CN116906031A - 一种钻孔围岩三维高精度探测方法 - Google Patents

Abstract

一种钻孔围岩三维高精度探测方法，所述方法包括：步骤1，将相控换能器阵列设置于探测探头上，并将探测探头下放到钻孔的指定深度处；步骤2，控制相控换能器阵列向围岩发射超声波信号，同时接收围岩回波信号，即反射信号；步骤3，基于接收到的反射信号，构建三维超声反射振幅值图，基于反射振幅值图定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小和位置。本发明根据声波反射原理，使用高频超声相控阵换能器阵列，对孔周进行探测，通过向围岩发射高频、高能、强聚焦的超声波信号，同时接收围岩回波信号，采用聚焦算法对钻孔围岩10m范围内的岩体破碎、裂隙、空洞等进行三维探测，根据反射波信号能量直观的反应围岩异常发育情况。

Description

一种钻孔围岩三维高精度探测方法

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体涉及钻孔围岩三维高精度探测方法。

背景技术

测井，也叫地球物理测井，是利用岩层的电化学特性、导电特性、声学特性、放射性等地球物理特性，测量地球物理参数的方法，属于应用地球物理方法之一。根据地质和地球物理条件，合理地选用综合测井方法，可以详细研究钻孔地质剖面、探测有用矿产、钻孔围岩速度等。测井方法在石油、煤、金属与非金属矿产及水文地质、工程地质的钻孔中，都得到广泛的应用。特别在油气田、煤田及水文地质、工程勘察中，已成为不可缺少的勘探方法之一。

岩土工程勘察中，需要利用既有钻孔使用地球物理测井方法测量钻孔岩体波速、甚至钻孔周围一定范围的围岩情况等。

对钻孔岩体物性测井，通常使用波速测井、剪切波测井、全波列测井、阵列声波测井等，该类方法仅用于测试孔壁的岩体物性参数曲线，可用于划分地层、评价岩体风化及完整性，但是对于钻孔周围一定范围内围岩情况无法查明。常用超声成像测井通过高频超声波在钻孔扫描，根据声时和声幅对钻孔壁成像，可在井液浑浊的条件下探测孔壁的裂隙、层理、破碎等。同样无法探测钻孔周围一定范围内围岩情况

使用管波探测法、钻孔雷达法、钻孔多频声波探测法等，具有一定的径向探测深度，可以在一定程度上解决该问题。但是该类方法仅可探测钻孔周围围岩异常的垂向分布范围，具有较高的垂向精度，但是探测结果没有指向性，无法指示孔周岩溶、破碎异常空间方位，且探测结果易受到地层界面、孔径变化、液面处等非溶洞波阻抗界面的影响。

汪进超等提出的基于定向声波扫描的钻孔围岩结构探测方法，通过环线扫描钻孔，采用数值分析的方法求解岩石声速及异常区域位置。虽然探测结果可以指示方位，但是径向探测深度也仅局限于钻孔壁附近1m范围以内。

发明内容

鉴于现有技术中存在的技术缺陷和技术弊端，本发明实施例提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种钻孔围岩三维高精度探测方法，具体方案如下：

一种钻孔围岩三维高精度探测方法，所述方法包括：

步骤1，将相控换能器阵列设置于探测探头上，并将探测探头下放到钻孔的指定深度处；

步骤2，控制相控换能器阵列向围岩发射超声波信号，同时接收围岩回波信号，即反射信号；

步骤3，基于接收到的反射信号，构建三维超声反射振幅值图，基于反射振幅值图定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小和位置。

