一種鑽孔傾斜儀井下探頭的製作方法

2023-10-30 20:31:42

專利名稱：一種鑽孔傾斜儀井下探頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及精密測量裝置技術領域，更具體的說是涉及一種用於連續觀測地殼的傾斜變形的鑽孔傾斜儀井下探頭。
背景技術：
連續觀測地殼的傾斜變形是預報強地震發生的有效途徑之一。地傾斜是一個偽矢量，它不但有大小的變化，還有方向的變化，通常用傾角和傾向來描述。在臺站實際觀測中， 需要在互成直角的兩個方向上同時開展大地傾斜的測量，才能全面地了解地傾斜的變化情況。以往的幾十年裡，國內、外觀測地傾斜，均是以洞體觀測為主；所使用的儀器主要有長水管傾斜儀和水平擺傾斜儀等。這些儀器發展歷史悠久，精度高，穩定性好，成為洞體儀器的主體。目前國內常用的傾斜儀，有SQ-70型石英絲水平擺傾斜儀，FSQ型浮子式自記水管傾斜儀，JB金屬絲水平擺傾斜儀，VS型垂直擺傾斜儀等幾大類，有300多臺投入觀測。這些儀器絕大多數都安裝在有一定長度的窿道或山洞內，以避免溫度與溼度變化，以及人類活動等對地傾斜觀測的幹擾，安裝條件比較苛刻，建站費用也非常昂貴。地殼伸縮-應變觀測也有同樣的問題。隨著我國城市化進程的加快，符合安裝條件的臺址越來越難找到，地傾斜-地形變觀測受到嚴重製約。尤其是華北與東南部沿海平原地區，及大城市一帶，已經成為形變-應變觀測的空白區。鑽孔型儀器，包括鑽孔傾斜儀和鑽孔應變儀，它們幾乎可以在任何地理環境下工作，且具有與洞體儀器相當的技術指標，經過國內、外科學家40多年的探索和試驗，已經取得多方面的進展，為今後形變觀測向深度廣度發展打下了良好的基礎。鑽孔型儀器相對於在地表和山洞中工作的儀器有以下幾方面優越性(1)由於鑽孔儀器一般要安裝在地下幾十米到幾百米深的井孔內，有效地抑制了地球表面氣象因素變化和人類工程活動等帶來的幹擾。(2)由於不需要開鑿山洞，故可以在山區、平原，甚至沙漠、海底都可以鑽孔安裝， 進行觀測。具有極強的環境適應性。(3)鑽井安裝儀器，相比開鑿山洞更加經濟，高效。正是由於鑽孔型儀器具備諸多的優越性，早在上世紀70年代德國、日本、美國相繼開展了鑽孔傾斜儀的研製，並逐漸得到推廣應用。但是，由於鑽孔傾斜儀安裝在深鑽井中，約10公分的井孔直徑限制了儀器的體積，儀器的結構設計受到制約，要達到高的靈敏度，大的動態範圍和良好的穩定性具有較大的難度。其次，由於安裝在深井內，甚至用水泥固結安裝，再取出維修很困難，要求儀器必須具有更高的可靠性。再次，井下儀器人無法靠近，就要求測量系統具有很強的遠距離控制功能。最後，隨著深度增加，還有隨之而來的高溫、高壓問題，都給鑽孔傾斜儀的發展帶來了更大的難度。國際上，上世紀70年代初期，美國科學家運用羅克威爾公司(Rockwell)開發出的高精度氣泡傾斜傳感器，設計了一種鑽孔傾斜儀，安裝於數米深的淺井中進行地震監測預報研究。新的鑽孔傾斜測量系統很快在1973年和1974年霍利斯特地震之前記錄到明顯的前兆異常，於是，USGS(美國地質調查局)傾斜儀臺網在此後的兩年裡迅速發展，在加州西部建立了 74個觀測站，安裝了 84臺儀器。但是，之後積累的大量觀測資料說明，安裝在淺井中的傾斜儀記錄的基本上是各種氣象變化與人為活動的幹擾。1982年以後，大多數USGS 淺井傾斜儀已不再用於地震預測研究。氣泡傾斜儀無論本身性能如何好，安裝在淺井中並不能拾取到大地真實的傾斜變化。