CN108885167A - 用于分析岩心样品的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于收集并处理关于具有三维形状和外观的岩心样品的物理特征的数据的系统。该系统包括：用于测量并收集岩心样品的外表面的至少某一部分的数据的非接触式分析设备；用于存储该分析设备所收集的数据的第一数据存储装置；处理单元，该处理单元对存储在该第一数据存储装置中的数据应用一个或多个数据评估算法以提取关于岩心(1)的物理特征的数据作为输出；以及用于存储该处理单元的所产生的输出的第二数据存储装置。该系统还涉及一种用于测量并收集关于岩心样品的三维形状和外观的数据的方法，该数据是比如平面不连续性，包括岩心样品上的取向标记。

Description

用于分析岩心样品的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种用于收集并处理关于岩心样品、例如在勘探自然资源期间提取的岩心样品的三维形状和外观的数据的系统，该数据包括与那些岩心的特有物理特征、例如平面不连续性有关的此类数据，该系统包括用于容纳至少一个岩心样品的载体。本发明还涉及一种用于测量、收集并处理关于岩心样品、例如在勘探自然资源期间提取的岩心样品的三维形状和外观的数据的方法，该数据包括那些岩心的特有物理特征，比如平面不连续性，并且还包括岩心样品表面上的取向标记，该方法包括对该数据进行空间分析以便例如计算不连续性相对于岩心样品轴线和取向线的取向。
背景技术
上述类型的勘探一直是按以下方式进行的：在通过公知方法发现具有所指示沉积物的位置之后，进行勘探钻井以便为随后决定对进一步采矿作业进行充分投资提供更好的基础。在勘探钻井期间，提取岩心，然后进行详细分析。
当在现场从钻孔中提取岩心时，通常将岩心分成典型长度约1米的样品，然后将几个岩心一起存放在专用托盘中。每个托盘中的样品数量通常为4-6个，并且它们通常被分开在单独的隔室中、并且被标记有在钻孔中的原始取向和提取顺序。
在岩心中，有多个岩心包含那些岩心的不连续性和其他物理特征、例如矿物组构，并且获得关于这些不连续性相对于岩心轴线的位置和角度以及岩心在钻孔中的原始位置的数据具有重要价值，因为岩心中的不连续性表示了被钻探的基岩中的不连续性。
在寻找不连续性时，通过目视检查来表征样品。天然的平面不连续性可以被测量为α和β角，这些角是相对于在从例如基岩中的钻孔中提取岩心时所应用的岩心样品上的取向线、以及岩心样品的纵向轴线而言的。显然还重要的是，始终记录相对于钻孔和岩心样品深度的不连续性。
用于测量不连续性的一种手段是使用测角仪，该测角仪基本上是透明材料的短管，该管在其外表面区域周围包括带标记的角度线和度数标度。管内部定位有要分析的岩心，并且通过将其沿着岩心移动，可以通过比较所讨论的不连续性的角度与管上的标记来测量并记录不连续性。一种这样的管以商标EZY LOGGER进行销售。由于使用EZY LOGGER进行的测量是通过目视检查和手动记录进行的，因此几乎不可能对测量进行质量控制和重现。
另一种分析方式是使用在专利申请US 2009/0080705中描述的设备和方法，其中将2D照片与岩心容纳盒结合使用，该岩心容纳盒具有用于校准2D照片的经校准壁。该方法使用了影响评估的简化和假设。
上述途径的常见问题是其是手动过程，可能会产生大量的虚假数据。
发明内容及其优点
用于改善上述用于分析岩心结构的相关过程的当前呈现的系统的实施例包括以下内容：
a.用于测量并收集关于岩心样品(1)的外表面的至少某一部分的三维形状和外观的数据的非接触式分析设备(5)，其中，岩心具有参考线(15)，该参考线指示了岩心在钻孔中处于其初始地点时具有的“旋转”位置，
b.用于将该分析设备收集的数据作为3D表示而存储的第一数据存储装置(21)，
