓，两者周向布设于电路仓一端上。

进一步地，所述右密封接线仓包括右接线座、右上盖板、右下盖板和应变线接头；所述右上盖板和右下盖板固定连接形成盒体，盒内设有空腔可容纳应变线接头，盒体一端设有小孔可通过应变片导线与应变线接头连接，另一端设有圆柱形空腔，其与设于右接线座前端的接线柱过盈配合，将盒体固定在右接线座前端上。

进一步地，所述右接线座后端设有右后板，其上设有密封圈；所述右接线座内还设有贯通底部的空腔，所述电路仓与右接线座贴合处设有开口。

进一步地，所述密封接线仓包括右密封接线仓、左密封接线仓，两者周向布设于电路仓一端上。

进一步地，所述左密封接线仓包括左接线座、左上盖板、左后盖、应变线接头、左下盖板和应变线接头。

进一步地，所述左密封接线仓结构与右密封接线仓相同，包括左接线座、左上盖板、左后盖、应变线接头和左下盖板。

进一步地，所述应变片应变片采用防水应变片粘贴胶水粘贴于上端盖凸出部底部的中心处，所述上端盖凸出部底部开口处采用防水胶水进行封口。

进一步地，所述上端盖为聚四氟乙烯制成。

本发明还提供一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集方法，包括以下步骤：

S1：将数据测试采集系统下放至指定深度后对中并定位；

S2：在外部驱动机构作用下探头装置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；

S3：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；

S4：数据采集装置与地面设备实现实时通信，使得井下探测设备能在超深钻孔的复杂环境中也能实现对地面进行数据的实时传输，实现按压式应变测量。

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，能够取得下列有益效果：

1.本发明的一种应力数据测试采集系统，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。

2.本发明的一种应力数据测试采集系统，通过选用精度高温漂小的应变片，，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％，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。

3.本发明的一种应力数据测试采集系统，其探头装置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应力的数据采样，在上端盖和应变片配合下，应力数据测试采集系统可在井下连续进行采样工作，大大提高了应力数据采样效率。

4.本发明的一种应力数据测试采集系统，通过对数据采集装置采用特殊的密封防水设计，使得应力数据测试采集系统在超深钻孔中也能实现数据的实时传输。

5.装载有本发明应力数据测试采集系统的一种井下探测设备，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；通过密封设计的数据采集装置，使得井下探测设备能在超深钻孔的复杂环境中也能实现对地面进行数据的实时传输。

附图说明

图1为本发明实施例一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统的探头装置结构示意图；

图2为本发明实施例中探头装置分解结构示意图；

图3为本发明实施例中数据采集装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中右密封接线仓的结构分解示意图；

图5为本发明实施例中左密封接线仓的结构分解示意图；

图6为本发明实施例适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集方法步骤图。

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-上端盖、101-上端盖凸出部、2-扣帽、3-应变片、4-应变片导线、5探头推杆、501-第一环状凸缘、6-弹簧、7-探头底座、701-第二环状凸缘701、8-电路仓、9-右密封接线仓、10-左密封接线仓、11-右接线座、12-左接线座、13-水密接头、14-右上盖板、15-左上盖板、16-左后盖、17-右后盖、18-应变线接头、19-右下盖板、20-左下盖板。

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、2所示，本发明提供一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，包括探头装置及数据采集装置。通过设于探头装置前端的应变片3，其采用防水封装，能够深钻孔下高温高压的液态环境中展开测试。在探头装置后端的驱动装置驱动下，探头装置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，所述数据采集装置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。

如图1所示，探头装置包括上端盖1、扣帽2、应变片3、应变片导线4、探头推杆5、弹簧6、探头底座7。其中探头推杆5和探头底座7为空心圆柱结构，探头推杆5的外径与探头底座7内径相匹配，可将其一端设于探头底座7内。弹簧6套设于探头推杆5上，其两端分别与设于探头底座7上的第二环状凸缘701及设于探头推杆5一端第一环状凸缘501处相抵触并进行固定，将探头推杆5与探头底座7通过弹簧6两端进行活动连接。通过设于探头底座7后端的驱动机构驱动下，探头底座7可沿探头推杆5做轴向往复运动。位于探头推杆5一端第一环状凸缘501外圈设有螺纹，通过内圈设有螺纹的扣帽2的配合下，可将上端盖1固定于探头推杆5上。所述上端盖1为耐高温耐腐蚀的柔性材料制成，优选的，可采用聚四氟乙烯制成，其中心设有一端封闭的圆筒状上端盖凸出部101，上端盖凸出部101可穿过扣帽2上设有的同心圆孔与钻孔井壁接触，施加一定压力，上端盖1顶部的上端盖凸出部101可发生形变适以应不规则井壁，从而实现两者的贴合。通过涂有专用的防水应变片粘贴胶水，高精度防水型应变片3粘贴于上端盖凸出部101底部的中心处，此外，可使用防水胶水对上端盖凸出部101底部开口处进行封口，防止井下液体渗入，实现对应变片3的防水封装。优选的，应变片3可采用日本共和电力公司生产的KFWS系列通用箔式应变片进行数据采集工作，其具有防水性能好，精度高，误差随温度漂移较小的特点，可克服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。应变片导线4通过探头推杆5上进入探头底座7，与数据采集装置相连。

