本发明属于地应力测试领域，涉及一种考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置。
背景技术：
地应力是存在于地层中的未受到工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路和其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性、进行工程岩体稳定性分析、实现岩体工程设计和决策科学化的前提。地应力状态对于地震预报、区域地壳稳定性评价、高地应力区岩爆以及煤和瓦斯突出的研究等有重要意义。现有的地应力测量主要通过小直径钻孔，减少对原岩应力的扰动，但是无论是直接测量法如刚性包体应力计法、水压致裂法等，还是间接测量法如套孔应力解除法或孔径变形法等都未考虑到钻孔过程中钻井液压力对地应力的影响，加之现有地应力测试方法的操作都较为繁琐复杂，这些都有碍于地应力测量准确性、成功率和测试效率的提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置，以提高水平有效地应力测试的准确性，简化测试操作、提高测试成功率和降低测试成本。
本发明提供的水平有效地应力测试装置，包括多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘测量数据的数据存储器、透明保护罩、钻机、钻杆和钻头，钻头钻取的钻孔直径比钻杆外径大9～12cm，多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器安装在钻杆外壁上，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘水平安装，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘分别通过数据线与数据存储器连接，透明保护罩位于钻杆外壁上，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器，钻头通过钻杆与钻机连接。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘通过转角支撑件和螺钉安装于钻杆外壁上。在钻头直径一定的情况下，为了尽可能地减小钻杆外径与钻头钻取的钻孔的直径的差异，优选在钻杆外壁上设置凹槽，多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘均部分嵌入凹槽中并通过转角支撑件和螺钉固定于凹槽中。数据存储器最好也安装在钻杆外壁上的凹槽中，由于数据存储器的安装方向没有限制，数据存储器可以直接通过螺钉固定在钻杆外壁上、也可以通过转角支撑件和螺钉安装于钻杆外壁上、还可以通过胶布缠绕的方式固定于钻杆外壁上。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，透明保护罩由有机玻璃制作，透明保护罩的大小恰好能将多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器罩在透明保护罩中即可，透明保护罩与钻头钻取的钻孔的壁面最接近处的距离至少为1cm，优选为1～3cm。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，透明保护罩通过平行于钻杆轴线设置的滑轨安装在钻杆外壁上，透明保护罩的上端或下端设有开口，在开口处设有活动挡板挡住开口。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，所述钻杆包括多根，各钻杆之间通过螺纹连接，多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器安装在与钻头直接相连的钻杆上。
上述水平有效地应力测试装置的技术方案中，所述钻机的转速是可以调整的，在钻机慢速转动时，能够带动钻杆以3～5r/min的转速匀速转动。
本发明还提供了一种考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法，该方法使用上述水平有效地应力测试装置进行测试，步骤如下：
