基于超聲波鉆孔電視的深部巖體結(jié)構(gòu)面特征研究

王錫勇，蘇 銳，陳 亮，田 霄

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

高水平放射性廢物（簡(jiǎn)稱(chēng)高放廢物）的安全處置問(wèn)題正受到公眾的廣泛關(guān)注［1-3］。在高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)的選址過(guò)程中，深部巖體結(jié)構(gòu)面特征是重要考慮因素。傳統(tǒng)手段雖然可以直觀獲得深部巖體結(jié)構(gòu)面的數(shù)量、填充物類(lèi)型等信息，但無(wú)法獲得結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、深度等信息，因此不能全面評(píng)價(jià)深部巖體結(jié)構(gòu)面特征。

超聲波鉆孔電視（ATV）作為一種小口徑地球物理測(cè)井工具，采用了先進(jìn)的聲波束聚焦技術(shù)、數(shù)字記錄技術(shù)和數(shù)字化數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，其測(cè)量精度和測(cè)井速度大幅提高，其優(yōu)點(diǎn)是孔壁巖性特征和構(gòu)造特征通過(guò)超聲波振幅變化以電視圖像形式顯示在地面顯示屏上，可以非常直觀、清楚地“看見(jiàn)”孔壁；其最小探測(cè)距離（以結(jié)構(gòu)面隙寬衡量）為0.1 mm（與測(cè)井速度和數(shù)據(jù)傳輸速度有關(guān)）；適用于充水或泥漿的裸鉆孔；測(cè)量深度可達(dá)5300 m。因此，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、水文和礦產(chǎn)勘探和開(kāi)采設(shè)計(jì)以及工程勘察等領(lǐng)域［4-6］。以甘肅北山芨芨槽花崗巖體的BS15#、BS16#鉆孔為例，基于超聲波鉆孔電視獲得的高精度鉆孔孔壁圖像和巖心結(jié)構(gòu)面編錄結(jié)果，對(duì)深部巖體結(jié)構(gòu)面的特征進(jìn)行研究并分析其存在的問(wèn)題。

1 超聲波鉆孔電視成像原理

超聲波鉆孔電視是利用超聲波對(duì)鉆孔孔壁進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，然后將返回的聲能的強(qiáng)弱變化以光信號(hào)的形式顯示在屏幕上。其工作原理為：壓電陶瓷晶體產(chǎn)生并發(fā)射高頻超聲波束沿探管軸心傳播，被高速旋轉(zhuǎn)的特制凹面反射鏡垂直反射聚焦后，穿過(guò)低密度樹(shù)脂透聲窗和鉆井液到達(dá)孔壁，部分超聲波經(jīng)孔壁反射按原路徑返回，被壓電陶瓷晶體接收（圖1）。壓電陶瓷晶體記錄孔壁反射波的振幅和傳播時(shí)間并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)絞車(chē)電纜傳送到地面主機(jī)。同時(shí)，三軸磁力儀記錄孔壁各掃描點(diǎn)的磁坐標(biāo)并對(duì)孔壁圖像進(jìn)行定向；測(cè)斜儀則記錄孔壁各掃描點(diǎn)的傾斜坐標(biāo)并計(jì)算鉆孔的偏移值以及對(duì)所測(cè)得的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行角度校正，最終形成反映孔壁特征的孔壁二維展開(kāi)圖像。

圖1 超聲波鉆孔電視探頭結(jié)構(gòu)及聲波運(yùn)行路徑示意圖Fig.1 Structure of sonde and principle of ATV

所介紹的超聲波鉆孔電視由MGX-II 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、4WNA-1000絞車(chē)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。探頭型號(hào)為ALT Fac40，可發(fā)射頻率為1.4 MHz、尺寸為3 mm×3 mm的超聲波束，具有很高的分辨率，能分辨隙寬為0.1 mm的結(jié)構(gòu)面；探頭內(nèi)置磁力計(jì)精度為5%；最大測(cè)量深度為1500 m；適用直徑為60～300 mm范圍的鉆孔。