在驱动机构驱动下，探头底座7推动弹簧6带动探头推杆5向前位移，待上端盖1贴至井壁后，继续施加一定压力，上端盖1在数据采样阶段始终与采样段井壁保持紧密贴合，解除应力后，岩芯发生形变，与其接触的柔性上端盖1也随之发生形变，粘贴在上端盖1底部中心位置应变片3可根据形变完成应力的数据采样；采样结束后，驱动机构驱动探头底座7后移，弹簧6回复原状，探头推杆5解除对上端盖1的压力使其脱离井壁，探头装置整体后移收回至井下探测设备内，进行下一步测试工作。

如图3所示，本发明实施例的数据采集装置包括电路仓8，其为圆柱体结构，内部设有空腔用于固定安装电路板，电路仓8顶部设有水密接头13，电路板通过水密接头13与地面设备进行数据传输；电路仓8柱体一端上密封接线仓与应变片导线4对接，将测得的应力数据传入电路板上，通过电路放大转换后，数据信号经过水密接头13对接的数据线传至地面数据处理中心，进行下一步的数据分析。所述密封接线仓包括右密封接线仓9、左密封接线仓10，两者结构功能相同，周向布设于电路仓8一端上，通过螺栓固定于电路仓8上。

如图4所示，右密封接线仓9包括右接线座11、右上盖板14、右后板17、右下盖板19，所述右上盖板14和右下盖板19通过螺栓固定连接形成盒体，盒内设有空腔可容纳应变线接头18，盒体一端设有小孔可通过应变片导线4与应变线接头18连接，另一端设有圆柱形空腔，其与设于右接线座11前端的接线柱过盈配合，将盒体固定在右接线座11前端上。右接线座11内设有贯通底部的空腔，电路仓8与右接线座11贴合处设有空腔外径相同的开口，使与接线柱连接的导线从右接线座11内空腔到达电路仓8内部，将采集的应变信号传至电路板。右接线座11后端还设有右后盖17，其一端端面上设有密封圈，可有效防止井下液体渗入，在完成对接线柱后部导线的布置连接后，通过组装右后盖17完成对右接线座11内的空腔部分进行密封的工作。

如图5所示，所述左密封接线仓10包括左接线座12、左上盖板15、左后盖16、应变线接头18、左下盖板20。

右密封接线仓9、左密封接线仓10在完成接线工作后对内部空腔部注入耐高温防水胶，使接线处及对接头连接处与外部隔绝，将设有密封圈的左后盖16、右后盖17分别对左接线座12及右接线座11的后端处进行封堵，完成装配后，可有效防止液体渗入；电路仓8采用密封设计，其一端通过固定设有水密接头13与外部通信，电路板设于其内部空腔内，避免井下环境对电路造成干扰。

如图6所示，另一实施例中，装载有应力数据测试采集系统井下探测设备在进行数据采集时，包括如下步骤：

S1：将数据测试采集系统下放至指定深度后对中并定位；

S2：在外部驱动机构作用下探头装置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；

S3：在应力解除结构对岩心进行环切解除过程中，应变片3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；

