高清數字鉆孔電視技術研發及其在水電工程中的應用

譚顯江，張建清，劉方文，付小明，況碧波

(長江工程地球物理勘測武漢有限公司，武漢 430014)

1 研究背景

鉆孔在工程勘察中是不可或缺的手段，但不同巖性的巖石、裂隙、破碎帶、各種地質結構、水溫的變化、水壓等，造成鉆孔內部存在極其復雜的環境［1－2］。在現代工程勘察中如何像現代醫學胃鏡技術一樣對鉆孔內部進行探查，一直是工程界關注的課題。

在鉆孔鉆進的過程中，像溶蝕裂隙發育地帶、巖石破碎地帶、巖石軟弱帶等，鉆孔取芯率不足，工程地質人員得不到這些部位的足夠信息，而這些部位又往往是最關健的部位。在這種背景下，鉆孔電視應運而生。鉆孔電視能夠獲得鉆孔孔壁連續、完整、原狀的圖像［3－4］。但以往的鉆孔電視設備清晰度、保真度不夠，特別是在對地質工程人員重點關注的巖層結構面、溶蝕溶洞區、裂隙充填物等的特征信息的提取還不夠清晰準確。如何克服這些障礙，一直是一個困擾工程地質人員的難題。

高清數字鉆孔電視的出現不僅成功解決了在工程勘察中碰到的難題，而且為實現建立“數字化電子巖芯庫”這一在工程勘察領域具有里程碑意義的目標打下了堅實的技術基礎。

目前實物巖芯一直是鉆孔取樣數據的重要保存方式，它是地下巖層的直接反映，具有直觀、準確等優點。但是，實物巖芯在取樣、編錄、運輸、入庫、保存、查詢等各個方面都存在很多的問題和不便。巖芯在取樣過程中，遇到地質條件差的區域，如溶洞、斷層、巖層破碎嚴重的情況，鉆孔就無法完整地取出所要的巖芯，而且即使取出，也因巖芯的破碎而無法記錄、分析，在運輸、入庫、保存過程中也會因此而損壞嚴重。比如，三峽等工程保存的大量巖芯現已損毀、廢棄，產生了極大的浪費，而且失去了很寶貴的資料。

高清數字鉆孔電視采集的是連續、完整、原狀、高清晰的鉆孔圖像。通過將鉆孔電視采集的巖芯展開圖，按照鉆孔的孔徑，鉆孔的深度重新建模后，可以構建出鉆孔電子巖芯。因此，利用鉆孔電視來獲取的電子巖芯，不僅不會丟失鉆孔巖芯所攜帶的地質信息，還有很多實物巖芯不具備的下列優勢:

(1)電子巖芯可以連續、完整、原狀地反映出鉆孔無法取出的破碎部位的巖芯信息。它不存在機械破壞的現象，是一個完整的鉆孔巖芯。

(2)電子巖芯是基于鉆孔電視的技術而建立的，具有鉆孔電視所具備的各種功能。它可以用來分析鉆孔中裂隙的產狀、巖層結構面、溶蝕溶洞區的填充特性等。這些都會為地質成果的判斷分析提供了強有力的證據，而且極大地提高了地質工作人員的工作效率。

(3)電子巖芯可以按1∶1的真實比例輸出打印，可以形成高清晰、高保真度的紙質實物巖芯，便于在任何場合攜帶、展示，這也是高清數字鉆孔電視優于其他鉆孔電視設備的一個特點。

(4)電子巖芯的數據保存采用的是數字化的設備，像光盤、硬盤等，因此，電子巖芯不會隨著時間的推移發生風化而丟失原始信息，可以永久保存。也無須考慮存放電子巖芯的倉庫大小和位置。電子巖芯的數據保存在數據庫中，數據可以備份，不會丟失，而且便于查詢。

2 技術原理

鉆孔數字成像系統的基本原理是在井下設備中采用了一種特殊的反射棱鏡成像的CCD光學耦合器件將鉆孔孔壁圖像以360°全方位連續顯現出來，利用計算機來控制圖像的采集和圖像的處理，實現模－數之間的轉換［5－7］。圖像處理系統自動地對孔壁圖像進行采集、展開、拼接、記錄并保存在計算機硬盤上，再以二維或三維的形式展示出來。亦即把從錐面反射鏡拍攝下來的環狀圖像轉換為孔壁展開圖或柱狀圖(見圖1)。

圖1 孔壁圖像變換示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole-wall image transformation

