TW201907367A - 井下岩層特徵立體成像的系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種井下岩層特徵立體成像的系統及方法，係用以改良井下岩層的立體成像，包含資料庫、運算模組以及圖形產出模組，可位於電子裝置中，並直接由資料庫連續擷取音射式孔內攝影儀所接收到由井下岩層的孔壁反射而產生的反射振幅數據，藉運算模組以進行統計分析，並由圖形產出模組產生井下岩層特徵的立體成像。因此，本發明可針對連續性的反射振幅數據進行處理，透過簡單的運算，繪製出類三維(semi-3D)岩體結構立體圖，提供研究人員快速掌握孔內岩體結構變化特徵。

Description

井下岩層特徵立體成像的系統及方法

本發明係有關於一種井下岩層特徵立體成像的系統及方法，尤其是針對連續性的反射振幅數據進行處理，並透過簡單的運算而繪製出類三維(semi-3D)岩體結構立體圖，產出圖像資訊可提升岩層結構強弱、完整度、弱面分布判釋的精準度，用以區分出岩性變化趨勢，輔助岩層主要透水區段的推測，使得研究人員可快速掌握孔內岩體結構的變化特徵。

早期岩盤工址水文地質鑽探調查習慣藉由觀察鑽探取出之岩心，逐米紀錄岩心構造特徵與裂隙位置，再統計地層弱面組數與位態變化。不過，此作法除了步調慢、工時長、取樣試體易受擾動較難代表現地實際狀況外，也無法應用於岩心過於破碎或無法提取的狀況。

再者，習用技術中的音射式孔內攝影掃描技術基本上可解決上述的問題，具體而言，其施測方法是在鑽探進尺目標完成後，於鑽孔中置入高解析度音射式孔內攝影儀 (High Resolution Acoustic Televiewer, 簡稱HiRAT)，並於下放或拉升過程中連續紀錄地層細部區段影像，藉此直接觀察孔內岩層構造、裂隙實際分布位置或岩盤破碎程度。

進一步而言，HiRAT攝影掃描的基本原理是以超音波為發射訊號，藉由分析訊號撞擊孔壁之後訊號反射之強弱來判讀地層狀況。此外，音射式孔內探測儀因此配備一組固定式超音波發射源與接收設備，以及一組360度旋轉反射鏡系統得以進行孔內全方位掃描。一般，在孔內吊放探查過程中，發射源可放送出低能量高頻率(0.5~1.5兆赫)的超音波，訊號透過地下水或鑽孔內液體為傳遞媒介撞擊孔壁後即會反射，並由探測儀接收。

具體而言，一般攝影掃描成果的呈現方法有二。

上述呈現方法之一是轉換反射訊號振幅(Amplitude)成為256色階(8位元/像素)，並在電腦螢幕上展繪出二維地層細部區段影像。當掃描深度岩體完整無破裂面時，所接收到的訊號強度較高，反射振幅較大，其所對應的色階越亮，反之當掃描深度遇到岩體弱面或裂隙時，訊號強度較低，反射振幅較小，其所對應的色階也越暗。因此，研究人員即可由產出影像的明暗度差異來掌握岩體弱面或裂隙的深度與位態。然而，其缺點是二維地層區段影像圖資雖適合針對岩體細部弱面進行判讀，但對於整體地層樣態的詮釋度卻較差。

呈現方法之二是搭配後處理程式(WellCAD)依據音波反射傳遞時間(Travel time)資料繪製出鑽孔變形圖(borehole breakout)，這樣的轉換方式主要可以讓研究人員了解鑽孔受到大地應力影響下的變形狀況，從而推算最大主應力的方向。然而，鑽孔變形圖的呈現方式對於鑽孔地層整體地質組成樣態、地質構造變化程度、岩層主要透水區段位置所能提供的資訊仍相當有限，需要搭配其他井測儀器紀錄成果，或交互比對更多鑽孔成果才得以達成。