S4：数据采集装置与地面设备实现实时通信，使得井下探测设备能在超深钻孔的复杂环境中也能实现对地面进行数据的实时传输，实现按压式应变测量。

另一实施例中，装载有应力数据测试采集系统井下探测设备在进行数据采集时，可采用上下两组推靠定位对中结构单同步径向展开形成支点，将井下探测设备进行对中并定位，无需对采样段井壁进行坐封、排水，对采样段地质环境影响小，不会造成井壁局部坍塌；应力数据测试采集系统的探头装置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，实现探头装置前端上端盖1与壁面的紧密贴合，可适应多种壁面环境，无需对壁面进行打磨，同时也省去了注胶工序，通过柔性材料制成上端盖1，将解除应力后的岩芯产生形变传递至应变片3，避免了应变片3与井壁直接接触，可免受岩屑以及不规则孔壁的破坏，大大延长了应变片3的使用寿命，使探测探测设备在井下能连续进行测试工作，无需重复将设备提至地面进行更换应变片3的工作，提高了整个测试流程的效率；探头装置采用的采用日本共和生产的高温防水KFWS系列应变片，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。通过装载有应力数据测试采集系统，井下探测设备可省去封隔、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。其数据采集装置通过特殊设计的密封仓保护电路板，并对接线处浇注耐高温防水胶使接线处与外部隔绝，有效的阻隔了地下复杂环境对数据传输的干扰，使得井下探测设备能在超深钻孔的复杂环境中也能实现对地面进行数据的实时传输。

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，并不用于限制本发明，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 (8)

1.一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，包括采用按压方式测量应力的探头装置；所述探头装置包括上端盖(1)、扣帽(2)、应变片(3)、应变片导线(4)、探头推杆(5)、弹簧(6)和探头底座(7)；其中，所述探头推杆(5)一端设有第一环状凸缘(501)，扣帽(2)将上端盖(1)扣压固定于所述第一环状凸缘(501)上；所述上端盖(1)采用柔性材料制成，其中心处设有穿过扣帽(2)的上端盖凸出部(101)，所述应变片(3)设于上端盖凸出部(101)底部；所述探头推杆(5)另一端套设于探头底座(7)内，探头底座(7)可沿探头推杆(5)做轴向运动；所述探头底座(7)上设有第二环状凸缘(701)；所述弹簧(6)的两端分别抵触并固定于第一环状凸缘(501)上和第二环状凸缘(701)上；通过设于探头底座(7)一端的外部驱动机构驱动下，探头底座(7)推动弹簧(6)带动探头推杆(5)向前位移，使上端盖(1)在数据采样阶段始终与采样段井壁保持紧密贴合，应变片(3)根据上端盖(1)形变完成应力数据的采样，采样数据经应变片导线(4)穿过探头推杆(5)和探头底座(7)向外传输，通过数据采集装置将应力采样数据传输至地面设备；所述数据采集装置包括与应变片导线(4)连接的密封接线仓，设于密封接线仓下方并与密封接线仓通信相连的电路仓(8)，设于电路仓(8)一端的水密接头(13)，通过所述水密接头(13)与地面设备数据线的对接，地面设备与应力数据测试采集系统实现实时通信，实现按压式应变测量。

2.根据权利要求1所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述密封接线仓包括右密封接线仓(9)和左密封接线仓(10)，两者周向布设于电路仓(8)一端上。

3.根据权利要求2所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述右密封接线仓(9)包括右接线座(11)、右上盖板(14)、右下盖板(19)和应变线接头(18)；

所述右上盖板(14)和右下盖板(19)固定连接形成盒体，盒内设有空腔可容纳应变线接头(18)，盒体一端设有小孔可通过应变片导线(4)与应变线接头(18)连接，另一端设有圆柱形空腔，其与设于右接线座(11)前端的接线柱过盈配合，将盒体固定在右接线座(11)前端上。

4.根据权利要求3所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述右接线座(11)后端设有右后板(17)，其上设有密封圈；所述右接线座(11)内还设有贯通底部的空腔，所述电路仓(8)与右接线座(11)贴合处设有开口。

5.根据权利要求2所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述左密封接线仓(10)包括左接线座(12)、左上盖板(15)、左后盖(16)、应变线接头(18)和左下盖板(20)。

6.根据权利要求1所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述应变片(3)采用防水应变片粘贴胶水粘贴于上端盖凸出部(101)底部的中心处，所述上端盖凸出部(101)底部开口处采用防水胶水进行封口。

7.根据权利要求1所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统，其特征在于，所述上端盖(1)为聚四氟乙烯制成。

8.一种适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集方法，其特征在于，应用如权利要求1-7中任一项所述的适用于局部壁面应力解除的应力数据测试采集系统实现，包括如下步骤：

S1：将数据测试采集系统下放至指定深度后对中并定位；

S2：在外部驱动机构作用下探头装置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；

S3：在应力解除结构对岩心进行环切解除过程中，应变片(3)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；

S4：数据采集装置与地面设备实现实时通信，使得井下探测设备能在超深钻孔的复杂环境中也能实现对地面进行数据的实时传输，实现按压式应变测量。

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