进一步地，所述相控相控换能器阵列包含M行N列压电陶瓷晶片的阵元，相控换能器阵列采用透声外壳密封，且所述外壳覆盖有吸声材料。

进一步地，通过电机驱动系统的控制相控换能器阵列旋转扫描，通过电子罗盘实时测量和记录探头在钻孔中的方位。；

进一步地，通过电路单元控制相控换能器阵列的阵元发射或接收信号，包括：控制相控换能器阵列的全阵元同步发射、接收信号，或单个阵元独立的发射和接收信号。

进一步地，令相控换能器阵列包含M行N列阵元，即阵元阵列为M*N，令相控换能器阵列在钻孔中的深度为h，方位角为θ，步骤2具体采用以下任一方案接收反射信号：

方案一：所有阵元同步发射超声波信号，所有阵元同步接收围岩回波信号且接收信号合并，形成一道反射信号接收记录；

方案二：所有阵元同步发射超声波信号，所有阵元同步独立接收围岩回波信号，形成M*N道反射信号采集记录；

方案三：各阵元按顺序单独发射超声波信号，每次发射时，所有阵元同步独立接收围岩回波信号，总共形成(M*N)*(M*N)道反射信号采集记录；

完成深度h处扫描一周的数据采集后，控制探头下放或提升△h，重复方案一、方案二或方案三的数据采集过程，或者采用螺旋式采集，即螺旋式下放或提升探头的时候进行旋转过程中的实时采集。

进一步地，所述相控换能器阵列为两个，分别相控换能器阵列一和相控换能器阵列二；

相控换能器阵列一发射超声波信号S1，相控换能器阵列二接收围岩回波信号S2；

或者，所述相控换能器阵列为一个，相控换能器阵列的一端阵元发射超声波信号S，另一端阵元接收围岩回波信号S2。

进一步地，步骤3具体包括：等间距划分成像区域，计算以钻孔为中心，相控换能器阵列处于钻孔h深度和θ角度时不同距离成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)；

基于成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算瞬时振幅值，并将所有成像点振幅值按空间坐标组织，形成以钻孔为中心一定范围内的三维超声反射振幅值图，振幅值的大小与钻孔周围的围岩的反射系数成正相关，根据反射信号幅值的相对大小，定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小的位置。

进一步地，计算以钻孔为中心，相控换能器阵列处于钻孔h深度和θ角度时不同距离成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)具体为：

采用方案一接收反射信号时，采集到一道反射信号接收记录R(h,θ)，成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

采用方案二接收反射信号时，采集到M*N道反射信号接收记录R(h,θ,m,n)；，成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

采用方案三接收反射信号时，采集到(M*N)*(M*N)道反射信号接收记录R(h,θ,i,j,m,n)，令i j阵元为发射阵元S，mn阵元为接收阵元G，则对应的反射信号为R(h,θ,i,j,m,n)，成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

其中，i j阵元即第i行第j列阵元，mn阵元即第i行第j列阵元，t_spg为ts+tg，ts＝ds/v，tg＝dg/v，d_s为发射阵元S到成像点P的距离，d_g为成像点P到接收阵元G的距离，v为钻孔围岩中的声波速度，D为相控换能器阵列指向性校准系数，B为相控换能器阵列扩散校准系数，，Ds和Dg分别为发射阵元和接收阵元到成像点的指向性系数，Bs和Bg分别为发射阵元和接收阵元到成像点的扩散校准系数；

式中a为换能器阵元的边长，θ为成像点到发射阵元或接收阵元的角度，d为成像点到发射阵元或接收阵元的距离；

其中，采用方案二接收反射信号时，ts为阵元S对应的面阵到成像点P的最小时间Ts，对于任一点P，分别计算P点到阵元S对应的面阵中的每个阵元的距离L，取最小值Lmin计算得到Ts＝Lmin/v。

本发明具有以下有益效果：

本发明根据声波反射原理，使用高频超声相控阵换能器阵列，对孔周进行探测，通过向围岩发射高频、高能、强聚焦的超声波信号，同时接收围岩回波信号，采用聚焦算法对钻孔围岩10m范围内的岩体破碎、裂隙、空洞等进行三维探测，根据反射波信号能量直观的反应围岩异常发育情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种钻孔围岩三维高精度探测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的探测设备结构图；

图3为本发明实施例提供的相控换能器阵列的横截面和激振面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，作为本发明的第一实施例，提供一种钻孔围岩三维高精度探测方法，所述方法包括：

步骤1，将相控换能器阵列设置于探测探头上，并将探测探头下放到钻孔的指定深度处；

步骤2，控制相控换能器阵列向围岩发射超声波信号，同时接收围岩回波信号，即反射信号；

步骤3，基于接收到的反射信号，构建三维超声反射振幅值图，基于反射振幅值图定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小和位置。

