譚顯江，張建清，劉方文，付小明，況碧波

(長江工程地球物理勘測武漢有限公司，武漢 430014)

1 研究背景

鉆孔在工程勘察中是不可或缺的手段，但不同巖性的巖石、裂隙、破碎帶、各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水溫的變化、水壓等，造成鉆孔內(nèi)部存在極其復(fù)雜的環(huán)境［1－2］。在現(xiàn)代工程勘察中如何像現(xiàn)代醫(yī)學(xué)胃鏡技術(shù)一樣對鉆孔內(nèi)部進行探查，一直是工程界關(guān)注的課題。

在鉆孔鉆進的過程中，像溶蝕裂隙發(fā)育地帶、巖石破碎地帶、巖石軟弱帶等，鉆孔取芯率不足，工程地質(zhì)人員得不到這些部位的足夠信息，而這些部位又往往是最關(guān)健的部位。在這種背景下，鉆孔電視應(yīng)運而生。鉆孔電視能夠獲得鉆孔孔壁連續(xù)、完整、原狀的圖像［3－4］。但以往的鉆孔電視設(shè)備清晰度、保真度不夠，特別是在對地質(zhì)工程人員重點關(guān)注的巖層結(jié)構(gòu)面、溶蝕溶洞區(qū)、裂隙充填物等的特征信息的提取還不夠清晰準確。如何克服這些障礙，一直是一個困擾工程地質(zhì)人員的難題。

高清數(shù)字鉆孔電視的出現(xiàn)不僅成功解決了在工程勘察中碰到的難題，而且為實現(xiàn)建立“數(shù)字化電子巖芯庫”這一在工程勘察領(lǐng)域具有里程碑意義的目標打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前實物巖芯一直是鉆孔取樣數(shù)據(jù)的重要保存方式，它是地下巖層的直接反映，具有直觀、準確等優(yōu)點。但是，實物巖芯在取樣、編錄、運輸、入庫、保存、查詢等各個方面都存在很多的問題和不便。巖芯在取樣過程中，遇到地質(zhì)條件差的區(qū)域，如溶洞、斷層、巖層破碎嚴重的情況，鉆孔就無法完整地取出所要的巖芯，而且即使取出，也因巖芯的破碎而無法記錄、分析，在運輸、入庫、保存過程中也會因此而損壞嚴重。比如，三峽等工程保存的大量巖芯現(xiàn)已損毀、廢棄，產(chǎn)生了極大的浪費，而且失去了很寶貴的資料。

高清數(shù)字鉆孔電視采集的是連續(xù)、完整、原狀、高清晰的鉆孔圖像。通過將鉆孔電視采集的巖芯展開圖，按照鉆孔的孔徑，鉆孔的深度重新建模后，可以構(gòu)建出鉆孔電子巖芯。因此，利用鉆孔電視來獲取的電子巖芯，不僅不會丟失鉆孔巖芯所攜帶的地質(zhì)信息，還有很多實物巖芯不具備的下列優(yōu)勢:

(1)電子巖芯可以連續(xù)、完整、原狀地反映出鉆孔無法取出的破碎部位的巖芯信息。它不存在機械破壞的現(xiàn)象，是一個完整的鉆孔巖芯。

(2)電子巖芯是基于鉆孔電視的技術(shù)而建立的，具有鉆孔電視所具備的各種功能。它可以用來分析鉆孔中裂隙的產(chǎn)狀、巖層結(jié)構(gòu)面、溶蝕溶洞區(qū)的填充特性等。這些都會為地質(zhì)成果的判斷分析提供了強有力的證據(jù)，而且極大地提高了地質(zhì)工作人員的工作效率。

(3)電子巖芯可以按1∶1的真實比例輸出打印，可以形成高清晰、高保真度的紙質(zhì)實物巖芯，便于在任何場合攜帶、展示，這也是高清數(shù)字鉆孔電視優(yōu)于其他鉆孔電視設(shè)備的一個特點。

(4)電子巖芯的數(shù)據(jù)保存采用的是數(shù)字化的設(shè)備，像光盤、硬盤等，因此，電子巖芯不會隨著時間的推移發(fā)生風(fēng)化而丟失原始信息，可以永久保存。也無須考慮存放電子巖芯的倉庫大小和位置。電子巖芯的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)可以備份，不會丟失，而且便于查詢。

2 技術(shù)原理

鉆孔數(shù)字成像系統(tǒng)的基本原理是在井下設(shè)備中采用了一種特殊的反射棱鏡成像的CCD光學(xué)耦合器件將鉆孔孔壁圖像以360°全方位連續(xù)顯現(xiàn)出來，利用計算機來控制圖像的采集和圖像的處理，實現(xiàn)模－數(shù)之間的轉(zhuǎn)換［5－7］。圖像處理系統(tǒng)自動地對孔壁圖像進行采集、展開、拼接、記錄并保存在計算機硬盤上，再以二維或三維的形式展示出來。亦即把從錐面反射鏡拍攝下來的環(huán)狀圖像轉(zhuǎn)換為孔壁展開圖或柱狀圖(見圖1)。