2 研究區(qū)概況

甘肅北山芨芨槽花崗巖體以海西期二長(zhǎng)花崗巖為主體，另外，還有一些細(xì)粒閃長(zhǎng)巖脈、二長(zhǎng)花崗巖脈、英云閃長(zhǎng)巖脈、偉晶巖脈、長(zhǎng)英巖脈、黑云母石英片巖捕擄體等。地表結(jié)構(gòu)面調(diào)查及巖心結(jié)構(gòu)面編錄結(jié)果顯示：巖體發(fā)育大量節(jié)理，結(jié)構(gòu)面充填物以褐鐵礦、綠泥石和方解石為主。

BS15#孔孔深為538.26 m，孔內(nèi)靜止水位約90.0 m左右。由于513 m左右存在破碎帶將鉆孔底部堵塞，鉆孔電視實(shí)際測(cè)量范圍為512.18～91.0 m。

BS16#孔孔深為600.22 m，孔內(nèi)靜止水位約66.7 m左右。鉆孔電視實(shí)際測(cè)量范圍為595.68～66.85 m。

3 數(shù)據(jù)采集及圖像處理

超聲波鉆孔電視的數(shù)據(jù)采集由MSlog軟件自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便易行。數(shù)據(jù)采集模式和頻率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況而定，測(cè)量速度保持在0.6～1.0 m·min-1，以保證采集數(shù)據(jù)的正確率和圖像的精度。

圖像的處理和解譯主要依靠Well CAD軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)：①將超聲波振幅值轉(zhuǎn)換成鉆孔孔壁二維圖像；②利用測(cè)得的磁方位值對(duì)鉆取的巖心定位；③自動(dòng)插值修補(bǔ)部分缺失的數(shù)據(jù)；④將二維孔壁圖像還原成三維孔壁柱狀圖；⑤自動(dòng)計(jì)算結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，繪制結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極點(diǎn)圖；⑥實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面視傾角和真傾角轉(zhuǎn)換；⑦進(jìn)行公式運(yùn)算，生成新的圖柄；⑧實(shí)現(xiàn)多種圖像格式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

圖2 幾種典型的超聲波鉆孔電視實(shí)測(cè)孔壁圖像及其含義Fig.2 Interpretations of typical ATV images

鉆孔孔壁二維圖像是由傳感器從地磁北極開(kāi)始以順時(shí)針?lè)较驅(qū)︺@孔孔壁進(jìn)行掃描所形成的孔壁二維平剖圖。由于不同物質(zhì)對(duì)超聲波的反射能力存在差異，因而孔壁二維圖像的顏色深淺變化反映了超聲波反射信號(hào)的強(qiáng)弱，即反映了巖性和強(qiáng)度的差異性。根據(jù)對(duì)BS15#、BS16#鉆孔圖像解譯結(jié)果與巖心的對(duì)照分析，總結(jié)出幾種常見(jiàn)的典型圖像特征及其代表的含義（圖2）。①完整、光滑的孔壁：圖像色度均勻、明亮；②典型的傾斜結(jié)構(gòu)面：以正弦或余弦曲線(xiàn)的形式出現(xiàn)，圖像色度均勻，顏色較深，與其周?chē)暾妆诘膱D像形成鮮明反差。傾角較小的結(jié)構(gòu)面，表現(xiàn)為一條近水平的直線(xiàn)；大角度甚至近垂直的結(jié)構(gòu)面則表現(xiàn)為兩條近乎平行的垂直線(xiàn)；③結(jié)構(gòu)面密集帶：圖像上表現(xiàn)為密集交錯(cuò)的正、余弦曲線(xiàn)或者較寬的暗色條帶；④孔壁坍塌、掉塊以及破碎帶：圖像顏色很暗；⑤機(jī)械擾動(dòng)導(dǎo)致孔壁破損或噪聲干擾：表現(xiàn)為粗細(xì)不均勻、形態(tài)不規(guī)則的深色曲線(xiàn)。

根據(jù)上述典型鉆孔孔壁圖像及其所對(duì)應(yīng)的含義，對(duì)鉆孔孔壁圖像進(jìn)行解譯，其方法是：在孔壁二維圖像上建立與其同樣大小的新圖層，將孔壁二維圖像上的正弦/余弦曲線(xiàn)精確描繪在新圖層上，形成一張結(jié)構(gòu)面隨鉆孔深度分布的圖像。Well CAD軟件可自動(dòng)計(jì)算每個(gè)結(jié)構(gòu)面的深度、傾向和傾角值，這些數(shù)值可以數(shù)字的方式輸出，或者以“蝌蚪”符表示，其中“蝌蚪”所在的區(qū)間代表結(jié)構(gòu)面傾角，“蝌蚪尾巴”的指向代表結(jié)構(gòu)面傾向，與傾向垂直的方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面走向（圖3）。