本发明根据声波反射原理，使用高频超声相控阵换能器阵列，对孔周进行探测，通过向围岩发射高频、高能、强聚焦的超声波信号，同时接收围岩回波信号，采用聚焦算法对钻孔围岩10m范围内的岩体破碎、裂隙、空洞等进行三维探测，根据反射波信号能量直观的反应围岩异常发育情况。

如图2-3所示，作为本发明的优选实施例，提供一种探测装置，包括：控制系统、传动系统、供电系统和探头。

所述控制系统用于发送指令、接收信号、实时显示探测记录。

所述传动系统包括孔口支架1、绞线机2和深度编码器3，电缆11通过深度编码器牵引探头。

所述探头包括电机驱动系统8、相控换能器阵列、电路单元、电子罗盘，其中，电机驱动系统8包括电动驱动器9和步进电机10。

其中：

电机驱动系统用于控制换能器阵°旋转扫描。

相控换能器阵列为包含M行N列压电陶瓷晶片的阵元，各行和列内阵元间距为dx、dy，换能器阵列外壳覆盖吸声材料，探头顶端可包含一个单独的超声换能器。

电路单元用于控制换能器阵列的阵元发射、接收超声信号，可实现全阵元的同步发射接收或单个阵元独立的发射和接收。

电子罗盘用于实时测量、记录探头在钻孔4中的方位，集成在电路单元中。

换能器及电机旋转部分，采用透声外壳7密封，密封腔内多余空间充。

其中，探测方法的技术方案为：

1、探头安置：在孔口安置好支架和传动系统，通过控制系统将探头下放到指定深度。

2、数据采集：控制相控阵换能器阵列发射和接收超声信号S1，数据采集过程中，电机驱动系统使传感器不间断低速旋转，在深度h、方位角θ时采集数据；

其中，步骤2的数据采集方案为：

方案一：所有阵元同步发射，所有阵元同步接收且接收信号合并，形成一道记录记为R(h,θ)；

方案二：所有阵元同步发射，所有阵元同步独立接收，形成M*N道记录R(h,θ,m,n)；

方案三：各阵元按顺序单独发射、每次发射时，所有阵元同步独立接收，总共形成(M*N)*(M*N)道记录R(h,θ,m,n,m,n)。

完成深度h处扫描一周的数据采集后，控制探头下放或提升△h，重复以上数据采集过程。

在数据采集采集阶段，通过相控换能器阵列一5发射信号，相控换能器阵列二6接收信号，或通过相控换能器阵列二的一端阵元发射信号，相控换能器阵列二6的其他阵元接收信号，记为S2。分析各阵元接收到的信号到达时间t，根据各阵元距离发射阵元的距离l，计算钻孔围岩的声波速度v。

其中，对方案三采集到的数据，成像方案为

将成像区域等间距划分成像点P，采集到(M*N)*(M*N)道反射信号接收记录集合R(h,θ,i,j,m,n)，令i j阵元为发射阵元S，mn阵元为接收阵元G，则对应的反射信号为R(h,θ,i,j,m,n)，计算发射阵元S到成像点P和成像点P到接收阵元G的距离ds和dg，其对应的传播时间分别为ts＝ds/v，tg＝dg/v。则成像点P的成像幅值Ip为

式中t_spg为ts+tg，D为换能器指向性校准系数及B为扩散校准系数为：

式中a为换能器阵元的边长，θ为成像点到发射阵元或接收阵元的角度，d为成像点到发射阵元或接收阵元的距离。

方案二采集到的数据R(h,θ,m,n)成像计算时，需要计算面阵S到成像点P的最小时间Ts计算方法在各项同性均匀介质中可以得到准确的波场传播时间，对于任一点P，分别计算P点到面阵S中的每个阵元的距离L，取最小值Lmin计算得到Ts＝Lmin/v。

方案一采集到的数据R(h,θ)成像计算时，计算公式为

其中，步骤3具体包括：通过上述方法，得到以钻孔为中心，h深度和θ角度时不同距离成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)。对该信号序列计算瞬时振幅，并将所有成像点振幅值按空间坐标组织，形成以钻孔为中心一定范围内的三维超声反射振幅值图，振幅值的大小与钻孔周围的围岩的反射系数成正相关，根据反射信号幅值的相对大小，可以半定量的确定岩溶、裂隙、破碎的大小的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，将相控换能器阵列设置于探测探头上，并将探测探头下放到钻孔的指定深度处；