圖1 孔壁圖像變換示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole-wall image transformation

高清數(shù)字鉆孔電視系統(tǒng)，最適合用于鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)分析，分辨率可定制，垂直方向分辨率為0.01 mm，方位角分辨率為5 000 pix/360°。精準的定位裝置是由一個二軸磁力計和加速度計組成的，這樣沿鉆孔方向地質(zhì)體的微小變化也能被該套系統(tǒng)識別出來。而連續(xù)的孔壁數(shù)字圖像再經(jīng)觀看并對照巖芯鑒定成果，即可確切查明孔內(nèi)結(jié)構(gòu)面位置、產(chǎn)狀、張開程度，充填物性狀或構(gòu)造巖體特征及巖性等全方位的信息［8－9］。

高清數(shù)字鉆孔電視系統(tǒng)由井上和井下2個部分組成(見圖2)。井上部分主要由計算機、控制器、絞車、腳架、井口滑輪、深度傳感器等硬件組成;井下部分為探管總成裝置，包括電視攝像機、光源、反射棱鏡、透光罩、三軸磁力計和加速度計以及調(diào)焦裝置等組成。井上和井下2個部分經(jīng)傳輸電纜連接后進行通信。

計算機圖像處理系統(tǒng)通過RS－232接口連接控制器采集電纜傳輸送上來的孔壁圖像信息，并對信息進行處理，自動識別、展開和拼接，通過顯示器顯示孔壁展開圖像和柱狀圖并記錄在計算機硬盤里。計算機圖像處理系統(tǒng)還可以對已存入的圖像信息進行編輯解釋處理，還可通過刻錄機把鉆孔圖像信息刻錄在光盤上，打印機將圖像打印成圖。

圖2 高清數(shù)字鉆孔電視系統(tǒng)組成及工作原理框圖Fig.2 High-resolution digital borehole TV system and its working principle

3 關(guān)鍵技術(shù)問題的研究

高清數(shù)字鉆孔電視的圖像清晰度高、圖像顏色還原度逼真，深度和產(chǎn)狀(傾向與傾角)信息精確。圖像的分辨率達到5 000 pix/360°，深度的分辨率0.01 mm，方位 ±0.01°(實際測量時由于孔徑的變化誤差在±5°)，時間定時器(協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)工作的系統(tǒng))達到 1 μs。

在研發(fā)過程中主要技術(shù)問題有:采集圖像的拼接效果、圖像的質(zhì)量深度與方位的信息是否準確一致。主要從儀器的3個方面即電子部分、光學(xué)部分和攝像頭部分進行研究并逐一解決。

3.1 電子部分

電子部分即是時間定時器，它的作用是解決深度、方位和圖像3個獨立系統(tǒng)的統(tǒng)一，它是協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)一致的關(guān)鍵，所以第一步需要解決時間定時器問題。

假如測孔時在時間T位置，這時圖像和方位還有深度肯定也是T位置的信息，但是這些數(shù)據(jù)需要處理和傳輸，這就導(dǎo)致了它們到達“合成圖像系統(tǒng)”的延時，并且它們的延時是肯定不相同的。如果直接合成圖像是肯定不對的，這時需要圖像拼接更好、采集速度更快，解決的方法是使它們到達“合成圖像系統(tǒng)”的時間完全一致，即全部延時T+x時間。那么就需要一個可以接受的誤差時間，以前的鉆孔電視系統(tǒng)采用的誤差時間基本為毫秒級的計時，而現(xiàn)在采用了微秒級的計時。假如圖像延時了0.3 s，而深度和方位信息分別延時了0.2 s和0.1 s，若直接合成的圖像就不正確了。需要將深度和方位延時都等到0.3 s才到達“合成圖像系統(tǒng)”，準確的說是300，000 ±1 μs到達(如圖3)。

圖3 深度滯后或超前與時間一致的觀測對比圖Fig.3 Comparison of images in delay，in advance，or in consistence with time

3.2 光學(xué)部分

光學(xué)部分是指有了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一還不行，數(shù)據(jù)統(tǒng)一只能說明圖像的數(shù)據(jù)是正確的，是可以使用的，我們還需要圖像質(zhì)量，要解決圖像質(zhì)量首先要解決的是光照。

(1)在水下，如果采用熱光源，水遇熱很容易起霧，從而造成圖像瑕疵，并且熱光源對于電的要求比較高，能耗和電壓都比較大，這樣對整個系統(tǒng)的要求較高，故障也會較多。因此，我們首選冷光源。

(2)冷光源LED的亮度一般都比較小，那么要達到足夠的亮度，就需要多個LED組合，而LED組合是有空隙的，這樣就可能造成孔壁各個點位置的光線有亮有暗，對成像效果有明顯影響。經(jīng)過長期的試驗發(fā)現(xiàn)，LED距離孔壁的位置越遠，光線越均勻。然而在鉆孔直徑確定的情況下，LED到孔壁的位置也就定了，最后經(jīng)過多次的試驗我們采用了玻璃鍍膜的方法，使LED燈經(jīng)過一次玻璃罩內(nèi)的反射后到達孔壁，這樣就等于延長了光線一倍的距離，光線也就更加均勻了(如圖4)。

