[实用新型]一种钻孔倾斜仪井下探头

说明书

技术领域

本实用新型涉及精密测量装置技术领域，更具体的说是涉及一种用于连续观测地壳的倾斜变形的钻孔倾斜仪井下探头。

背景技术

连续观测地壳的倾斜变形是预报强地震发生的有效途径之一。地倾斜是一个伪矢量，它不但有大小的变化，还有方向的变化，通常用倾角和倾向来描述。在台站实际观测中，需要在互成直角的两个方向上同时开展大地倾斜的测量，才能全面地了解地倾斜的变化情况。以往的几十年里，国内、外观测地倾斜，均是以洞体观测为主；所使用的仪器主要有长水管倾斜仪和水平摆倾斜仪等。这些仪器发展历史悠久，精度高，稳定性好，成为洞体仪器的主体。目前国内常用的倾斜仪，有SQ-70型石英丝水平摆倾斜仪，FSQ型浮子式自记水管倾斜仪，JB金属丝水平摆倾斜仪，VS型垂直摆倾斜仪等几大类，有300多台投入观测。这些仪器绝大多数都安装在有一定长度的窿道或山洞内，以避免温度与湿度变化，以及人类活动等对地倾斜观测的干扰，安装条件比较苛刻，建站费用也非常昂贵。地壳伸缩-应变观测也有同样的问题。随着我国城市化进程的加快，符合安装条件的台址越来越难找到，地倾斜-地形变观测受到严重制约。尤其是华北与东南部沿海平原地区，及大城市一带，已经成为形变-应变观测的空白区。

钻孔型仪器，包括钻孔倾斜仪和钻孔应变仪，它们几乎可以在任何地理环境下工作，且具有与洞体仪器相当的技术指标，经过国内、外科学家40多年的探索和试验，已经取得多方面的进展，为今后形变观测向深度广度发展打下了良好的基础。钻孔型仪器相对于在地表和山洞中工作的仪器有以下几方面优越性：

(1)由于钻孔仪器一般要安装在地下几十米到几百米深的井孔内，有效地抑制了地球表面气象因素变化和人类工程活动等带来的干扰。

(2)由于不需要开凿山洞，故可以在山区、平原，甚至沙漠、海底都可以钻孔安装，进行观测。具有极强的环境适应性。

(3)钻井安装仪器，相比开凿山洞更加经济，高效。

正是由于钻孔型仪器具备诸多的优越性，早在上世纪70年代德国、日本、美国相继开展了钻孔倾斜仪的研制，并逐渐得到推广应用。

但是，由于钻孔倾斜仪安装在深钻井中，约10公分的井孔直径限制了仪器的体积，仪器的结构设计受到制约，要达到高的灵敏度，大的动态范围和良好的稳定性具有较大的难度。其次，由于安装在深井内，甚至用水泥固结安装，再取出维修很困难，要求仪器必须具有更高的可靠性。再次，井下仪器人无法靠近，就要求测量系统具有很强的远距离控制功能。最后，随着深度增加，还有随之而来的高温、高压问题，都给钻孔倾斜仪的发展带来了更大的难度。

国际上，上世纪70年代初期，美国科学家运用罗克威尔公司(Rockwell)开发出的高精度气泡倾斜传感器，设计了一种钻孔倾斜仪，安装于数米深的浅井中进行地震监测预报研究。新的钻孔倾斜测量系统很快在1973年和1974年霍利斯特地震之前记录到明显的前兆异常，于是，USGS(美国地质调查局)倾斜仪台网在此后的两年里迅速发展，在加州西部建立了74个观测站，安装了84台仪器。但是，之后积累的大量观测资料说明，安装在浅井中的倾斜仪记录的基本上是各种气象变化与人为活动的干扰。1982年以后，大多数USGS浅井倾斜仪已不再用于地震预测研究。气泡倾斜仪无论本身性能如何好，安装在浅井中并不能拾取到大地真实的倾斜变化。这使人们认识到，用于地球物理观测的仪器在实际应用中首先要解决的一个重要问题，就是如何实现与地球的耦合。

之后，德国研制出一种钻孔倾斜仪，即由Askania公司生产的GBP-10钻孔倾斜仪。该钻孔倾斜仪由观测井、探头外壳、悬吊与支撑部件、摆体、锁摆机构、重锤、差动电容式位移传感器、标定元件等8部分组成，观测井事先需安装不锈钢套管；倾斜仪落入后，依靠底部支点与顶端支撑杆得以固定。倾斜仪的摆体采用万向结悬挂于探头外壳钢筒上，摆体可在任意竖直面内摆动，自由状态下可保持垂直姿态，此时将其锁定即可实现仪器调零。摆体被锁定后，它会跟随钻孔倾斜而改变倾角，其内置重锤为自由悬吊，将始终保持垂直位置，因此，固定于其上的电容式位移传感器动极板，与固定在摆体上的定极板产生相对差动位移，测量传感器电容量的变化，可以输出比例于地面倾角的信号。该钻孔倾斜仪零敏度为1×10^-9弧度，探头尺寸为2000mm×φ140mm，设计安装深度在15m～70m之间，仪器售价约20万美元。