①确定待进行水平有效地应力的目标岩体，勘探或根据勘探资料查阅目标岩体不同深度处岩层的岩性，采用单轴压缩试验测定不同深度岩层的弹性模量和泊松比；
②在目标岩体上钻取垂直于水平面的钻孔，在钻进过程中通入钻井液冷却钻头，当多光尺相位激光测距仪在钻孔中的位置达到目标深度后，停止钻进，确保钻杆的轴线与钻孔的轴向重合，调整钻机的转速使钻杆以3～5r/min的转速匀速转动，测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据存储器中；
③将数据存储器取出并将其中储存的数据传输给计算机处理系统，将三维电子罗盘测定的角度数据与多光尺相位激光测距仪测定的距离数据匹配，建立坐标系构建钻孔在目标深度处径向面的形态，在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，即构建的钻孔在目标深度处径向面的形态呈椭圆形；
计算所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，然后根据式(ⅰ)～(ⅱ)计算分别钻孔在长轴和短轴方向的位移，根据式(ⅰ)～(ⅱ)组成的二元一次方程组计算目标测量深度的水平有效地应力，
式(ⅰ)～(ⅱ)中，uc,ud依次为钻孔长轴和短轴方向的位移，2a,2b依次为所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，d为钻孔的初始直径，σ1‘,σ2‘依次为最小和最大水平有效地应力，e为目标测量深度处岩体的弹性模量，μ为目标测量深度处岩体的泊松比，p为目标测量深度处的钻井液压力，p＝γh，γ为钻井液容重，h为目标测量深度。
本发明提供的考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法建立在小直径钻孔对原地应力扰动较小的基础上，以平板圆孔模型，与厚壁圆筒的公式共同建立地应力与钻井液压力之间的关系，原理为钻孔导致的地应力释放后，钻孔会发生变形，在钻孔周边会产生径向位移和切向位移，通过测量产生的径向位移和切向位移值来反向计算原位地应力。以平板圆孔模型，与厚壁圆筒的公式共同建立地应力与钻井液压力之间的关系，如以下公式(ⅲ)～(ⅳ)所示。
其中，ur，vθ为钻孔的径向位移和切向位移，d为钻孔的初始直径，m为目标测量深度所在测量断面上，变形后的钻孔在沿着设定的x轴逆时针旋转θ角度后的孔壁到钻孔中心的距离，该距离通过多光尺相位激光测距仪测得，σ1‘,σ2‘依次为最小和最大水平有效地应力，e为目标测量深度处岩体的弹性模量，μ为目标测量深度处岩体的泊松比，p为目标测量深度处的钻井液压力，p＝γh，γ为钻井液容重，h为目标测量深度。
但从上述切向位移的表达式(式(ⅳ))可以看出，当沿着设定的x轴旋转的角度θ为0°、90°、180°和270°时，钻孔变形后在这些点并无切向位移而只有径向位移，基于此，选择沿着设定的x轴旋转的角度θ为0°、90°组成一元二次方程组(式(ⅰ)～(ⅱ)组成的二元一次方程组)，结合此时的钻孔径向位移值，即可计算出目标测量深度处的水平有效地应力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明提供了一种测试水平有效地应力的装置，该装置包括多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器，并将它们安装在钻杆上、通过透明保护罩罩住它们以防钻孔钻机过程中对它们造成损坏，当采用钻机钻进至多光尺相位激光测距仪达到目标测量深度后，停止钻进，调整钻机钻速使钻杆缓慢匀速转动，即可通过多光尺相位激光测距仪和三维电子罗盘测得钻孔变形的位移数据和相应的角度信息可以重建钻孔在目标深度处径向面的形态，结合压力数据及岩体的弹性模量和泊松比，即能实现水平有效地应力的测定。
2.本发明提供的水平有效地应力测试装置的主要测量部件安装在钻杆上，在对岩体进行钻孔的过程中即可实现目标深度处的水平有效地应力的测定，无需另外采用仪器按照特定操作专门钻孔进行测量，采用本发明的装置，能够有效简化水平有效地应力测试的操作。
3.本发明提供的水平有效地应力测试装置采用现有仪器的组合安装即可形成，结构简单，无需使用特殊结构的部件和仪器，装置的成本也不高，具有容易实现以及有利于推广应用的优势。