高清數字鉆孔電視系統，最適合用于鉆孔孔壁結構分析，分辨率可定制，垂直方向分辨率為0.01 mm，方位角分辨率為5 000 pix/360°。精準的定位裝置是由一個二軸磁力計和加速度計組成的，這樣沿鉆孔方向地質體的微小變化也能被該套系統識別出來。而連續的孔壁數字圖像再經觀看并對照巖芯鑒定成果，即可確切查明孔內結構面位置、產狀、張開程度，充填物性狀或構造巖體特征及巖性等全方位的信息［8－9］。

高清數字鉆孔電視系統由井上和井下2個部分組成(見圖2)。井上部分主要由計算機、控制器、絞車、腳架、井口滑輪、深度傳感器等硬件組成;井下部分為探管總成裝置，包括電視攝像機、光源、反射棱鏡、透光罩、三軸磁力計和加速度計以及調焦裝置等組成。井上和井下2個部分經傳輸電纜連接后進行通信。

計算機圖像處理系統通過RS－232接口連接控制器采集電纜傳輸送上來的孔壁圖像信息，并對信息進行處理，自動識別、展開和拼接，通過顯示器顯示孔壁展開圖像和柱狀圖并記錄在計算機硬盤里。計算機圖像處理系統還可以對已存入的圖像信息進行編輯解釋處理，還可通過刻錄機把鉆孔圖像信息刻錄在光盤上，打印機將圖像打印成圖。

圖2 高清數字鉆孔電視系統組成及工作原理框圖Fig.2 High-resolution digital borehole TV system and its working principle

3 關鍵技術問題的研究

高清數字鉆孔電視的圖像清晰度高、圖像顏色還原度逼真，深度和產狀(傾向與傾角)信息精確。圖像的分辨率達到5 000 pix/360°，深度的分辨率0.01 mm，方位 ±0.01°(實際測量時由于孔徑的變化誤差在±5°)，時間定時器(協調整個系統工作的系統)達到 1 μs。

在研發過程中主要技術問題有:采集圖像的拼接效果、圖像的質量深度與方位的信息是否準確一致。主要從儀器的3個方面即電子部分、光學部分和攝像頭部分進行研究并逐一解決。

3.1 電子部分

電子部分即是時間定時器，它的作用是解決深度、方位和圖像3個獨立系統的統一，它是協調整個系統一致的關鍵，所以第一步需要解決時間定時器問題。

假如測孔時在時間T位置，這時圖像和方位還有深度肯定也是T位置的信息，但是這些數據需要處理和傳輸，這就導致了它們到達“合成圖像系統”的延時，并且它們的延時是肯定不相同的。如果直接合成圖像是肯定不對的，這時需要圖像拼接更好、采集速度更快，解決的方法是使它們到達“合成圖像系統”的時間完全一致，即全部延時T+x時間。那么就需要一個可以接受的誤差時間，以前的鉆孔電視系統采用的誤差時間基本為毫秒級的計時，而現在采用了微秒級的計時。假如圖像延時了0.3 s，而深度和方位信息分別延時了0.2 s和0.1 s，若直接合成的圖像就不正確了。需要將深度和方位延時都等到0.3 s才到達“合成圖像系統”，準確的說是300，000 ±1 μs到達(如圖3)。

圖3 深度滯后或超前與時間一致的觀測對比圖Fig.3 Comparison of images in delay，in advance，or in consistence with time

3.2 光學部分

光學部分是指有了數據的統一還不行，數據統一只能說明圖像的數據是正確的，是可以使用的，我們還需要圖像質量，要解決圖像質量首先要解決的是光照。

(1)在水下，如果采用熱光源，水遇熱很容易起霧，從而造成圖像瑕疵，并且熱光源對于電的要求比較高，能耗和電壓都比較大，這樣對整個系統的要求較高，故障也會較多。因此，我們首選冷光源。

(2)冷光源LED的亮度一般都比較小，那么要達到足夠的亮度，就需要多個LED組合，而LED組合是有空隙的，這樣就可能造成孔壁各個點位置的光線有亮有暗，對成像效果有明顯影響。經過長期的試驗發現，LED距離孔壁的位置越遠，光線越均勻。然而在鉆孔直徑確定的情況下，LED到孔壁的位置也就定了，最后經過多次的試驗我們采用了玻璃鍍膜的方法，使LED燈經過一次玻璃罩內的反射后到達孔壁，這樣就等于延長了光線一倍的距離，光線也就更加均勻了(如圖4)。

