高精度钻孔超声波成像原理及解释技术

高精度钻孔超声波成像原理及解释技术
胡平;孔广胜;余钦范
【摘要】介绍了钻孔超声波成像的工作原理.由于该系统具有图像分辨率高﹑方位确定准确的特点,特别适合于确定岩石节理(或岩层)的走向﹑倾向﹑倾角,裂隙和破碎发育情况.可根据工程的需要,提供多种综合分析图件,为大型工程的地基基础的地质结构分析﹑评价提供可靠依据,在香港开展的工程中使用了钻孔超声波成像,取得较好效果.
【期刊名称】《物探与化探》
【年(卷),期】2004(028)004
【总页数】4页(P310-313)
【关键词】钻孔超声波成像;凹面镜聚焦;构造柱状图;立体图;玫瑰图
【作者】胡平;孔广胜;余钦范
【作者单位】中国地质大学,北京,100083;中国地质科学院,物化探所勘查地球物理开放实验室,河北,廊坊,065000;中国地质科学院,物化探所勘查地球物理开放实验室,河北,廊坊,065000;中国地质大学,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】P631.8+14
钻孔超声波高精度数字记录成像作为成像测井的一种新方法在国外已得到比较广泛的应用。

它具有高解像度﹑高精度﹑在浑浊井液中也能得到清晰图像的特点，加之
比较完备的统计分析软件，能够提供大量工程基础分析所需的有用信息，在大型工程的基础勘察中发挥越来越大的作用。

1 钻孔成像技术的分类
目前，钻孔成像方法主要包括井下电视，超声波成像和光学成像3种。

下面以英国Robertson Geologging 公司钻孔成像系统为例进行说明❶Robertson Geologging System Operation Manual.。

1.1 井下电视
井下电视以井下探头所发出的可见光为信号源，接收井壁的光反射信号进行成像。

井下电视按仪器结构的差异分为全景式井下电视系统和侧视式井下电视系统。

(1)全景式井下电视系统的基本结构：在探头的前端安装一个固定光源，光源发出的光线被井壁反射，井轴周围360度范围内的反射信号同时到达接收传感器被仪器记录成像。

(2)侧视式井下电视系统的基本结构：在探头的前端安装一个可转动的光源，该光源的照射具有指向性。

它能在井轴平面内旋转90°，同时能在垂直井轴的平面内旋转360°。

不同深度﹑不同方位的图像依次被记录形成完整的井壁图像。

由于井下电视图像的方位角精度低，一般用于观察井壁的完整性﹑钻孔堵塞物﹑岩层或岩石节理的大致发育情况﹑钻孔套管或市政排水管的连接及锈蚀情况﹑混凝土浇注质量及混凝土与基岩面的胶结情况等对方位要求不太高的工程测量。

1.2 超声波成像
超声波成像是以井下探头发出的超声波为信号源。

向下发射的脉冲超声波信号经倾斜45°放置的凹面镜聚焦反射﹑改变方向，垂直入射井壁，信号经井壁反射，被探头接收形成一个像点。

经360°扫描后形成在某一深度上井壁一周的图像。

随着探头沿井轴的移动形成井壁的完整图像。

由于其具有分辨率高(井轴方向3 mm, 横向扫描间隔1°)，方位确定准确(±2.5)的特点，特别适合于确定岩层(或岩石节理)的
走向﹑倾向﹑倾角，裂隙和破碎发育的详细情况，分析地质结构，为大型工程的地基基础评价提供可靠依据。