這使人們認識到，用於地球物理觀測的儀器在實際應用中首先要解決的一個重要問題，就是如何實現與地球的耦合。之後，德國研製出一種鑽孔傾斜儀，即由Askania公司生產的GBP-10鑽孔傾斜儀。 該鑽孔傾斜儀由觀測井、探頭外殼、懸吊與支撐部件、擺體、鎖擺機構、重錘、差動電容式位移傳感器、標定元件等8部分組成，觀測井事先需安裝不鏽鋼套管；傾斜儀落入後，依靠底部支點與頂端支撐杆得以固定。傾斜儀的擺體採用萬向結懸掛於探頭外殼鋼筒上，擺體可在任意豎直面內擺動，自由狀態下可保持垂直姿態，此時將其鎖定即可實現儀器調零。擺體被鎖定後，它會跟隨鑽孔傾斜而改變傾角，其內置重錘為自由懸吊，將始終保持垂直位置， 因此，固定於其上的電容式位移傳感器動極板，與固定在擺體上的定極板產生相對差動位移，測量傳感器電容量的變化，可以輸出比例於地面傾角的信號。該鑽孔傾斜儀零敏度為 1X10—9弧度，探頭尺寸為2000mmX Φ 140mm，設計安裝深度在15m 70m之間，儀器售價約 20萬美元。地傾斜觀測從上世紀70年代以來，在我國開展得比較廣泛，但大多數是在山洞與隧道中進行。在鑽孔內觀測地傾斜的工作起步較晚，國家地震局天津測量隊於上世紀80年代，曾研製出一種氣泡式鑽孔傾斜儀，後因所研製的氣泡傾斜傳感器工作壽命較短，未能進一步推廣運用。與此同時，河南省地震局馬鴻鈞等研製出採用電容式位移傳感器的「CBZ-1 型豎直擺鑽孔傾斜儀」，觀測效果比較好，得到一定程度的推廣運用。如圖1所示，(觀-1型鑽孔傾斜儀主要由儀器主體、地面控制箱，和記錄器三部分組成。儀器主體就是井下的部分，儀器外殼是一個圓柱形密封耐壓鋼筒(7)，外徑為Φ 127mm。筒內裝有垂直懸掛的擺體 (21)，在擺體的周圍安裝了兩套用來測量微小位移量的電容傳感器，包括傳感器電路 (18)、萬向結(19)、鎖擺機構(20)和電容極板(22)，由於地殼的傾斜變化，引起擺體(21) 與支撐架的相對位移，電容傳感器可以將產生的微小位移量轉變成與之對應的電壓變化， 該電壓變化就反映了地傾斜的變化。為了使儀器能在井孔內長期正常工作，井下儀器內設有精細的機械調零機構(M)，通過調零電機0 調整擺系的最佳工作狀態。儀器內還設置有標定器(23)，以便隨時檢查儀器的靈敏度係數。為了按適當的方位把儀器安裝到井底，在井孔底部應先安裝一個定向底座，推靠在井孔壁上，起著支撐儀器和確定儀器方位的作用。 儀器的上部有將儀器卡緊到井壁的機械裝置，包括重塊(16)和滑塊(17)，用提環(10)將儀器下到井底後，它會自動把儀器固定在井下。在需要提出來檢修時，它又能自動放鬆，使儀器順利提出。(觀-1型豎直擺傾斜儀設計安裝井深在30米左右，傾斜儀靈敏度達0. 0002 角秒，探頭尺寸為1500mmX Φ 127mm。就國內目前使用的「CBZ-1型豎直擺鑽孔傾斜儀」來說，現有技術存在如下的問題 首先，因為使用的定向與機械接觸的安裝技術使得儀器安裝深度受限制；其次，通過幾個機械支撐點與巖石孔壁接觸，儀器和地球的耦合效果欠佳，系統的穩定性受到一定影響；再次，一個垂直懸掛的擺，配兩套電容位移傳感器的極板進行測量，零點調整時將互相影響，操作複雜；最後，該儀器外殼鋼筒外徑為Φ 127mm，比較大，不能安裝在多數地質、水文與石油系統廢棄的井中，因而不利於推廣應用，有必要加以改進。