4.以本发明提供的水平有效地应力测试装置为基础，本发明还提供了一种考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法，一方面该方法对地质条件及取芯岩石要求较低，在钻取钻孔后无需对钻孔进行进一步的加工，也无需在钻进过程对钻进进行导向，也不用在钻孔内粘贴应变片，具有简化测量操作的优势，因而具有测试成功率更高的特点，测试成功率的提高又能减少重复钻孔测定的次数，进而降低测试成本，另一方面，该方法考虑了钻井液的压力，有利于提高测量结果的准确性。
附图说明
图1是本发明提供的水平有效地应力测试装置的结构示意图。
图2是实施例1中多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘、数据存储器和透明保护罩在钻杆上的安装示意图。
图3是透明保护罩的结构示意图。
图4是透明保护罩的开口处设置了活动挡板的示意图。
图5是实施例2中多光尺相位激光测距仪、三维电子罗盘和数据存储器在钻杆外壁上的安装示意图。
图中，1—多光尺相位激光测距仪、2—三维电子罗盘、3—数据存储器、4—透明保护罩、4-1—安装孔、5—钻机、6—钻杆、7—钻头、8—凹槽、9—滑轨、10—活动挡板、11—转角支撑件。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明提供的考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法及测试装置作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例中，水平有效地应力测试装置的结构如图1所示，该水平有效地应力测试装置适用于在垂直于水平面的钻孔中测试水平有效地应力，包括多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪1和三维电子罗盘2测量数据的数据存储器3、透明保护罩4、钻机5、钻杆6和钻头7，钻杆包括若多根，各根钻杆之间通过螺纹连接，钻头7通过钻杆6与钻机5连接，钻头钻取的钻孔直径比钻杆外径大9cm，多光尺相位激光测距仪1的测量精度为2.3mm，根据该激光测距仪的尺寸和测量精度要求，可选择从市面上购买，也可选择定制生产，三维电子罗盘2采用hec395九轴姿态航向参考系统，数据存储器3中安装有数据集成芯片，数据集成芯片可选用intel系列芯片，钻机的转速是可以调整的，在钻机慢速转动时，能带动钻杆以3～5r/min的转速匀速转动。
多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2分别通过转角支撑件11和螺钉水平安装于钻杆6外壁上，转角支撑件11为直角转角件，由一水平面和与该水平面垂直的弧面组成，所述弧面的弧度与钻杆外壁的弧度相同，多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2分别通过螺钉固定在转角支撑件的水平面上，转角支撑件的弧面通过螺钉固定在钻杆上，数据存储器3通过螺钉安装在钻杆外壁上，多光尺相位激光测距仪1和三维电子罗盘2分别通过数据线与数据存储器3连接。如图3～4所示，透明保护罩4为底面开口的空心梯形台体，透明保护罩的下端设有开口，在透明保护罩的开口处上方通过活页连接有形状与开口形状匹配的活动挡板10，在透明保护罩的开口的边缘上设有安装孔4-1，在活动挡板与安装孔对应的位置处设有形状与安装孔形状匹配的凸块，凸块插入并卡在安装孔中后，活动挡板将透明保护罩下端的开口挡住，将凸块从安装孔中取出后，透明保护罩下端的开口打开，透明保护罩由有机玻璃制作，有机玻璃的透光度好，不影响多光尺相位激光测距仪进行距离测定，透明保护罩与钻头钻取的钻孔壁的距离为2cm。透明保护罩通过平行于钻杆轴线设置的两个钢珠式滑轨安装在钻杆外壁上，如图2所示，钢珠式滑轨的下端距离钻头的距离为20cm。当透明保护罩处于滑轨的下端时，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2和数据存储器3，打开透明保护罩下端的活动挡板，将透明保护罩滑动至滑轨上端时，多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2和数据存储器3露出透明保护罩。
实施例2