圖3 結(jié)構(gòu)面隨深度分布的超聲波電視圖像Fig.3 ATV image of structural planes distribution with depth

表1 鉆孔結(jié)構(gòu)面及結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶統(tǒng)計(jì)表Table 1 Amount of fractures and intensive fractured zones in borehole

需要說(shuō)明的是：在結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶等孔段，孔壁二維圖像上無(wú)法有效逐一辨別結(jié)構(gòu)面（圖2D、E）。前人在處理類(lèi)似圖像時(shí)，采用的方法是盡可能多地繪制結(jié)構(gòu)面，但極易造成結(jié)構(gòu)面數(shù)量增加以及產(chǎn)狀錯(cuò)誤等后果，與實(shí)際情況嚴(yán)重不符，影響分析結(jié)果?？紤]到結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶是影響深部巖體工程質(zhì)量評(píng)價(jià)、巖體滲透性以及三維地質(zhì)建模的重要因素，將結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶作為獨(dú)立片段劃分并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。在將圖像解譯的結(jié)構(gòu)面數(shù)量和巖心編錄的結(jié)構(gòu)面數(shù)量進(jìn)行對(duì)比時(shí)，必須先去掉這部分巖心段，以保證對(duì)比結(jié)果的精確性。

4 結(jié)構(gòu)面特征分析

4.1 結(jié)構(gòu)面數(shù)量及密度分析

根據(jù)孔壁二維圖像的解譯結(jié)果，獲得BS15#、BS16#孔深部巖體結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的數(shù)量及分布范圍（表1）。由表1可見(jiàn)，BS15#孔的結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的數(shù)量相對(duì)BS16#孔較大，尤其是結(jié)構(gòu)面密集帶/破碎帶的分布范圍很廣，說(shuō)明其巖體完整性要差一些。

以雙栓塞鉆孔水文試驗(yàn)段為間距統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)面密度（圖4），結(jié)果顯示：超聲波鉆孔電視解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度與巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度基本一致，總體表現(xiàn)為巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度大于圖像解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度。分析原因主要有：①深部巖體的一些結(jié)構(gòu)面呈閉合狀態(tài)，鉆探取心后結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，而在鉆孔內(nèi)結(jié)構(gòu)面未受到擾動(dòng)，超聲波鉆孔電視不能有效識(shí)別這些閉合結(jié)構(gòu)面，這種現(xiàn)象在兩個(gè)鉆孔中表現(xiàn)都很明顯；②一些脈體與圍巖的膠結(jié)程度較差，其接觸面較為薄弱，經(jīng)過(guò)鉆探或者搬運(yùn)等機(jī)械擾動(dòng)沿接觸面破裂形成新的結(jié)構(gòu)面；③巖體本身的薄弱結(jié)構(gòu)面，如片狀結(jié)構(gòu)，很容易破裂形成新的結(jié)構(gòu)面，BS16#孔下部的片麻巖中比較明顯。

圖4 超聲波鉆孔電視圖像解譯與巖心編錄的結(jié)構(gòu)面密度對(duì)比Fig.4 Comparison of density of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

對(duì)于個(gè)別試驗(yàn)段超聲波鉆孔電視解譯獲得的結(jié)構(gòu)面密度大于巖心編錄獲得的結(jié)構(gòu)面密度的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：這些試驗(yàn)段基本位于結(jié)構(gòu)面密集帶或破碎帶附近。由于鉆探開(kāi)挖使巖體應(yīng)力發(fā)生改變，結(jié)構(gòu)面密集帶或破碎帶附近的巖石會(huì)隨之發(fā)生破裂形成新的結(jié)構(gòu)面，從而使結(jié)構(gòu)面密度變大。