c.处理单元，该处理单元对该第一数据存储装置(21)中存储的数据应用一个或多个数据评估算法，以参照该岩心的参考线(15)和纵向轴线(16)来提取关于岩心(1)的包括该参考线在内的物理特征的数据作为输出，以及
d.用于存储该处理单元所产生的输出的第二数据存储装置。
利用当前系统，可以自动地或半自动地从单独岩心获得结构数据，同时与现有技术相比，还改善了所得数据的准确性。
在该系统的实施例中，该非接触式分析设备包括基于光的3D传感器或激光3D传感器。这种类型的传感器容易地适于生成3D表示，例如点云，点云可以是进行所想要的分析的基础，因此所收集的数据可以作为每个岩心的点云存储在第一数据存储装置中。一个选项是基于点云还生成并存储三维多边形网格，以便能够生成更像图片的视觉表示。激光系统可以是线性系统类型。
本发明的系统的实施例包括用于产生岩心的图像的装置、以及用于将该图像覆盖到3D点云上的装置。这将是对视觉表示的观看者而言信息量非常大的组合表示。图像或图形表示可以是照片或数字图片。
在进一步的实施例中，该系统包括用于呈现该系统所生成的数据的可视化装置。将这用作信息源，操作者可以操作系统、并且例如选择并供给参数以进入系统及其处理器中。
在该系统的另一个实施例中，其中，该系统包括用于分析岩心样品中的像矿物质等元素的成分分析单元，并且其中，该成分分析单元可移动地布置在距离控制装置上并且依赖于该距离控制装置，该距离控制装置用于控制该成分分析单元与要分析的岩心之间的距离，来自该处理单元的信息用于计算输入到该距离控制装置的距离。接着，成分分析设备可以适当地属于X射线类型。这节省了部件，因为在这种情况下距离控制装置自身不需要距离传感器。成分分析单元可以适当地属于X射线类型。
根据本发明的方法包括以下步骤：
a.使用非接触式分析设备来测量并收集关于岩心样品的外表面的至少某一部分的三维形状和外观的数据，其中，岩心具有参考线(15)，该参考线指示了岩心在钻孔中处于其初始地点时所具有的“旋转”位置
b.将所收集的数据作为3D表示存储在第一数据存储装置中，
c.选择数学算法的输入参数，所述算法能够根据所收集并存储的数据结合输入参数来产生该岩心样品中的给定物理特征的计算，
d.通过在数据处理单元中处理存储在该第一数据存储装置中的所收集的数据以及所选定的参数来执行对岩心样品的物理特征的三维分析，同时参照该岩心的该参考线(15)和纵向轴线(16)将该分析与该特征在该岩心样品中的空间位置相关，并且存储该三维分析的结果。
该方法有利地使用像基于光的3D传感器的非接触式分析设备，该分析设备的输出用于生成点云作为分析的基础。所收集的数据作为表示单独岩心的点云被存储在第一数据存储装置中。
进一步地，点云有利地用作产生在该3D表示中所包含的3D多边形网格的基础。一个选项是产生每个岩心的图像并且将该图像覆盖在相应的岩心3D点云上以形成组合的可视化表示。
该系统可以手动地和自动地操作，自动地操作在处理单元的完全控制下、由适当的软件实现。
附图说明
下面将结合附图中所示的实施例来进一步描述和说明本发明，在附图中
图1示意性地示出了系统设施，该系统设施具有用于使岩心处于用3D扫描仪扫描的位置上的载体，
图2示出了包含岩心样品中的不连续性的投影的3D点云，
图3示意性地示出了3D行扫描激光器设备正在扫描岩心样品，
图4示意性地示出了岩心的3D表示的一部分，其中标识了不连续性，并且
图5示出了展示根据本公开内容的方法的框图。
附图与优先权申请SE 1630051-9的附图相同。
具体实施方式
图1示意性地示出了对从基岩等取得的岩心进行三维扫描的设施。该设施中所示的不同部件被布置在支撑格架或框架(未示出)中。