3.3 攝像頭部分

攝像頭部分主要是體現圖像的清晰度、顏色還原性和圖像的采集速度。攝像頭的放大倍數越高那么圖像的清晰度就越高，若現在的清晰度可以達到5 000 pix/C(C為圓周周長)，假如孔徑56 mm，那么圖像的分辨率可以達到0.035 mm/pix，而這樣的精度對于測孔可完全滿足。攝像頭的顏色分辨率越好，那么圖像的顏色真實性就越好，所以選擇加入了人－機互動調色功能的高分辨率攝像頭，使得顏色可以更加接近鉆孔真色彩。在采集速度上，攝像頭的幀數越高，那么每秒獲得的圖片就越多，然而幀數一般固定為25幀/s和30幀/s兩種，我們使用了定制的60幀/s，使得采集效率有了明顯的提升。

圖4 觀測對比圖Fig.4 Comparison of images with uneven light and uniform light

3.4 電磁場影響

在鉆孔周圍存在強烈的電磁場會影響系統的正常數據采集工作。尤其是在鋼套管的周圍采集的圖像有明顯變形，使得觀測圖像出現扭曲變形，影響圖像的識別。高清鉆孔電視系統通過研發了一套電子羅盤控制系統，成功消除了電磁場對圖像扭曲的影響(如圖5)。

圖5 消除電磁異常對圖像影響對比圖Fig.5 Distorted image with electromagnetic anomaly and normal image with electromagnetic anomaly eliminated

4 工程應用

4.1 工程概況

某水電站壩址區地層主要為薄層至中厚層灰巖，變質的大理巖。壩址巖體呈直立層狀，一般厚度不大，在紅溝、白溝等斷層一帶，巖體存在構造破壞帶。巖層走向近東西向，向南陡傾。斷層、裂隙總體不發育，但上游F14斷層、左岸F15斷層、右岸f42斷層規模相對較大。巖溶總體不發育，右岸規模較大的K25巖溶斜井主要表現為裂隙性溶蝕。

4.2 高清數字鉆孔電視與普通鉆孔電視對比分析及典型圖例

圖6為普通鉆孔電視和高清數字鉆孔電視測試圖。從高清數字鉆孔電視測試圖中可以清晰地看出裂隙發育的產狀和裂隙邊界，且觀測圖圖像光線均勻，保真度高，圖6(b)中70.8～70.9 m之間的裂隙被方解石充填及細小紋理均清晰可見。從而充分驗證了高清數字鉆孔電視的高精度、高分辨率及高保真度的特點。

圖6 鉆孔電視測試Fig.6 Images of ordinary borehole TV test and high-definition borehole TV test

圖7 高清鉆孔電視在巖體破碎帶及水上孔砂卵石層中測試的典型實例Fig.7 Typical images of crushed rock and sand gravel layer through high-definition borehole TV

圖7為高清鉆孔電視在巖體破碎帶及水上孔砂卵石層中測試的典型實例。巖體內裂隙較發育，在鉆孔取芯過程中，巖芯沿隱節理面破壞，無法獲鉆孔原狀信息;水上孔砂卵石層固結不好，未成巖，取芯完全破壞，無法得到壩址覆蓋層的地質信息。而高清數字鉆孔電視能對孔壁進行連續、原狀觀測，可清晰地觀測到巖層構造及水上覆蓋層圖像信息，不會因為取芯不完整而造成地層信息缺失，并可以大幅度地提高勘探精度和效率。

5 結論

(1)利用高清數字鉆孔電視可以很好地克服普通鉆孔電視在采集圖像的拼接效果、圖像的質量深度與方位的信息等方面所帶來的誤差，從而清晰精確地揭示鉆孔中地層巖性、巖體破碎帶、巖層結構面等地質信息，這些結果對巖體完整性評價具有重要價值。

(2)在水電站壩址勘探中，調查巖體的斷裂結構與節理裂隙分布特征是鉆孔地質調查的重要內容之一。雖然通過巖芯編錄也能定性評價巖體的斷裂構造和節理裂隙分布特征，但對于巖芯破碎的鉆孔，由于高清數字鉆孔電視能對孔壁進行原狀、連續觀測，因此不會因為取芯不完整，而造成地層缺失，并可以大幅度地提高勘探精度和效率。

(3)通過應用實例證明，高清數字鉆孔電視很好地解決了工程勘察中的難題，并為建立“數字化電子巖芯庫”奠定了堅實的技術基礎。

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