4.2 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分析

以10°傾角為間距分別統(tǒng)計(jì)超聲波鉆孔電視圖像解譯和巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角分布（圖5），結(jié)果顯示：兩種方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。結(jié)構(gòu)面以40°～70°的陡傾角為主。需要說(shuō)明的是：①圖像解譯獲得的是結(jié)構(gòu)面的真傾角，其精確度遠(yuǎn)大于巖心編錄測(cè)量的結(jié)構(gòu)面角度。尤其是傾斜鉆孔或者鉆孔偏移量很大時(shí)，巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角只代表結(jié)構(gòu)面的視傾角；②對(duì)于近乎垂直或者斷面不平整的結(jié)構(gòu)面而言，圖像解譯的結(jié)構(gòu)面傾角其精確度會(huì)降低。因此，超聲波鉆孔電視測(cè)量系統(tǒng)對(duì)緩傾角結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。

圖5 超聲波鉆孔電視圖像解譯與巖心編錄的結(jié)構(gòu)面傾角對(duì)比Fig.5 Comparison of dip angle of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

4.3 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面組分析

結(jié)構(gòu)面的特征可以有效反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)，但是地表結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果具有局限性，只代表淺部巖體的結(jié)構(gòu)面特征，因此需要結(jié)合深部巖體的結(jié)構(gòu)面特征綜合分析。綜合現(xiàn)今區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)和結(jié)構(gòu)面的特征，可以分析判斷區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)面的影響，為后續(xù)巖體穩(wěn)定性分析和工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)等工作提供參考依據(jù)。

根據(jù)超聲波鉆孔電視圖像解譯結(jié)果繪制的結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極密點(diǎn)圖（圖6）顯示：BS15#鉆孔內(nèi)的優(yōu)勢(shì)走向結(jié)構(gòu)面主要有NW290°～310°和 NE20°～30°兩組，結(jié)構(gòu)面主要傾向?yàn)镹E和NW向；BS16#鉆孔內(nèi)的優(yōu)勢(shì)走向結(jié)構(gòu)面主要有NW270°～300°一組，其他方向的結(jié)構(gòu)面組并不明顯，傾向則主要為近EW和NW向兩組。

4.4 結(jié)構(gòu)面隙寬統(tǒng)計(jì)

結(jié)構(gòu)面隙寬是結(jié)構(gòu)面的重要特征之一。傳統(tǒng)方法可以通過(guò)巖心直接測(cè)量結(jié)構(gòu)面隙寬，但工作量巨大且精度較低。超聲波鉆孔電視可以有效解決這些問(wèn)題，其測(cè)量方法是：將超聲波鉆孔電視孔壁二維圖像放大到最大比例尺，將結(jié)構(gòu)面的頂?shù)走厹?zhǔn)確描繪下來(lái)并將其所對(duì)應(yīng)的深度值相減，即可得到結(jié)構(gòu)面的視隙寬（圖7中AC），利用結(jié)構(gòu)面的傾角θ即可計(jì)算結(jié)構(gòu)面的真隙寬，即，隙寬AB＝AC·cosθ。

圖6 結(jié)構(gòu)面走向玫瑰花圖和傾向極密點(diǎn)圖（吳氏網(wǎng)下半球投影）Fig.6 Rose diagram and polar projection of fractures （Wulf net，lower hemisphere projection）

圖7 結(jié)構(gòu)面隙寬測(cè)量原理圖Fig.7 Measurement principle of structural plane aperture