因此，非常需要一種創新的井下岩層特徵立體成像的系統及方法，針對連續性的反射振幅數據進行處理，並透過簡單的運算而繪製出類三維岩體結構立體圖，產出圖像資訊，提升岩層結構強弱、完整度、弱面分布判釋的精準度，用以區分出岩性變化趨勢，輔助岩層主要透水區段的推測，使得研究人員可快速掌握孔內岩體結構的變化特徵，藉以解決上述習用技術的所有問題。

本發明之主要目的在於提供一種井下岩層特徵立體成像的系統，可幫助研究人員快速掌握孔內岩體結構變化特徵，包括資料庫、運算模組以及圖形產出模組，可位於電子裝置中。

資料庫儲存音射式孔內攝影儀接收來自井下岩層的孔壁所反射的反射振幅數據，用以當作反射振幅訊號的原始數據，且音射式孔內攝影儀是隨井下岩層的深度的連續變化而連續產生並記錄反射振幅數據。

運算模組連結資料庫，藉特定的程式以自動擷取資料庫內的反射振幅數據，同時，可依據固定的深度區間而對連續性的反射振幅數據進行數學統計，以獲得反射振幅訊號統計數值，並產生包含反射振幅訊號統計數值的運算結果，用以掌握反射振幅數據的集中趨勢。

圖形產出模組是連結運算模組，並藉程式而自動擷取運算模組所產生的運算結果，尤其是針對每個深度區間所對應的反射振幅訊號統計數值資料，進行圖形產出及繪製程序，利用試算表建立反射振幅數據的變化散布圖，用以表示井下岩層的特徵立體成像。

本發明之另一目的在於提供一種井下岩層特徵立體成像的方法，包括：連續擷取音射式孔內攝影儀所接收到由井下岩層的孔壁反射而產生的反射振幅數據，當作反射振幅訊號的原始數據，且音射式孔內攝影儀是隨深度的連續變化而連續產生反射振幅數據；針對連續性的反射振幅數據，依據固定的深度區間進行數學統計，以獲得反射振幅訊號統計數值，用以掌握反射振幅數據的集中趨勢；以及針對每個深度區間所對應的反射振幅訊號統計數值之資料，利用試算表以建立反射振幅數據的變化散布圖，用以表示井下岩層的特徵立體成像。

進一步而言，數學統計可包含計算相對應的算術平均數，而所謂的集中趨勢是泛指由反射振幅數據的數組或機率分布的中間值或中央值，可用以呈現資料分配的中心位置或共同趨勢。

因此，本發明是針對連續性的反射振幅數據進行處理，並透過簡單的運算而繪製出類三維(semi-3D)岩體結構立體圖，產出圖像資訊可提升岩層結構強弱、完整度、弱面分布判釋的精準度，用以區分出岩性變化趨勢，輔助岩層主要透水區段的推測，使得研究人員可快速掌握孔內岩體結構的變化特徵。

以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參考第一圖，本發明第一實施例井下岩層特徵立體成像的系統的示意圖。如第一圖所示，本發明第一實施例的井下岩層特徵立體成像的系統包括資料庫10、運算模組20以及圖形產出模組30，可位於電子裝置中，用以供研究人員針對井下岩層特徵影像進行快速判釋。上述的電子裝置可為伺服器、筆記型電腦、桌上型電腦、智慧型手機、平板、MAC電腦、iPAD、iPhone、Smart TV其中之一。

具體而言，資料庫10可儲存音射式孔內攝影儀A接收來自井下岩層的孔壁所反射的反射振幅數據，用以當作反射振幅訊號的原始數據，其中音射式孔內攝影儀是隨井下岩層的深度的連續變化而連續產生並記錄反射振幅數據。此外，音射式孔內攝影儀是以360度環繞孔壁而連續性紀錄反射振幅數據。

需要強調的是，一般傳統做法並不會直接擷取音射式孔內攝影儀所接收到自孔壁反射的訊號振幅原始數據進行分析，而是透過音射式孔內攝影儀連接電腦後處理程式逕行轉換反射訊號振幅成為256色階影像，並在電腦螢幕上展繪。因此，本發明的實施手段較為簡便，而容易操作。

運算模組20連結資料庫10，並藉特定的程式以自動擷取資料庫10內的反射振幅數據，同時可依據固定的深度區間而對連續性的反射振幅數據進行數學統計，以獲得反射振幅訊號統計數值，並產生包含反射振幅訊號統計數值的運算結果，用以掌握反射振幅數據的集中趨勢。