所公开的实施例被设计成包括激光定距与测距布置。因此，扫描单元5被布置在托盘3上方(如图中所见，但未详细示出)，该托盘进而放在载体2上。托盘3被设计成能够在隔室8中容置多达6个岩心(未示出)。扫描单元5包括数字激光器/检测器单元，数字激光器/检测器单元包括激光器(产生激光束)以及距离测量检测器装置，在激光斑点击中目标时该距离测量检测器装置光学地跟随激光斑点，该斑点被布置成在测量时线性地横向一个岩心接一个岩心地扫过要测量的岩心。因此，扫描单元在大量点处沿着激光曲线以高分辨率来测量跟随要扫描的物体的特定曲线上的点的全距离。当激光束击中要测量的物体时，这个扫描单元数字地生成曲线点云，以表示跟随激光线的距离曲线。在该图中，示出了线性激光束路径7，该路径覆盖若干个隔室8，但是通常一次仅扫描单个隔室中的一个岩心。
从图1中可以看出，扫描单元5沿着轴线可移动地布置、并且因此可以沿由X轴标记的方向(与扫描轴线相同)前后移动。因此，当从岩心(未示出)的一端扫描到另一端时，扫描单元5被布置成沿X方向具有等距的小步长，来以给定分辨率、平行于Y轴生成一系列数字曲线点云。那些曲线点云加在一起形成岩心表面的3D表示。一种类似于扫描单元5的扫描单元由Sitek AB公司作为“非接触式距离测量系统”销售。还存在LMI3D销售的、被称为为“Optocator”的单元。参照图1，扫描单元5通过已知技术沿Z方向可移动地布置，并且载体2以类似的方式沿Y方向可移动，以便将选定的岩心带入扫描位置、进入扫描单元的激光器视场。由于岩心主要是圆柱形的，因此视场围绕岩心圆周覆盖几乎180度。
如上所述，3D表示可以如图2中那样被示为点云，其中每个单独的点还包含关于RGB或灰度颜色的数据，如果数据在显示器上呈现，则可以将其解释为“图片”。改变图2中的点云的分辨率以便对于观看者而言更清楚。在图2中可以看到不连续性9。可以按如下说明来分析不连续性及其位置以及α和β角。并且，在图2中，沿着岩心示出的参考线存在于图2的中间。参考线由涂料或类似材料制成、属于扫描单元清晰可见的类型。
图3示出了岩心、激光器/检测器单元(其辐射显示为激光输出10)、以及扫掠激光束11的示意性表示(在此具有线和曲线而不是像如图2中的表示的点云)。随着激光束沿着横向于岩心1的纵向轴线的扫描线进行扫掠，激光束击中主要圆柱形岩心的弯曲表面12的一部分(如上所述在激光器下方位于托盘中)，并且生成激光斑点曲线13。如图所示，激光视场几乎覆盖了岩心圆周的一半。在可以看到的岩心半部的一部分上，岩心具有参考线15，该参考线指示岩心在钻孔中处于初始地点时所具有的“旋转”位置，类似于图2中所示。当然，岩心以某种方式放在托盘中，使得参考线在视场内对于扫描单元而言是“可见的”。还示出了岩心及其被标记的纵向轴线16。
在岩心上进行扫掠动作期间，检测器装置测量沿弯曲表面的大量点的距离，从而生成曲线点云。在完成一个曲线点云之后，扫描单元以非常小的增量步长沿着岩心反复生成曲线点云。从图3中可以看出，岩心中存在不连续性14。
在图4中示出了图3中的岩心。不连续性14用三个点A、B和C标记。点A、B和C被标记在与图2中看到的岩心所对应的点云不同的三个分开定位的数据点上，这些点是当扫描单元扫描岩心1时生成的。点A、B和C在此由系统操作者手动选择，但是利用计算机数据分析软件可以自动选择点。由于“图片”是数字三维点云，这三个点一起在三维空间中限定了一个平面，该平面与岩心相交，并且这个平面很好地表示了基岩中、在从中提升出岩心的钻孔周围的具体裂缝。现在，参照岩心的参考线15和纵向轴线16，可以通过计算机或类似处理单元中的适当软件来计算不连续性的角度α和β以及裂缝平面。
图5示出了框图，说明用于提取表示三维物体(在这种情况下特别是岩心)的外观的三维点云的信息的方法。
根据本公开内容，在步骤20中使用分析设备来生成数据，该分析设备用于非接触式测量并收集关于岩心样本的外表面的至少某一部分的三维形状和外观的数据。
将在框20中收集到的数据用作第二框步骤的输入，包括将所收集的数据作为相应岩心的3D表示存储在第一数据存储装置21中。
