CN105275451A - 一种钻孔径向三维成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钻孔径向三维成像系统，其包括：探头设备，所述探头设备包括依次连接的径向周向信号发射器、定位定向环向阵列接收探头、收发换能器；其中所述径向周向信号发射器以钻孔为轴心发射声波信号，所述定位定向环向阵列接收探头以钻孔为轴心按照全阵列方式接收钻孔周围的地质反射波信息，所述收发换能器用于提供所述径向周向信号发射器和所述定位定向环向阵列接收探头的收发换能；探头控制设备控制将所述探头设备放入钻孔以及调节定位定向环向阵列接收探头的位置；主机设备接收所述探头设备发送来的钻孔周围的地质反射波信息，并根据所述钻孔周围的地质反射波信息构造三维成像，本发明实现了对钻孔周围的地质情况进行三维成像。

Description

一种钻孔径向三维成像系统

技术领域

本发明涉及工程物探技术领域，更具体的说，本发明涉及一种钻孔径向三维成像系统。

背景技术

工程物探是以地下岩土层(或地质体)的物性差异为基础，通过仪器观测自然或人工物理场的变化，确定地下地质体的空间展布范围(大小、形状、埋深等)并可测定岩土体的物性参数，达到解决地质问题的一种物理勘探方法。

而地质钻孔是进行工程物探最常用的勘探方法之一，围绕钻孔进行的测试、试验和探测方法技术非常多，通过地质钻孔可获得各种有益的信息，但目前如何对钻孔周围的地质情况进行三维成像是业界迫切希望解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种钻孔径向三维成像系统，以对钻孔周围的地质情况进行三维成像。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种钻孔径向三维成像系统，其包括：

探头设备，所述探头设备包括依次连接的径向周向信号发射器、定位定向环向阵列接收探头、收发换能器；

其中，所述径向周向信号发射器以钻孔为轴心发射声波信号，所述定位定向环向阵列接收探头以钻孔为轴心按照全阵列方式接收钻孔周围的地质反射波信息，所述收发换能器用于提供所述径向周向信号发射器和所述定位定向环向阵列接收探头的收发换能；

探头控制设备，用于控制将所述探头设备放入钻孔以及调节定位定向环向阵列接收探头的位置；

主机设备，用于接收所述探头设备发送来的钻孔周围的地质反射波信息，并根据所述钻孔周围的地质反射波信息构造三维成像。

其中，所述径向周向信号发射器与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有陀螺仪。

其中，所述陀螺仪与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有：扶正器。

其中，所述扶正器与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有：三轴电子罗盘。

其中，所述径向周向信号发射器、所述陀螺仪、所述扶正器、所述三轴电子罗盘、所述定位定向环向阵列接收探头以及所述收发换能器通过探头连接管连接为一体。

其中，所述定位定向环向阵列接收探头包括：皮囊、内置传感器、定子和转子。

其中，所述内置传感器上设置有16个接收阵列端子。

其中，所述皮囊内置有进气管。

其中，所述探头控制设备包括三角架和智能变频电动绞车。

其中，所述智能变频电动绞车包括：拉拔电缆、光电深度传感器、变频器、电机、减速变速机、控制器。

本发明具有如下有益技术效果：

根据本发明的一种钻孔径向三维成像系统，其包括：探头设备，所述探头设备包括依次连接的径向周向信号发射器、定位定向环向阵列接收探头、收发换能器；其中，所述径向周向信号发射器以钻孔为轴心发射声波信号，所述定位定向环向阵列接收探头以钻孔为轴心按照全阵列方式接收钻孔周围的地质反射波信息，所述收发换能器用于提供所述径向周向信号发射器和所述定位定向环向阵列接收探头的收发换能；探头控制设备，用于控制将所述探头设备放入钻孔以及调节定位定向环向阵列接收探头的位置；主机设备，用于接收所述探头设备发送来的钻孔周围的地质反射波信息，并根据所述钻孔周围的地质反射波信息构造三维成像，即本发明实现了对钻孔周围的地质情况进行三维成像，且实现了以钻孔为轴心的全方位扫描探测，以及方位和距离的精确定位，不仅上下分辨率一致，成倍地提高了探测精度，并且只需一个钻孔即可探测钻孔半径30米内的地质状况，且无需重复钻孔，工程效益和社会效益巨大。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明一种钻孔径向三维成像系统的一个具体实施例的组成示意图；