上述的數學統計可包含計算相對應的算術平均數，不過要注意的是，數學統計並不受限於算術平均數的方式，而是只要任何透過數學統計的方式皆可用以實施而掌握數據的集中趨勢。

所謂的集中趨勢是泛指由反射振幅數據的數組或機率分布的中間值或中央值，可用以呈現資料分配的中心位置或共同趨勢。

此外，圖形產出模組30是連結運算模組20，並藉程式而自動擷取運算模組20所產生的運算結果，尤其是針對每個深度區間所對應的反射振幅訊號統計數值資料，進行圖形產出及繪製程序，利用試算表建立反射振幅數據的變化散布圖，用以表示井下岩層的特徵立體成像。

必需強調的是，上述固定的深度區間可為0.001~100公尺之間，但並不以此為限，而可視實際鑽孔的長度而適度調整。

舉例而言，圖形產出模組30可使用Excel試算表內建之立體泡泡圖(Bubble chart)來進行圖形產出及繪製程序，因為較為簡單，然而不限制以Excel試算表做為唯一的繪圖工具或方法，只要任何可展現資料變化散布趨勢的繪圖工具均可。在此，以圖表類型之選擇以立體泡泡圖(Bubble chart)為示範性的實例，數列Y值選取工作表上的深度資料，數列泡泡大小則選取工作表上的反射振幅統計數值。如此當反射振幅統計值越大，所對應的泡泡面積越大，反之當反射振幅統計值越小，所對應的泡泡面積越小。選取資料數列格式，在數值表示方式欄位中，點選泡泡寬度，並建議但不限制預設泡泡的大小為20，如此即可產出類似鑽孔岩心隨深度排列的立體圖像。

再者，進一步參考第二圖，本發明第二實施例井下岩層特徵立體成像的方法的操作流程示意圖。如第二圖所示，本發明第二實施例的井下岩層特徵立體成像的方法包括依序進行的步驟S10、S20以及S30，用以達成對井下岩層特徵的立體成像。

在步驟S10中，連續擷取音射式孔內攝影儀所接收到由井下岩層的孔壁反射而產生的反射振幅數據，當作反射振幅訊號的原始數據，其中音射式孔內攝影儀是隨深度的連續變化而連續產生並記錄反射振幅數據。

接著進入步驟S20，針對連續性的反射振幅數據，依據固定的深度區間進行數學統計，藉以獲得反射振幅訊號統計數值，可掌握反射振幅數據的集中趨勢。

最後在步驟S30中，針對每個深度區間所對應的反射振幅訊號統計數值之資料，利用試算表以建立反射振幅數據的變化散布圖，用以表示井下岩層的特徵立體成像。

要注意的是，第二實施例的部分技術內容已在第一實施例中詳細說明，因而不再贅述。

因此，本發明可快速展示鑽孔地層或岩體結構特徵的技術，產出圖像資訊可提升岩層結構強弱、完整度、弱面分布判釋的精準度，可區分出岩性變化趨勢，可輔助岩層主要透水區段的推測，尤其可將每一深度區間所完成的反射振幅統計數值資料繪製成鑽孔岩心隨深度排列的立體圖像，能更適切地顯示井下岩層特徵變化。

本發明主要可應用於岩盤工址水文地質鑽探調查，重新解析鑽孔中吊放音射式孔內攝影儀時所測錄的音波反射振幅變化，並利用簡單的統計與製圖方式，繪製出類三維岩體結構立體圖，來解決傳統256色階二向度(2D)孔壁影像或以WellCAD產出的鑽孔變形圖(borehole breakout)無法輕易鑑別岩體強弱差異變化、無法判斷岩體排列順序或模式、對於整體地層樣態的詮釋度較差等問題。

綜上所述，本發明的特點在於直接擷取音射式孔內攝影儀的訊號振幅原始數據以進行分析，而非透過音射式孔內攝影儀連接電腦後處理程式以逕行轉換反射訊號振幅成為256色階影像，並在電腦螢幕上展繪，所以操作、運算過程更為簡便，且可靠度更為加強。