为了处理所收集并存储在第一数据存储装置21中的数据，从所存储的数据中选择输入参数、并将其用作步骤22中数学算法的选定输入，所述数学算法能够根据所存储的数据结合输入参数(例如，岩心的物理特性)来产生岩心样品中的给定物理特征的计算。
最后，在最后一个框23中，包括第二数据存储装置，存储在第一数据存储装置21中的三维数据在具有选定参数的处理单元中处理；执行对岩心样品的物理特征的三维分析，同时使该分析与岩心样品中的特征的空间位置相关，即参照参考线15和纵向轴线16。三维分析的结果存储在第二数据存储装置中。第一数据存储装置和第二数据存储装置可以组合。
由系统和方法生成的3-D表示有利地在可视化装置(类似于数据屏幕)上呈现给例如操作者。如图2所示，点云可以被示为和理解为3D表示。出于某些目的，如果处理点云以生成多边形网格，则可以实现另一种呈现类型。并且，如果需要，可以用系统中包括的已知类型的图像装置(像数码相机(未示出))来拍摄各个岩心的图像(像数字图片)，并且覆盖到相应的多边形网格表示上形成组合的视觉表示。
本发明不限于上文公开和说明的实例。
处理单元可以是被设计用于该任务的普通计算机或定制的数据处理器。数据评估算法和其他软件可以用软件专家已知且可供使用的不同的方式来设计。
不必将多个岩心托盘(但也可以分析单一岩心)用于为此设计但仍使用本发明的系统。
3D扫描仪可以属于市场上存在的其他类型，只要其产生扫描物体的数字三维数据即可。激光束可以沿着要扫描的岩心样品的纵向轴线的方向布置。通过在点云中选择表示岩心样品表面的点，可以手动地计算不连续性的平面，但还可以用计算机数据分析系统来进行。第一数据存储装置和第二数据存储装置可以是在物理上相同的。本发明可以用于WO2011/146014中所描述的系统中，其内容通过援引并入本申请中。这个系统可以与成分分析单元结合使用，使用相同的扫描单元输出来评估并保持成分分析单元与要分析的岩心样品之间的所需距离。
该系统和方法还非常适合于在规划像隧道和不同类型的建筑物等施工工程时勘探并且分析地面、基岩等，其中关于地面稳定性的信息非常重要。该系统和方法不仅仅局限于地面岩石，而是还可以用于分析其他类型的岩心，例如混凝土岩心。该系统和方法特别适于产生岩心样品中的不连续性和其他平面结构的α角和β角的数据，所述角是相对于岩心样品上的取向线和岩心样品的纵向轴线测量的。该系统包括用于容纳至少一个岩心样本的载体、以及分析单元。本发明还涉及一种用于分析岩心样品(例如，在勘探自然资源、比如矿石、石油和天然气期间提取的岩心样品)的结构的方法。该系统尤其适于生成岩心样品中的不连续性的α角和β角的信息，所述角是相对于岩心样品上的取向线和岩心样品的纵向轴线测量的。
所寻求的物理特征可以是平面不连续性、地质组构、矿脉、岩心半径或岩心体积。不同的算法适用于不同的特征。
该分析可以包括计算岩心轴线与平面和岩心样品的椭圆形交叉点的半长轴之间的锐角(α角)、或围绕岩心轴线在岩心取向线与平面和岩心样品的椭圆形交叉点的半长轴之间的旋转角(β角)。可以在勘探自然资源(比如矿物资源、石油和天然气)和/或为了检查建筑物或施工创造物(比如水坝的墙)的基岩或混凝土结构而提取岩心样品。

Claims (12)

1.一种用于收集并处理关于岩心样品(1)、例如在勘探自然资源期间提取的岩心样品的三维形状和外观的数据的系统，该数据包括与岩心的特有物理特征、例如平面不连续性有关的此类数据，该系统包括用于容纳至少一个岩心样品的载体(2)，该系统的特征在于
a.用于测量并收集关于岩心样品(1)的外表面的至少某一部分的三维形状和外观的数据的非接触式分析设备(5)，其中，岩心具有参考线(15)，该参考线指示了岩心在钻孔中处于其初始地点时具有的“旋转”位置，
b.用于将该分析设备收集的数据作为3D表示而存储的第一数据存储装置(21)，