實用新型內容本實用新型就是為解決上述問題而提供的一種鑽孔傾斜儀井下探頭，採用了內置電子羅盤定向，還採用水泥固結或石英砂填埋等井下安裝方式，以改善與地球的耦合質量， 提高系統的穩定性，並突破幾十米的安裝深度的限制；另外，還設置了可以軸向調節的傾斜零點調節裝置，使鑽孔傾斜儀的外徑更小，能利用多數現有的地質、水文與石油系統廢棄的鑽井，同時還能使該鑽孔傾斜儀工作動態範圍更寬。本實用新型是採用如下技術方案來實現上述目的的一種鑽孔傾斜儀井下探頭， 包括密封金屬筒及設在其內的傳感器，在密封金屬筒內還設有傾斜零點調節裝置，該傳感器包括有由上至下設置的設有電子羅盤的電路板以及兩個正交設置的電容式傾斜傳感器， 該設有電子羅盤的電路板垂直的連接在該密封金屬筒內壁，該電容式傾斜傳感器安裝在該傾斜零點調節裝置上。作為上述方案的進一步說明優選地，所述傾斜零點調節裝置包括支架、兩個步進電機以及傾斜測量平臺，該支架主要由上基板、底板以及連接在二者之間的支柱構成，該傾斜測量平臺由球形支點連接在上基板上方，該步進電機安裝在該支架內，該步進電機的機軸由絲槓裝置連接在傾斜測量平臺下方，該設有電子羅盤的電路板內置微處理器接收地面儀器發出的指令，控制步進電機動作以調節該測量平臺的姿態。優選地，所述絲槓裝置包括依次連接在該步進電機的機軸上的聯軸節、螺栓和傳動絲槓，該傳動絲槓穿透上基板並連接在傾斜測量平臺的下表面。優選地，所述電容式傾斜傳感器包括有屏蔽殼及設在其內的固定板、懸吊梁、動極板和定極板，該固定板安裝在屏蔽殼內底部，該懸吊梁垂直安裝在該固定板上，該動極板懸掛在該懸吊梁上，該定極板與該動極板平行地設置在該動極板兩側，且該定極板固定連接在該懸吊梁上。優選地，所述動極板由簧片通過機械卡具連接在懸吊梁上，該動極板與該簧片及定極板平行。優選地，所述傾斜零點調節裝置下方設有與密封金屬筒連接的密封底座，在設有電子羅盤的電路板上方設有與密封金屬筒連接的引線密封盤，所述傳感器及傾斜測量裝置的信號電纜從該引線密封盤引出密封金屬筒，該密封底座和引線密封盤與密封金屬筒構成密封空間。優選地，所述密封金屬筒上端設有扶正器，該扶正器包括三個以上的彈性支撐臂， 該支撐臂沿密封金屬筒外圓均勻分布，使得井下傾斜儀處於鑽孔中心位置。優選地，所述密封金屬筒上端還設有用於保護信號電纜的電纜密封筒。優選地，所述密封金屬筒上端連接有用於吊裝的提環。本實用新型採用以上技術方案所能達到的有益效果是本實用新型所述的鑽孔傾斜儀井下探頭採用電容式傾斜傳感器，且其動極板由簧片連接在懸吊梁上，由於動極板只對垂直於簧片平面的傾斜變化敏感，所以必須在兩個互相垂直的方向上採用兩套獨立的電
5容式傾斜傳感器來進行測量，才能獲得真實的地傾斜變化，這種結構使得傾斜傳感器的結構簡單，而且體積小巧，再加上設在電容式傾斜傳感器下端的傾斜零點調節裝置的巧妙配合，全部調節部件都在密封金屬筒內軸向排布，不但保證了較大的動態調節範圍，也減小了鋼筒的外徑，因此可以充分利用地質、水文與石油部門的廢棄鑽孔資源，便於在高精度地球物理觀測及地震監測預報等領域的工作中推廣應用，又由於內置了電子羅盤，並改進了井下傾斜儀與地層巖石的耦合方式，故本實用新型所述的鑽孔傾斜儀可以安裝在較深的鑽井中。