图2为根据图1中探头设备的一个具体实施例示意图；

图3为根据图2中定位定向环向阵列接收探头的一个具体实施例示意图。

具体实施方式

参考图1，本实施例一种钻孔径向三维成像系统，其主要包括：

探头设备1、作为探头控制设备的三角架2和智能变频电动绞车3以及主机设备4，本实施例中探头设备1利用声反射雷达径向定位技术，使用单一钻孔对钻孔周围进行三维扫描，从而实现了以钻孔为轴心的全方位扫描探测，结合图2，探头设备1可包括依次连接的径向周向信号发射器11、定位定向环向阵列接收探头12、收发换能器13；

其中，径向周向信号发射器11以钻孔为轴心发射声波信号，具体实现时，径向周向信号发射器11需发射具有固定频率、能量强劲、可高效工作的震源，例如，震源可以采用电火花，以保证分辨率和所要求的探测距离；

另外，本实施例中定位定向环向阵列接收探头12以钻孔为轴心按照全阵列方式接收钻孔周围的地质反射波信息，而收发换能器13用于提供所述径向周向信号发射器11和定位定向环向阵列接收探头12的收发换能；

具体实现时，定位定向环向阵列接收探头12可按照如下的参数设置，即：

探头长度1000mm；

收紧最小直径50mm；

最大变形直径100mm(可在50-100mm直径的钻孔中进行工作)；

最大工作孔深500m；

最大探测半径30m；

目标距离误差5cm。

另外，由于钻孔窄小，上述定位定向环向接收阵列探头12需采用一个微小的声波阵列接收探头，并且这个探头可以灵活转向定位等，为了控制探头的姿势，作为一个优选的实施例，所述径向周向信号发射器11与所述定位定向环向阵列接收探头12之间还可设置有陀螺仪14，可有效控制探头进行转向等姿势的灵活调整，另外，在所述陀螺仪14与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有：扶正器15，该扶正器15可对探头及探头设备其他部分的扶正，另外，本实施例中扶正器15与所述定位定向环向阵列接收探头12之间还设置有：三轴电子罗盘16，该三轴电子罗盘16可记录各扫描点的磁坐标并对图像进行定向，实现了方位和距离的精确定位，可成倍地提高了探测精度，充分利用了钻孔的勘探价值，同时，其也可与陀螺仪14、扶正器15等结合可用于探头调整位置，例如根据三轴电子罗盘测得的方位和距离的精确定位，进而可通过陀螺仪14和扶正器15对探头位置进行调整，从而可实现探头的灵活调整。

需要说明的，作为一个具体实施例，上述的径向周向信号发射器11、陀螺仪14、扶正器15、三轴电子罗盘16、定位定向环向阵列接收探头12以及收发换能器13可通过探头连接管17连接为一体，实际中也可以采用其他方式实现连接，这里不做具体限定。

另外，作为一个具体实施例，结合图2和图3，本实施例的定位定向环向阵列接收探头12可包括：皮囊121、内置传感器122、定子123和转子124，具体实现时，为了便于对皮囊充气，在皮囊121内可设置一个进气管，另外，为了实现信号的更好接收，在内置传感器122上可设置若干接收阵列端子，例如设置16个接收阵列端子，这里不做具体限定。

另外，本实施例中探头控制设备是用于控制将所述探头设备1放入钻孔以及调节定位定向环向阵列接收探头的位置，作为一个可选的实施例，本实施例中采用了三角架2和智能变频电动绞车3，三角架2形成可调整的支撑点，智能变频电动绞车3，以三角架2支撑点将探头设备送到井中，并将定位定向环向阵列接收探头12放入钻孔中，由智能变频电动绞车3控制定位定向环向阵列接收探头12上下自由移动，作为一个可选的实施例，变频电动绞车3可包括：电缆、光电深度传感器、变频器、电机、减速变速机、控制器，其中电缆主要是连接探头设备，实际中，电缆也连接主机设备4，本实施例中通过电缆将探头设备1放入井中或将探头设备1从井中拉出来，另外，探头设备1接收的钻孔周围的地质反射波信号也可通过电缆传送给主机设备4，而光电深入传感器主要是探测探头设备1或者电缆进入井中的深度等，可设置在电缆上，而减速变速机主要是控制电缆的速度，减速变速机可由电机控制，而电机的控制频率则由控制器通过变频器等设备进行调节和控制，这里不再赘述。

