一种用于地应力测量的测向装置和测向方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地应力测量技术领域，具体涉及一种用于地应力测量的测向装置和测 向方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国采矿、隧道、水利水电、地热能开发和核废料处置等工程的持续增加，岩 爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈加突出，因此，开展地应力测量，探知地壳应力状 态具有重要现实意义，可为地球动力学研究、断裂活动性研究和地质灾害预警研究提供重 要的科学依据。
[0003] 水压致裂法是70年代发展起来的一种地应力测量方法，该方法是国际岩石力学 学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力所推荐的方法之一，是目前国际上能较好地直接 进行深孔应力测量的先进方法。
[0004] 在传统的水压致裂地应力测量中，压裂裂缝的测量较多地使用带有定向器的印模 器。印模器为外表面包裹一层可塑性橡皮或类似材料的设备，将印模器连同加压管路一起 送入井下压裂段部位，然后将印模器加压膨胀，以便使水压致裂产生的钻孔壁上所有压裂 裂隙均印在印模器上，此印痕可保持足够时间，以便将印模器提至井上后可记录下来。另 外，由于印模器底部安装有定向器，通过定向器记录的数据确定压裂裂缝的方位。
[0005] 具体的，在进行垂直孔测量时，印模器底部安装的定向器为电子罗盘，通过电子罗 盘测量压裂裂隙的地磁方向角；在进行水平孔测量时，印模器底部安装的定向器为图像采 集设备，运用机械重锤和使用图像采集设备定时拍照显影的方法获取裂隙与水平面的夹 角；在进行斜孔测量时，通过多种仪器综合使用判断裂隙的方位角，俯仰角和滚转角。
[0006] 由此可见，使用传统的定向器确定压裂裂缝的方位时，需要根据孔的方向选取不 同的测量仪器，具有通用性低和操作繁琐的问题；尤其当测量环境为含铁类矿藏或者大型 构建干扰时，电子罗盘等定向器会失效，从而导致测量失败。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种用于地应力测量的测向装置和测向方 法，用以解决上述问题。
[0008] 本发明采用的技术方案如下：
[0009] 本发明提供一种用于地应力测量的测向装置，该测向装置为三通道独立测量测向 装置，包括第一测量通道、第二测量通道、第三测量通道、处理器、存储器、时钟模块和电源 模块；所述处理器分别与所述第一测量通道、所述第二测量通道、所述第三测量通道、所述 存储器、所述时钟模块和所述电源模块电连接；
[0010] 其中，所述第一测量通道包括串联的地磁测量模块、第一信号调理电路和第一模 数转换器；
[0011] 所述第二测量通道包括串联的倾角测量模块、第二信号调理电路和第二模数转换 器；
[0012] 所述第三测量通道包括串联的旋转角测量模块、第三信号调理电路和第三模数转 换器。
[0013] 优选的，所述地磁测量模块包括互相垂直的X向地磁传感器、Y向地磁传感器和Z 向地磁传感器；
[0014] 所述倾角测量模块包括互相垂直的X向加速度传感器、Y向加速度传感器和Z向 加速度传感器；
[0015] 所述旋转角测量模块包括互相垂直的X向陀螺仪、Y向陀螺仪和Z向陀螺仪；
[0016] 所述处理器用于根据所述地磁测量模块、所述倾角测量模块和所述旋转角测量模 块的测量结果，计算压裂裂隙的地磁方向和倾角；
[0017] 所述存储器用于存储各设定时间段压裂裂隙的地磁方向和倾角；
[0018] 所述时钟模块用于控制所述处理器休眠或唤醒；