圖1是現有的UB-I型豎直擺鑽孔傾斜儀井下探頭的結構示意圖；圖2是本實用新型所述鑽孔傾斜儀井下探頭的結構示意圖；圖3是本實用新型所述電容式傾斜傳感器的結構示意圖；圖4是本實用新型所述傾斜零點調節裝置的結構示意圖；圖5是本實用新型所述鑽孔傾斜儀井下探頭的安裝示意圖；圖6是本實用新型所述電容式傾斜傳感器輸出特性的標定結果。附圖標記說明1-井下探頭，2-耦合材料，3-信號電纜，4-鋼絲繩，5-套管，6-井口套管，7_密封鋼筒，8-扶正器，9-電纜密封筒，10-提環，11-引線密封盤，12-設有電子羅盤的電路板， 13-電容式傾斜傳感器，14-傾斜零點調節裝置，15-密封底座，16-重塊，17-滑塊，18-傳感器電路，19-萬向結，20-鎖擺機構，21-擺體，22-電容極板，23-標定器，24-調零機構， 25-調零電機，26-定向頭，131-動極板，132-定極板，133-簧片，134-懸吊梁，135-固定板， 136-屏蔽殼，137-機械卡具，140-傳動絲槓，141-傾斜測量平臺，142-球形支點，143-上基板，144-步進電機，145-底板，146-支柱，147-中間板，148-聯軸節，149-螺栓。
具體實施方式
為進一步闡述本實用新型的結構和功能，
以下結合附圖和優選的實施例對本實用新型作詳細說明，但應當理解本實用新型的保護範圍並不受具體實施方式
的限制。圖1為現有的(觀-1型豎直擺鑽孔傾斜儀井下探頭的結構示意圖，在背景技術中已有介紹，在此不再贅述。圖2為本實用新型所述鑽孔傾斜儀井下探頭1的結構示意圖，如圖中所示，該鑽孔傾斜儀井下探頭1包括有密封鋼筒7及設在其內的傳感器，在密封鋼筒7內還設有傾斜零點調節裝置14，該傳感器包括有由上至下設置的設有電子羅盤的電路板12以及兩個正交設置的電容式傾斜傳感器13，該設有電子羅盤的電路板12垂直的連接在該密封鋼筒7內壁，該電容式傾斜傳感器13安裝在該傾斜零點調節裝置14上。傾斜零點調節裝置14下方設有與密封鋼筒7連接的密封底座15，在設有電子羅盤的電路板12上方設有與密封鋼筒7 連接的引線密封盤11，傳感器及傾斜測量裝置的信號電纜3從該引線密封盤11引出密封鋼筒7，該密封底座15和引線密封盤11與密封鋼筒7構成密封空間。在密封鋼筒上端還設有扶正器8，它由儀器外殼沿圓周對稱分布的4個帶彈簧的支撐臂組成，使得傾斜儀能夠處在鑽孔的中心位置，為其實現與地殼良好的耦合提供保證。在密封鋼筒上端還設有提環10和用於保護信號電纜3的電纜密封筒9，從引線密封盤11引出的信號電纜3經由電纜密封筒 9引出至地面，提環10用於固定鋼絲繩4，以便安裝時將探頭懸吊於井中，並落入井底。設有電子羅盤的電路板12可用於測量方位，試驗證明，井下探頭1內部的鐵磁物質對設有電子羅盤的電路板12的影響是確定的，通過進行補償，可以克服這些部件的影響，這樣，用設有電子羅盤的電路板12配以簡單的電源、通訊接口電路和上位機，利用簡單的測量程序就可以輕鬆實現井下定位功能。初步的實驗表明，井下定位精度達到了士3°。圖3為本實用新型所述電容式傾斜傳感器13的結構示意圖，如圖中所示，該電容式傾斜傳感器13包括有屏蔽殼136及設在其內的固定板135、懸吊梁134、動極板131和定極板132，該固定板135安裝在屏蔽殼136內底部，該懸吊梁134垂直安裝在該固定板135 上，該動極板131由簧片133通過機械卡具137連接在懸吊梁134上，該動極板131與該簧片133及定極板132平行，該定極板132平行的設置在該動極板131兩側，且該定極板132 固定在懸吊梁134上。這裡，地傾斜的變動通過該動極板131的擺動轉化為位移，並採用數字式電容位移測量技術，把測量電路靠近定極板132安裝，可以較好地抑制噪聲與幹擾。動極板131 只對垂直於簧片133平面的傾斜變化敏感，所以必須在兩個互相垂直的方向上採用兩套獨立的電容式傾斜傳感器13來進行測量，分別實現兩個正交方向傾角的觀測，以達到測量大地傾斜矢量的要求。