本發明的另一特點在於並非傳統所慣用的256色階二向度(2D)孔壁影像，或由後處理程式所產出的鑽孔變形圖，而是利用簡單的運算過程而產出類三維岩體結構立體圖，提供研究人員較佳的判釋效果所產出圖像資訊不但可讀性和可理解性更好，且能更貼近地層岩體堆疊實況，是一種可提供工作人員即時且更有效掌握地層整體地質組成樣態的方法。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10‧‧‧資料庫

20‧‧‧運算模組

30‧‧‧圖形產出模組

A‧‧‧音射式孔內攝影儀

S10‧‧‧步驟

S20‧‧‧步驟

S30‧‧‧步驟

第一圖顯示依據本發明第一實施例井下岩層特徵立體成像的系統的示意圖。 第二圖顯示依據本發明第二實施例井下岩層特徵立體成像的方法的操作流程示意圖。

Claims (10)

1. 一種井下岩層特徵立體成像的系統，包括： 一資料庫，用以儲存一音射式孔內攝影儀接收來自一井下岩層的一孔壁所反射的一反射振幅數據，當作一反射振幅訊號的一原始數據，且該音射式孔內攝影儀是隨一深度的連續變化而連續產生該反射振幅數據； 一運算模組，係連結該資料庫，藉一程式以自動擷取該資料庫之反射振幅數據，並依據固定的一深度區間而對連續性的該反射振幅數據進行一數學統計，藉以獲得一反射振幅訊號統計數值，產生包含該反射振幅訊號統計數值的一運算結果，用以掌握該反射振幅數據的一集中趨勢；以及 一圖形產出模組，係連結該運算模組，藉該程式以自動擷取該運算模組所產生的運算結果，並針對每個該深度區間所對應的該反射振幅訊號統計數值資料，進行一圖形產出及繪製程序，係利用一試算表以建立該反射振幅數據的一變化散布圖，用以表示該井下岩層的一特徵立體成像。
2. 依據申請專利範圍第1項之井下岩層特徵立體成像的系統，其中該音射式孔內攝影儀是以360度環繞該孔壁而連續性紀錄該反射振幅數據。
3. 依據申請專利範圍第1項之井下岩層特徵立體成像的系統，其中該數學統計包含計算相對應的算術平均數。
4. 依據申請專利範圍第1項之井下岩層特徵立體成像的系統，其中該集中趨勢是指由該反射振幅數據的數組或一機率分布的一中間值或一中央值，用以呈現資料分配的一中心位置或一共同趨勢。
5. 依據申請專利範圍第1項之井下岩層特徵立體成像的系統，其中該深度區間為0.001~100公尺之間。
6. 一種井下岩層特徵立體成像的方法，包括： 連續擷取一音射式孔內攝影儀所接收到由一井下岩層的一孔壁反射而產生的一反射振幅數據，當作一反射振幅訊號的一原始數據，且該音射式孔內攝影儀是隨一深度的連續變化而連續產生該反射振幅數據； 針對連續性的該反射振幅數據，依據固定的一深度區間進行一數學統計，藉以獲得一反射振幅訊號統計數值，用以掌握該反射振幅數據的一集中趨勢；以及 針對每個該深度區間所對應的該反射振幅訊號統計數值之資料，利用一試算表以建立該反射振幅數據的一變化散布圖，用以表示該井下岩層的一特徵立體成像。
7. 依據申請專利範圍第6項之井下岩層特徵立體成像的方法，其中該音射式孔內攝影儀是以360度環繞該孔壁而連續性紀錄該反射振幅數據。
8. 依據申請專利範圍第6項之井下岩層特徵立體成像的方法，其中該數學統計包含計算相對應的算術平均數。
9. 依據申請專利範圍第6項之井下岩層特徵立體成像的方法，其中該集中趨勢是指由該反射振幅數據的數組或一機率分布的一中間值或一中央值，用以呈現資料分配的一中心位置或一共同趨勢。
10. 依據申請專利範圍第6項之井下岩層特徵立體成像的方法，其中該深度區間為0.001~100公尺之間。