根據(jù)這一原理，統(tǒng)計(jì)了BS15#、BS16#孔的結(jié)構(gòu)面隙寬（圖8）。由圖8可知：BS15#、BS16#孔的結(jié)構(gòu)面隙寬主要集中在1～4 mm范圍內(nèi)；BS15#孔大于5 mm的結(jié)構(gòu)面數(shù)量較多，而B(niǎo)S16#孔則相對(duì)很少。另外，超聲波鉆孔電視統(tǒng)計(jì)的結(jié)構(gòu)面隙寬要比巖心實(shí)際的結(jié)構(gòu)面隙寬大很多，其原因主要有：①這里的“結(jié)構(gòu)面”嚴(yán)格應(yīng)稱(chēng)為超聲波鉆孔電視解譯“結(jié)構(gòu)面”，區(qū)別于地質(zhì)學(xué)中的“結(jié)構(gòu)面”的概念，其意義更加寬泛，包括節(jié)理、巖性界面等，相對(duì)應(yīng)的“結(jié)構(gòu)面隙寬”也出現(xiàn)不同的數(shù)量級(jí)，這就不難理解統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)幾十毫米隙寬的現(xiàn)象；②正如前面所述及的隙寬計(jì)算方法，在進(jìn)行描繪隙寬時(shí)，通常將圖像放大到最大比例尺，這無(wú)疑會(huì)擴(kuò)大結(jié)構(gòu)面隙寬；③受到機(jī)械擾動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)面上的充填物丟失后，沿結(jié)構(gòu)面兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)小的破碎，尤其是在靠近孔壁內(nèi)的一側(cè)，這種現(xiàn)象會(huì)比較普遍，且破碎程度也嚴(yán)重一些，從而會(huì)造成隙寬擴(kuò)大，這種現(xiàn)象在BS15#孔和BS16#孔的400 m左右的軟弱層比較普遍；④一些規(guī)模較大的近垂直結(jié)構(gòu)面，其結(jié)構(gòu)面與鉆孔相交角度很小，這類(lèi)結(jié)構(gòu)面很容易被機(jī)械擾動(dòng)。在實(shí)踐中也證實(shí)，規(guī)模較大的近垂直結(jié)構(gòu)面，鉆孔電視測(cè)得的隙寬遠(yuǎn)大于實(shí)際巖心測(cè)得的隙寬，而傾角較小的結(jié)構(gòu)面這種情況相對(duì)不明顯。

圖8 BS15#、BS16#結(jié)構(gòu)面隙寬分布圖Fig.8 Variation frequency histogram of fracture aperture in BS15#，BS16#

5 結(jié)論與討論

通過(guò)在甘肅北山BS15#、BS16#孔中的實(shí)踐應(yīng)用表明：超聲波鉆孔電視可以提供大量的深部巖體結(jié)構(gòu)面特征的定量數(shù)據(jù)，如結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布和隙寬等。利用這些數(shù)據(jù)可對(duì)鉆孔所揭露巖體的完整性、巖體區(qū)域穩(wěn)定性分析、巖體質(zhì)量分級(jí)和處置庫(kù)開(kāi)挖設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行初步定量化分析。超聲波鉆孔電視可以有效地彌補(bǔ)鉆探巖心的部分地質(zhì)信息缺失，其結(jié)果更接近于客觀目標(biāo)的特征。

作為一種地球物理方法，超聲波鉆孔電視及解譯結(jié)果具有不確定性和多解性，主要存在的問(wèn)題有：

（1）超聲波可在清水、濃度不大的泥漿以及飽和鹽水中正常工作，但在干孔或金屬套管內(nèi)無(wú)法工作，其使用范圍具有一定限制。

（2）超聲波鉆孔電視可以有效分辨反射率差異較大的兩種介質(zhì)的接觸面，但對(duì)于閉合結(jié)構(gòu)面、反射率相近的脈體與圍巖以及巖性界面則無(wú)法識(shí)別，因此超聲波鉆孔電視圖像解譯的結(jié)構(gòu)面數(shù)量要比巖心編錄的結(jié)構(gòu)面數(shù)量少。

（3）圖像解譯具有多解性，尤其在結(jié)構(gòu)面密集帶或受機(jī)械擾動(dòng)的區(qū)域?？梢岳脦r心進(jìn)行對(duì)比分析去除錯(cuò)誤的解譯結(jié)果。

（4）超聲波鉆孔電視測(cè)量的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀和斷裂帶的分布范圍只是結(jié)構(gòu)面或斷裂帶在鉆孔范圍內(nèi)的特征參數(shù)，并不代表整條結(jié)構(gòu)面或斷裂帶的特點(diǎn)。對(duì)于規(guī)模較大的結(jié)構(gòu)面和斷裂帶，超聲波鉆孔電視無(wú)法獲得其在橫向范圍內(nèi)的延展長(zhǎng)度和寬度。

超聲波鉆孔電視在地學(xué)和其他工程領(lǐng)域研究中取得了良好效果，結(jié)合巖心編錄和其他相關(guān)資料，使巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)研究真正實(shí)現(xiàn)了由地表到地下，由定性到定量的過(guò)程，也為地球物理勘探工作提供了可靠的數(shù)據(jù)資料。

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