最終，該電容式傾斜傳感器13的簧片133長度約70mm，懸吊的動極板 131重量在300克左右，極板間距約0. 1mm，其固有振動周期小於1秒，因此，對於監測地傾斜固體潮信號，本實用新型所述的井下探頭1具有較高的動態響應性能，能及時跟蹤伴隨構造活動的地殼傾斜變形，具有體積小、重量輕、穩定性好等特點。實驗結果表明，系統噪聲達0.0002角秒，在士 0.5°基本測量範圍內輸出線性度優於0.5%。圖6即為本實用新型所述的電容式傾斜傳感器13輸出特性的標定結果示例。圖4是本實用新型所述傾斜零點調節裝置14的結構示意圖，如圖中所示，該傾斜零點調節裝置14包括支架、兩個步進電機144以及傾斜測量平臺141，該支架主要由上基板143、底板145以及連接在二者之間的支柱146構成，在上基板143和底板145之間還設有用於固定步進電機144的中間板147，該傾斜測量平臺141由球形支點142連接在上基板 143上方，該步進電機144安裝在該支架內，該步進電機144的機軸由絲槓裝置連接在傾斜測量平臺141下方。該絲槓裝置包括依次連接在該步進電機144的機軸上的聯軸節148、螺栓149和傳動絲槓140，該傳動絲槓140穿透上基板143並連接在傾斜測量平臺141的下表面。在傾斜測量平臺141上方設有兩個正交設置的電容式傾斜傳感器13，上一個電容式傾斜傳感器13的底部固定連接在下一個電容式傾斜傳感器13的屏蔽殼136頂部，下一個電容式傾斜傳感器13的底部固定連接在傾斜測量平臺141上表面。兩個步進電機144調節點及球形支點142的連線互相垂直，並分別與某一方向的電容式傾斜傳感器13的測量方向一致，因此，當需要在某一個方向調節傾斜測量平臺141 的傾斜角度時，便可控制該方向的步進電機144旋轉，它將帶動螺栓149轉動，最後使傳動絲杆發生向上或者向下的位移，達到調節測量平臺傾角的目的。在實驗樣機取外形尺寸 IOOOmmX Φ 89mm時，該傾斜平臺的調節範圍大於士5°。 圖5是本實用新型所述鑽孔傾斜儀井下探頭1的安裝示意圖，如圖中所示，該井下探頭1可採用水泥固結或者沉砂方式實現與地殼耦合，具體採用何種耦合材料2應視具體情況而定，該井下探頭1在下井過程中使用鋼絲繩4懸吊，以保護信號電纜3不被損壞。鑽孔應選在地層較平坦、完整的地區，鑽井深度一般不應小於40米。鑽孔淺部需下井口套管 6以隔離破碎帶對觀測井的影響，其深部若是基巖，可以為裸孔，如果是土層，則需下套管5 對整個井筒進行保護。該井下探頭1在下井前，應在密封鋼筒7內充入具有一定粘度的矽油，其作用有三點一是增大阻尼，可有效地從傳感器前端濾除高頻噪聲並保護懸吊重物的簧片133 ；其次，由於電容傳感器極板間充滿介電常數為2. 7的矽油，使得因極板位移產生的電容量變化增大了約2. 7倍，能夠明顯提高傾斜儀的靈敏度係數；最後，可以隔離潮氣，保證傳感器性能的長期穩定。本實用新型上述實施例和附圖所示僅為本實用新型較佳實施例之一，並不能以此局限本實用新型，在不脫離本實用新型精髓的條件下，本領域技術人員所做的任何變動，包括與其它井下儀器組合成井下多參數綜合觀測系統，都屬本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種鑽孔傾斜儀井下探頭，包括密封金屬筒及設在其內的傳感器，其特徵在於，在密封金屬筒內還設有傾斜零點調節裝置，該傳感器包括有由上至下設置的設有電子羅盤的電路板以及兩個正交設置的電容式傾斜傳感器，該設有電子羅盤的電路板垂直的連接在該密封金屬筒內壁，該電容式傾斜傳感器安裝在該傾斜零點調節裝置上。