步骤2，控制相控换能器阵列向围岩发射超声波信号，同时接收围岩回波信号，即反射信号；

步骤3，基于接收到的反射信号，构建三维超声反射振幅值图，基于反射振幅值图定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小和位置。

2.根据权利要求1所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，所述相控相控换能器阵列包含M行N列压电陶瓷晶片的阵元，相控换能器阵列采用透声外壳密封。

3.根据权利要求2所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，所述方法还包括：通过电机驱动系统控制相控换能器阵列旋转扫描，并通过电子罗盘实时测量和记录探头在钻孔中的方位。

4.根据权利要求2所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，通过电路单元控制相控换能器阵列的阵元发射或接收信号，包括：控制相控换能器阵列的全阵元同步发射、接收信号，或单个阵元独立的发射和接收信号。

5.根据权利要求1所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，令相控换能器阵列包含M行N列阵元，即阵元阵列为M*N，令相控换能器阵列在钻孔中的深度为h，方位角为θ，步骤2具体采用以下任一方案接收反射信号：

方案一：所有阵元同步发射超声波信号，所有阵元同步接收围岩回波信号且接收信号合并，形成一道反射信号接收记录；

方案二：所有阵元同步发射超声波信号，所有阵元同步独立接收围岩回波信号，形成M*N道反射信号采集记录；

方案三：各阵元按顺序单独发射超声波信号，每次发射时，所有阵元同步独立接收围岩回波信号，总共形成(M*N)*(M*N)道反射信号采集记录；

完成深度h处扫描一周的数据采集后，控制探头下放或提升△h，重复方案一、方案二或方案三的数据采集过程，或者采用螺旋式采集，即螺旋式下放或提升探头的时候进行旋转过程中的实时采集。

6.根据权利要求5所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于：

所述相控换能器阵列为两个，分别相控换能器阵列一和相控换能器阵列二；

相控换能器阵列一发射超声波信号S1，相控换能器阵列二接收围岩回波信号S2；

或者，所述相控换能器阵列为一个，相控换能器阵列的一端阵元发射超声波信号S，另一端阵元接收围岩回波信号S2。

7.根据权利要求5所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，步骤3具体包括：等间距划分成像区域，计算以钻孔为中心，相控换能器阵列处于钻孔h深度和θ角度时不同距离成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)；

基于成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算瞬时振幅值，并将所有成像点振幅值按空间坐标组织，形成以钻孔为中心一定范围内的三维超声反射振幅值图，振幅值的大小与钻孔周围的围岩的反射系数成正相关，根据反射信号幅值的相对大小，定量的确定岩溶、裂隙以及破碎的大小的位置。

8.根据权利要求7所述的钻孔围岩三维高精度探测方法，其特征在于，计算以钻孔为中心，相控换能器阵列处于钻孔h深度和θ角度时不同距离成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)具体为：

采用方案一接收反射信号时，采集到一道反射信号接收记录R(h,θ)，成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

采用方案二接收反射信号时，采集到M*N道反射信号接收记录R(h,θ,m,n)；成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

采用方案三接收反射信号时，采集到(M*N)*(M*N)道反射信号接收记录R(h,θ,i,j,m,n)，令ij阵元为发射阵元S，mn阵元为接收阵元G，则对应的反射信号为R(h,θ,i,j,m,n)，成像点P处的超声信号反射信号幅值I(h,θ)计算公式为：

其中，t_spg为ts+tg，ts＝ds/v，tg＝dg/v，d_s为发射阵元S到成像点P的距离，d_g为成像点P到接收阵元G的距离，v为钻孔围岩中的声波速度，D为相控换能器阵列指向性校准系数，B为相控换能器阵列扩散校准系数，Ds和Dg分别为发射阵元和接收阵元到成像点的指向性系数，Bs和Bg分别为发射阵元和接收阵元到成像点的扩散校准系数；

式中a为换能器阵元的边长，θ为成像点到发射阵元或接收阵元的角度，d为成像点到发射阵元或接收阵元的距离；

其中，采用方案二接收反射信号时，ts为阵元S对应的面阵到成像点P的最小时间Ts，对于任一点P，分别计算P点到阵元S对应的面阵中的每个阵元的距离L，取最小值Lmin计算得到Ts＝Lmin/v。