由于超声波本身所具有的穿透特性，它能够用于井液浑浊的钻孔中，更显示出相对于井下电视所具有的优越性。

1.3 光学成像
光学成像与超声波成像原理大致相同，只是信号源为可见光，且不能提供走时参数。

与超声波成像一样具有相同的分辨率。

2 高精度钻孔超声波成像的实现
高精度超声波成像测量由3个方面决定的。

2.1 井口滑轮记录探头深度的精度
该系统配备的滑轮，周长500 mm，每转动一周发出1 000个脉冲，决定了其深
度分辨率为0.5 mm。

信号传输电缆为4芯铠装电缆。

在井液温度不高的情况下，其伸缩变化可忽略不计。

2.2 细密的横向扫描间隔
超声波信号由位于探头前端的压电陶瓷产生并向下发射(图1)。

信号源下方是一个
位于探头中轴线上，与中轴线成45°夹角的凹面镜，对信号进行聚焦。

该凹面镜在独立马达的驱动下，以一定的速度绕探头中轴线旋转。

向下发射的超声波信号，传播到凹面镜，聚焦后改变方向，垂直入射井壁。

由井壁反射回来的信号，再经过凹面镜改变方向后，到达接收器，完成一次扫描，形成一个像点。

凹面镜旋转一定的角度，进行第二次扫描。

凹面镜旋转一周，形成一条窄带的井壁图象。

同时，探头在绞车的带动下向上提升，扫描点呈螺旋上升的轨迹，完成对井壁的逐点扫描，形成井壁的完整图像。

该系统在记录反射超声波信号的振幅强度时，还同时记录反射超声波信号的走时。

图1 超声波成像探头内部结构示意
2.3 方位测量的准确度
在探头的中部，安装有定向装置。

它包括3轴磁定向传感器和3轴加速度计。

三
轴磁定向传感器实时记录磁北方向。

凹面镜在独立马达的驱动下顺时针旋转，当超声波扫描到磁北方向时，将该扫描点的信号作为每个360°扫描窄带的起始像点，
将其后的扫描点依次顺序排列成像。

如果输入已知磁偏角，则将真北方向的扫描点作为起始像点。

方位角精度为±2.5。

3轴倾斜加速度计实时记录探头在每个深度
的倾向、倾角。

加速度计精度为±0.25。

加装的2个探头扶正器保证探头在钻孔中稳定居中，使得图像清晰，色彩均匀，易于信息提取。

3 高精度钻孔超声波成像的处理解释技术
3.1 超声波成像处理
超声波成像能够实时显示井壁的图像及井轴的倾向、倾角。

但是要得到钻孔所穿过的岩层(或岩石节理)的倾向、倾角，则必须进行相应的处理。

(1)首先，输入钻孔的直径、井液的声波传输速度、地磁偏角。

如果井口坐标已知，输入高程值。

(2)拾取岩层层理信息：在振幅图像(或走时图像)上用3个以上的特征点构成的正
旋曲线拟合岩层层理。

得到用于拟合的正旋曲线后，程序自动进行计算，得到层理的倾向、倾角。

层理倾角θ的计算公式为:
θ=arctan(Δh / d) + α。

Δh为拟合曲线最高点与最低点的高差，d为钻孔的直径，α为钻孔倾角。

层理倾
向方位角φ的计算公式为：
φ=ω+β。

式中，ω为拟合曲线上最低点所在方位，β为钻孔井轴在该深度的倾向方位角。

(3)岩石层理的深度：以拟合曲线上拐点处的深度为岩层层理的深度。

(4)岩层厚度(或裂隙宽度)：根据振幅图像上岩层、裂隙的特征，在振幅图像上分别
作出上下边界的拟合曲线。

两条曲线构成的两个平面之间的距离为岩层厚度(或裂隙宽度)。

(5)特征分类：岩石层理和岩石裂隙在振幅图像上有明显差异，很容易区分。

对其进行分类，在解释图上进行分类成图。

图2清楚地显示出岩石节理和裂隙。

图2 超声波成像的实测剖面
3.2 超声波成像的解释
根据处理的结果，生成下列图件用于解释。

(1)钻孔井斜图(图3)。

由于超声波成像系统有独立的三轴磁定向传感器和三轴加速度计，故具有测量井斜的功能，而且该测量为连续测量，能提供每个深度上钻孔的倾角、倾向。

所提供的钻孔井斜图件包括井轴在3D空间形态图﹑井轴在水平面的投影图﹑井轴在任意垂直平面内投影图，显示钻孔井轴在3D空间的形态和井轴在水平面上的投影。

图3 钻孔井斜图
(2)井径柱状图与立体图(图4)。

超声波成像系统在测量记录超声波反射信号振幅的同时，还记录超声波反射信号的走时，在井液声速值已知时，可提供在南北和东西2个井轴所在平面内的4个1/2井径值。

该井径具有方位信息。

超声波成像系统由于对井壁进行360°扫描，能够利用超声波反射信号的走时得到井壁四周的立体图像。

与三臂或四臂井径仪相比，能更全面地反应井壁情况。

立体图可以从不同的视角成图，对缩径﹑扩径﹑井壁掉块儿等井壁情况一目了然。

图4 井径柱状图及井径立体图
(3)构造柱状图(图5)。

构造柱状图从左向右包括井壁图像的侧视图、展开图、构造的空间特征(深度、倾向、倾角)、特征分类描述、井轴的倾向、倾角等。

图5 构造柱状图
(4)构造立体图(图6)。

构造立体图是将具有相同特征的地质构造进行统计分类，用
一个单位圆周内(即单位球面内的赤道平面)点的位置来反映一个地质构造倾向、倾角。

圆形表示地质构造的方位：正上方为北(0°)，顺时针方向依次为东(90°)、南(180°)、西(270°)。

径向表示地质构造的倾角：圆中心点为0°(水平)，边界为90°(垂直)。

它能够直观地反应构造的倾向、倾角规律，进而对地层、裂隙进行评价。

作图原理是：一个地质构造(如层理)其过井轴的法线与单位球面有两个交点，分别位于上半球和下半球。

这2个交点可按等面积方法或等角度方法投影到单位球面内的赤道平面；作图所用的单位球面上的交点可以分别取位于上、下半球面上的点。

因此该种图件可组合分类成4种形式。

为等面积、下半球投影的构造立体图。

图6 构造立体图
(5)构造玫瑰图(图7)。

构造玫瑰图是将具有相同特征的地质构造进行统计分类，用饼状图来显示其走向(或倾向)特征。

一般将圆周360°按每10°一格分成36个小扇形。

走向(或倾向)相同(每10°为一单位)的地质构造落在同一扇形内。

径向的长度表示地质构造的出现频度(或数量)。

图7 构造玫瑰图
4 结语
钻孔超声波成像具有高解像度、高精度、井壁原位成像、在浑浊井液中也能得到清晰图像的特点，加之比较完备的统计分析软件，能够提供大量工程基础分析所需的有用信息。

特别适合于确定岩层(或岩石节理)的走向﹑倾向﹑倾角，裂隙和破碎发育情况，分析地质结构，为大型工程的地基基础评价提供可靠依据。

有理由相信该技术将在工程基础勘察中发挥越来越大的作用。

文章中所引用的图片为使用RG钻孔超声波成像系统在广东珠海某地的实测结果。

参考文献：
[1] Panoramic Television Viewing System [P].United States Patent, US3 505
465.。