[0019] 所述电源模块包括串联的电池和电压转换芯片，通过所述电压转换芯片，向所述 处理器提供适配的电能。
[0020] 优选的，所述第一测量通道、所述第二测量通道、所述第三测量通道、所述处理器、 所述存储器、所述时钟模块和所述电源模块集成为一个测向电路板。
[0021] 优选的，所述测向装置还包括铜管；所述测向电路板置于所述铜管的内壁，且与所 述铜管固定连接；或者，所述测向电路板固定到保护架上，再将已固定有所述测向电路板的 保护架固定到所述铜管内壁上。
[0022] 本发明还提供一种用于地应力测量的测向装置的测向方法，包括以下步骤：
[0023] S1，测量前，在地面组装得到权利要求4所述的测向装置；
[0024] S2,对所述测向装置进行初始参数配置；
[0025] S3,对于S1所述的测向装置，当将测向电路板固定到所述铜管内壁上之后，在铜 管的两端安装防水密封件；
[0026] S4,将S3得到的测向装置安装到印模器的底部，然后将安装有所述测向装置的印 模器送入井下压裂段部位，将印模器加压膨胀，保持一定时间的膨胀压力后，裂隙将在印模 器上留下印痕，所述测向装置进行测向工作，具体为：
[0027] 当进行垂直孔地应力测量时，启动第一测量通道，通过地磁测量模块记录不同时 刻测向装置的轴线在水平面的投影的地磁方位角并存储到存储器中；
[0028] 当进行水平孔地应力测量时，启动第二测量通道，通过倾角测量模块记录不同时 刻测向装置沿自身轴线旋转的角度即滚转角，以及，记录不同时刻测向装置轴线与水平面 的夹角即俯仰角；然后将滚转角和俯仰角存储到存储器中；
[0029] 当进行斜孔地应力测量时，联合启动第一测量通道和第二测量通道，使用地磁测 量模块记录不同时刻的地磁方向角，以及，使用倾角测量模块记录不同时刻的滚转角和俯 仰角，然后将地磁方向角、滚转角和俯仰角存储到存储器中；
[0030] S5,测量完成后，取出所述测向装置，从所述存储器中读取各测量通道所测量的数 据，通过对数据进行分析，对水压致裂法产生的压裂裂缝进行定向，具体为：
[0031] 当进行垂直孔地应力测量时，从所述存储器中读取所述地磁测量模块记录的各时 刻的地磁方位角，从而推算出水压致裂法产生的压裂裂缝的地磁方位角；
[0032] 当进行水平孔地应力测量时，从所述存储器中读取所述倾角测量模块记录的各时 刻的滚转角和俯仰角，从而推算出水压致裂法产生的压裂裂缝的方向与地平面产生的夹 角；
[0033] 当进行斜孔地应力测量时，从所述存储器中读取所述地磁测量模块记录的各时刻 的地磁方位角，以及，读取所述倾角测量模块记录的各时刻的滚转角和俯仰角，从而推算出 水压致裂法产生的压裂裂缝方向与地磁场方向产生的夹角，以及压裂裂缝方向与地平面产 生的夹角，还推算出斜孔的轴线与地平面的夹角。
[0034] 优选的，还包括：
[0035] 在进行垂直孔地应力测量时，在启动第一测量通道的同时，还启动第三测量通道， 通过旋转角测量模块记录测向装置的实时姿态信息，通过旋转角测量模块记录的信息对地 磁测量模块记录的信息进行复核；
[0036] 在进行水平孔地应力测量时，在启动第二测量通道的同时，还启动第三测量通道， 通过旋转角测量模块记录测向装置的实时姿态信息，通过旋转角测量模块记录的信息对倾 角测量模块记录的信息进行复核；
[0037] 在进行斜孔地应力测量时，在启动第一测量通道和第二测量通道的同时，还启动 第三测量通道，通过旋转角测量模块记录测向装置的实时姿态信息，通过旋转角测量模块 记录的信息对地磁测量模块记录的信息以及倾角测量模块记录的信息进行复核。
[0038] 优选的，所述旋转角测量模块对所述地磁测量模块和/或倾角测量模块的测量结 果进行复核，所采用的复核方法具体为 ：
[0039] 设在即将把测向装置和印模器送入井下压裂段部位之前，在井口控制测向装置的 处理器清除由旋转角测量模块