3.3 攝像頭部分

攝像頭部分主要是體現(xiàn)圖像的清晰度、顏色還原性和圖像的采集速度。攝像頭的放大倍數(shù)越高那么圖像的清晰度就越高，若現(xiàn)在的清晰度可以達到5 000 pix/C(C為圓周周長)，假如孔徑56 mm，那么圖像的分辨率可以達到0.035 mm/pix，而這樣的精度對于測孔可完全滿足。攝像頭的顏色分辨率越好，那么圖像的顏色真實性就越好，所以選擇加入了人－機互動調(diào)色功能的高分辨率攝像頭，使得顏色可以更加接近鉆孔真色彩。在采集速度上，攝像頭的幀數(shù)越高，那么每秒獲得的圖片就越多，然而幀數(shù)一般固定為25幀/s和30幀/s兩種，我們使用了定制的60幀/s，使得采集效率有了明顯的提升。

圖4 觀測對比圖Fig.4 Comparison of images with uneven light and uniform light

3.4 電磁場影響

在鉆孔周圍存在強烈的電磁場會影響系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)采集工作。尤其是在鋼套管的周圍采集的圖像有明顯變形，使得觀測圖像出現(xiàn)扭曲變形，影響圖像的識別。高清鉆孔電視系統(tǒng)通過研發(fā)了一套電子羅盤控制系統(tǒng)，成功消除了電磁場對圖像扭曲的影響(如圖5)。

圖5 消除電磁異常對圖像影響對比圖Fig.5 Distorted image with electromagnetic anomaly and normal image with electromagnetic anomaly eliminated

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某水電站壩址區(qū)地層主要為薄層至中厚層灰?guī)r，變質(zhì)的大理巖。壩址巖體呈直立層狀，一般厚度不大，在紅溝、白溝等斷層一帶，巖體存在構(gòu)造破壞帶。巖層走向近東西向，向南陡傾。斷層、裂隙總體不發(fā)育，但上游F14斷層、左岸F15斷層、右岸f42斷層規(guī)模相對較大。巖溶總體不發(fā)育，右岸規(guī)模較大的K25巖溶斜井主要表現(xiàn)為裂隙性溶蝕。

4.2 高清數(shù)字鉆孔電視與普通鉆孔電視對比分析及典型圖例

圖6為普通鉆孔電視和高清數(shù)字鉆孔電視測試圖。從高清數(shù)字鉆孔電視測試圖中可以清晰地看出裂隙發(fā)育的產(chǎn)狀和裂隙邊界，且觀測圖圖像光線均勻，保真度高，圖6(b)中70.8～70.9 m之間的裂隙被方解石充填及細小紋理均清晰可見。從而充分驗證了高清數(shù)字鉆孔電視的高精度、高分辨率及高保真度的特點。

圖6 鉆孔電視測試Fig.6 Images of ordinary borehole TV test and high-definition borehole TV test

圖7 高清鉆孔電視在巖體破碎帶及水上孔砂卵石層中測試的典型實例Fig.7 Typical images of crushed rock and sand gravel layer through high-definition borehole TV

圖7為高清鉆孔電視在巖體破碎帶及水上孔砂卵石層中測試的典型實例。巖體內(nèi)裂隙較發(fā)育，在鉆孔取芯過程中，巖芯沿隱節(jié)理面破壞，無法獲鉆孔原狀信息;水上孔砂卵石層固結(jié)不好，未成巖，取芯完全破壞，無法得到壩址覆蓋層的地質(zhì)信息。而高清數(shù)字鉆孔電視能對孔壁進行連續(xù)、原狀觀測，可清晰地觀測到巖層構(gòu)造及水上覆蓋層圖像信息，不會因為取芯不完整而造成地層信息缺失，并可以大幅度地提高勘探精度和效率。

5 結(jié)論

(1)利用高清數(shù)字鉆孔電視可以很好地克服普通鉆孔電視在采集圖像的拼接效果、圖像的質(zhì)量深度與方位的信息等方面所帶來的誤差，從而清晰精確地揭示鉆孔中地層巖性、巖體破碎帶、巖層結(jié)構(gòu)面等地質(zhì)信息，這些結(jié)果對巖體完整性評價具有重要價值。

(2)在水電站壩址勘探中，調(diào)查巖體的斷裂結(jié)構(gòu)與節(jié)理裂隙分布特征是鉆孔地質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容之一。雖然通過巖芯編錄也能定性評價巖體的斷裂構(gòu)造和節(jié)理裂隙分布特征，但對于巖芯破碎的鉆孔，由于高清數(shù)字鉆孔電視能對孔壁進行原狀、連續(xù)觀測，因此不會因為取芯不完整，而造成地層缺失，并可以大幅度地提高勘探精度和效率。

(3)通過應(yīng)用實例證明，高清數(shù)字鉆孔電視很好地解決了工程勘察中的難題，并為建立“數(shù)字化電子巖芯庫”奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

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