本实施例中，水平有效地应力测试装置的结构类似于图1，该水平有效地应力测试装置适用于在垂直于水平面的钻孔中测试水平有效地应力，包括多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2、用于集成和存储多光尺相位激光测距仪1和三维电子罗盘2测量数据的数据存储器3、透明保护罩4、钻机5、钻杆6和钻头7，钻杆包括若多根，各根钻杆之间通过螺纹连接，钻头7通过钻杆6与钻机5连接，钻头钻取的钻孔直径比钻杆外径大10cm，多光尺相位激光测距仪1的测量精度为2.3mm，根据该激光测距仪的尺寸和测量精度要求，可选择从市面上购买，也可选择定制生产，三维电子罗盘2采用hec395九轴姿态航向参考系统，数据存储器3中安装有数据集成芯片，数据集成芯片可选用intel系列芯片，钻机的转速是可以调整的，在钻机慢速转动时，能带动钻杆以3～5r/min的转速匀速转动。
如图5所示，钻杆的外壁上设有凹槽8，凹槽呈弧形，多光尺相位激光测距仪1部分嵌入凹槽中并通过转角支撑件11和螺钉水平安装于凹槽中，三维电子罗盘2部分嵌入凹槽中并通过转角支撑件11和螺钉水平安装于凹槽中，转角支撑件11为直角转角件，由一水平面和与该水平面垂直的弧面组成，所述弧面的弧度与钻杆外壁上凹槽的弧度相同，多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2分别通过螺钉固定在转角支撑件的水平面上，转角支撑件的弧面通过螺钉固定在凹槽8中，数据存储器3通过螺钉安装在凹槽中，多光尺相位激光测距仪1和三维电子罗盘2分别通过数据线与数据存储器3连接。如图3～4所示，透明保护罩4为底面开口的空心梯形台体，透明保护罩的下端设有开口，在透明保护罩的开口处上方通过活页连接有形状与开口形状匹配的活动挡板10，在透明保护罩的开口的边缘上设有安装孔4-1，在活动挡板与安装孔对应的位置处设有形状与安装孔形状匹配的凸块，凸块插入并卡在安装孔中后，活动挡板将透明保护罩下端的开口挡住，将凸块从安装孔中取出后，透明保护罩下端的开口打开，透明保护罩由有机玻璃制作，有机玻璃的透光度好，不影响多光尺相位激光测距仪进行距离测定，透明保护罩与钻头钻取的钻孔壁的距离为3cm。透明保护罩通过平行于钻杆轴线设置的两个钢珠式滑轨安装在钻杆外壁上，如图2所示，钢珠式滑轨的下端距离钻头的距离为20cm。当透明保护罩处于滑轨的下端时，透明保护罩罩住多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2和数据存储器3，打开透明保护罩下端的活动挡板，将透明保护罩滑动至滑轨上端时，多光尺相位激光测距仪1、三维电子罗盘2和数据存储器3露出透明保护罩。
实施例3
本实施例中，提供考虑钻井液压力的水平有效地应力测试方法，该方法使用实施例1或2中的水平有效地应力测试装置进行测试，步骤如下：
①确定待进行水平有效地应力的目标岩体，勘探或根据勘探资料查阅目标岩体不同深度处岩层的岩性，采用室内单轴压缩试验测定不同深度岩层的弹性模量和泊松比；
②在目标岩体上钻取垂直于水平面的钻孔，在钻进过程中通入钻井液冷却钻头，当多光尺相位激光测距仪在钻孔中的位置达到目标深度后，停止钻进，检查钻杆在钻孔中的位置，确保钻杆的轴线与钻孔的轴向重合，调整钻机的转速使钻杆以4r/min的转速匀速转动，测定钻孔壁到多光尺相位激光测距仪的距离并记录相应的角度，储存于数据存储器中；
③将数据存储器取出并将其中储存的数据传输给计算机处理系统，将三维电子罗盘测定的角度数据与多光尺相位激光测距仪测定的距离数据匹配，建立坐标系构建钻孔在目标深度处径向面的形态，在水平有效地应力的作用下，钻孔径向面的形态会由初始的圆形变成椭圆形，即构建的钻孔在目标深度处径向面的形态呈椭圆形；
计算所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，然后根据式(ⅰ)～(ⅱ)计算分别钻孔在长轴和短轴方向的位移，根据式(ⅰ)～(ⅱ)组成的二元一次方程组计算目标测量深度的水平有效地应力，
式(ⅰ)～(ⅱ)中，uc,ud依次为钻孔长轴和短轴方向的位移，2a,2b依次为所构建的椭圆形钻孔径向面的长轴和短轴的长度，d为钻孔的初始直径，σ1‘,σ2‘依次为最小和最大水平有效地应力，e为目标测量深度处岩体的弹性模量，μ为目标测量深度处岩体的泊松比，p为目标测量深度处的钻井液压力，p＝γh，γ为钻井液容重，h为目标测量深度。