2.根據權利要求1所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述傾斜零點調節裝置包括支架、兩個步進電機以及傾斜測量平臺，該支架主要由上基板、底板以及連接在二者之間的支柱構成，該傾斜測量平臺由球形支點連接在上基板上方，該步進電機安裝在該支架內，該步進電機的機軸由絲槓裝置連接在傾斜測量平臺下方。
3.根據權利要求2所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述絲槓裝置包括依次連接在該步進電機的機軸上的聯軸節、螺栓和傳動絲槓，該傳動絲槓穿透上基板並連接在傾斜測量平臺的下表面。
4.根據權利要求1或2所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述電容式傾斜傳感器包括有屏蔽殼及設在其內的固定板、懸吊梁、動極板和定極板，該固定板安裝在屏蔽殼內底部，該懸吊梁垂直安裝在該固定板上，該動極板懸掛在該懸吊梁上，該定極板與該動極板平行的設置在該動極板兩側，且該定極板固定連接在該懸吊梁上。
5.根據權利要求4所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述動極板由簧片通過機械卡具連接在懸吊梁上，該動極板與該簧片及定極板平行。
6.根據權利要求4所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述傾斜零點調節裝置下方設有與密封金屬筒連接的密封底座，在設有電子羅盤的電路板上方設有與密封金屬筒連接的引線密封盤，所述傳感器及傾斜測量裝置的信號電纜從該引線密封盤引出密封金屬筒，該密封底座和引線密封盤與密封金屬筒構成密封空間。
7.根據權利要求1所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述密封金屬筒上端設有扶正器，該扶正器包括三個以上的彈性支撐臂，該支撐臂沿密封金屬筒外圓均勻分布。
8.根據權利要求1所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述密封金屬筒上端還設有用於保護信號電纜的電纜密封筒。
9.根據權利要求1所述的鑽孔傾斜儀井下探頭，其特徵在於，所述密封金屬筒上端連接有用於吊裝的提環。
專利摘要本實用新型公開了一種鑽孔傾斜儀井下探頭，包括密封金屬筒及設在其內的傳感器，在密封金屬筒內還設有傾斜零點調節裝置，該傳感器包括有由上至下設置的設有電子羅盤的電路板以及兩個正交設置的電容式傾斜傳感器，該設有電子羅盤的電路板垂直的連接在該密封金屬筒內壁，該電容式傾斜傳感器安裝在該傾斜零點調節裝置上。本實用新型採用了內置電子羅盤定向，還採用水泥固結或石英砂填埋等井下安裝方式，以改善與地球的耦合質量，提高系統的穩定性，並突破幾十米的安裝深度的限制；設置了可以軸向調節的傾斜零點調節裝置，使鑽孔傾斜儀井下探頭的外徑更小，能利用多數現有的地質、水文與石油系統廢棄的鑽井，同時還能使該鑽孔傾斜儀工作動態範圍更寬。
文檔編號G01C9/00GK202256695SQ201120358508
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者歐陽祖熙 申請人:歐陽祖熙