本实施例中主机设备4主要用于接收所述探头设备1发送来的钻孔周围的地质反射波信息，并根据所述钻孔周围的地质反射波信息构造三维成像。

具体实现时，主机设备4可通过电缆与探头设备1相连，在进行探测之前，主机设备4对探头设备1进行探测参数的设置和姿态、方位等的调整，在探头设备1返回钻孔周围的地质反射波信息后，主机设备4可通过自身的三维成像软件对地质反射波信息进行处理，构造钻孔周围地质情况的三维成像，也可以将钻孔周围的地质反射波信息发送给专门的三维成像设备进行处理，即本发明的核心在于如何准确的采集钻孔周围的地质反射波信号，而对于采集到的地质反射波信号可通过现有的三维成像处理软件或三维成像处理设备进行处理，因此，这里不对具体的三维成像软件进行赘述。

下面说明本发明的详细工作过程：

工作时，通过智能变频电动绞车3和三脚架2将探头设备1放入钻孔中，由智能变频电动绞车3控制井中探头设备1上下自由移动，主机设备4对井探头设备1进行探测参数设置和姿态、方位的调整，例如，对探头校准、设置数据采集模式、扫描方式、扫描频率等，待设置工作完成后，主机设备即可控制通过进气管向皮囊121中注入空气，在皮囊121膨胀的同时内部传感器122和阵列端子也向外形变、张开直到与钻孔壁紧密耦合，此时，井中探头设备1中径向周向信号发射器11(即作为震源)将固定频率、能量强劲的声波信号发出，定位定向环向阵列接收探头12对带有地下岩石信息的声波进行360度全阵列式接收，接收到的信号通过电缆传送到主机设备4中，由主机设备4对接收到的信号进行管理、分类和储存，最后可通过三维成像处理软件对构造对应钻孔周围地质情况的三维成像。

需要说明的，本实施例中通过定位定向环向阵列接收探头12接收的反射波来进行构造三维成像，由于仪器接收到的波形含有滑行波和直达波成份，因此如何有效地提取出高质量的反射波信号是该技术的关键之一，由于声反射成像探测数据记录按照共发射器道集排列，本实施例主机设备4中可采用针对多个道集提取钻孔周围的地质反射波信号，通过解析不同反射界面情况下不同道集的反射波场特征，可得到合适的钻孔周围的地质反射波信号，从而提高数据处理质量。

在上述所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (10)

1.一种钻孔径向三维成像系统，其特征在于，包括：

探头设备，所述探头设备包括依次连接的径向周向信号发射器、定位定向环向阵列接收探头、收发换能器；

其中，所述径向周向信号发射器以钻孔为轴心发射声波信号，所述定位定向环向阵列接收探头以钻孔为轴心按照全阵列方式接收钻孔周围的地质反射波信息，所述收发换能器用于提供所述径向周向信号发射器和所述定位定向环向阵列接收探头的收发换能；

探头控制设备，用于控制将所述探头设备放入钻孔以及调节定位定向环向阵列接收探头的位置；

主机设备，用于接收所述探头设备发送来的钻孔周围的地质反射波信息，并根据所述钻孔周围的地质反射波信息构造三维成像。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述径向周向信号发射器与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有陀螺仪。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述陀螺仪与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有：扶正器。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述扶正器与所述定位定向环向阵列接收探头之间还设置有：三轴电子罗盘。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述径向周向信号发射器、所述陀螺仪、所述扶正器、所述三轴电子罗盘、所述定位定向环向阵列接收探头以及所述收发换能器通过探头连接管连接为一体。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位定向环向阵列接收探头包括：皮囊、内置传感器、定子和转子。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述内置传感器上设置有16个接收阵列端子。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述皮囊内置有进气管。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述探头控制设备包括三角架和智能变频电动绞车。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述智能变频电动绞车包括：拉拔电缆、光电深度传感器、变频器、电机、减速变速机、控制器。