c.处理单元，该处理单元对该第一数据存储装置(21)中存储的数据应用一个或多个数据评估算法，以参照该岩心的该参考线(15)和纵向轴线(16)来提取关于岩心(1)的、像形状和外观的包括该参考线在内的物理特征的数据作为输出，以及
d.用于存储该处理单元的所产生的输出的第二数据存储装置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该非接触式分析设备包括基于光的3D传感器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，该基于光的3D传感器的输出用于生成点云作为该分析的基础，并且因此所收集的数据作为点云存储在该第一数据存储装置中。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述点云是产生在该3D表示中所包含的3D多边形网格的基础。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统包括用于产生该岩心的图像的装置、以及用于将该图像覆盖到3D点云上的装置。
6.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，该系统包括用于呈现该系统所生成的数据的可视化装置。
7.根据以上权利要求中任一项所述的系统，其中，该系统包括用于分析岩心样品中的像矿物质等元素的成分分析单元，该成分分析单元可移动地布置在距离控制装置上并且依赖于该距离控制装置，该距离控制装置用于控制该成分分析单元与要分析的岩心之间的距离，该系统的特征在于，来自该处理单元的信息用于计算输入到该距离控制装置的距离。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该成分分析单元是X射线类型。
9.一种用于收集并处理关于岩心样品、例如在勘探期自然资源期间提取的这种岩心样品的三维形状和外观的数据的方法，该数据包括岩心的特有物理特征，比如平面不连续性，并且还包括岩心样品表面上的取向标记，该方法包括对该数据进行空间分析以便例如计算不连续性相对于岩心样品轴线和取向线的取向，该方法的特征在于以下步骤
a.使用分析设备来非接触式测量并收集关于岩心样品的外表面的至少某一部分的三维形状和外观的数据，其中，岩心具有参考线(15)，该参考线指示了岩心在钻孔中处于其初始地点时所具有的“旋转”位置，
b.将所收集的数据作为3D表示存储在第一数据存储装置中，
c.选择数学算法的输入参数，所述算法能够根据所收集并存储的数据结合输入参数来产生该岩心样品中的给定物理特征的计算，
d.通过在数据处理单元中处理存储在该第一数据存储装置中的所收集的数据以及所选定的参数来执行对岩心样品的物理特征的三维分析，同时参照该岩心的该参考线(15)和纵向轴线(16)将该分析与该特征在该岩心样品中的空间位置相关，并且存储该三维分析的结果。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，该非接触式分析设备包括基于光的3D传感器，其特征在于，该基于光的3D传感器的输出用于生成点云作为该分析的基础，并且所收集的数据作为表示单独岩心的点云被存储在该第一数据存储装置中。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，点云是产生在该3D表示中所包含的3D多边形网格的基础。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，产生该岩心的图像并且将该图像覆盖在3D点云上以形成组合的可视化表示。
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