基于超声波钻孔电视的深部岩体结构面特征研究

王锡勇，苏 锐，陈 亮，田 霄

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

高水平放射性废物（简称高放废物）的安全处置问题正受到公众的广泛关注［1-3］。在高放废物地质处置库的选址过程中，深部岩体结构面特征是重要考虑因素。传统手段虽然可以直观获得深部岩体结构面的数量、填充物类型等信息，但无法获得结构面产状、深度等信息，因此不能全面评价深部岩体结构面特征。

超声波钻孔电视（ATV）作为一种小口径地球物理测井工具，采用了先进的声波束聚焦技术、数字记录技术和数字化数据处理等技术，其测量精度和测井速度大幅提高，其优点是孔壁岩性特征和构造特征通过超声波振幅变化以电视图像形式显示在地面显示屏上，可以非常直观、清楚地“看见”孔壁；其最小探测距离（以结构面隙宽衡量）为0.1 mm（与测井速度和数据传输速度有关）；适用于充水或泥浆的裸钻孔；测量深度可达5300 m。因此，被广泛应用于地质、水文和矿产勘探和开采设计以及工程勘察等领域［4-6］。以甘肃北山芨芨槽花岗岩体的BS15#、BS16#钻孔为例，基于超声波钻孔电视获得的高精度钻孔孔壁图像和岩心结构面编录结果，对深部岩体结构面的特征进行研究并分析其存在的问题。

1 超声波钻孔电视成像原理

超声波钻孔电视是利用超声波对钻孔孔壁进行逐点扫描，然后将返回的声能的强弱变化以光信号的形式显示在屏幕上。其工作原理为：压电陶瓷晶体产生并发射高频超声波束沿探管轴心传播，被高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射聚焦后，穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁，部分超声波经孔壁反射按原路径返回，被压电陶瓷晶体接收（图1）。压电陶瓷晶体记录孔壁反射波的振幅和传播时间并转换成数字信号通过绞车电缆传送到地面主机。同时，三轴磁力仪记录孔壁各扫描点的磁坐标并对孔壁图像进行定向；测斜仪则记录孔壁各扫描点的倾斜坐标并计算钻孔的偏移值以及对所测得的结构面进行角度校正，最终形成反映孔壁特征的孔壁二维展开图像。

图1 超声波钻孔电视探头结构及声波运行路径示意图Fig.1 Structure of sonde and principle of ATV

所介绍的超声波钻孔电视由MGX-II 数据采集系统、4WNA-1000绞车系统和显示系统组成。探头型号为ALT Fac40，可发射频率为1.4 MHz、尺寸为3 mm×3 mm的超声波束，具有很高的分辨率，能分辨隙宽为0.1 mm的结构面；探头内置磁力计精度为5%；最大测量深度为1500 m；适用直径为60～300 mm范围的钻孔。

2 研究区概况

甘肃北山芨芨槽花岗岩体以海西期二长花岗岩为主体，另外，还有一些细粒闪长岩脉、二长花岗岩脉、英云闪长岩脉、伟晶岩脉、长英岩脉、黑云母石英片岩捕掳体等。地表结构面调查及岩心结构面编录结果显示：岩体发育大量节理，结构面充填物以褐铁矿、绿泥石和方解石为主。

BS15#孔孔深为538.26 m，孔内静止水位约90.0 m左右。由于513 m左右存在破碎带将钻孔底部堵塞，钻孔电视实际测量范围为512.18～91.0 m。

BS16#孔孔深为600.22 m，孔内静止水位约66.7 m左右。钻孔电视实际测量范围为595.68～66.85 m。

3 数据采集及图像处理

超声波钻孔电视的数据采集由MSlog软件自动控制，操作简便易行。数据采集模式和频率根据现场情况而定，测量速度保持在0.6～1.0 m·min-1，以保证采集数据的正确率和图像的精度。

图像的处理和解译主要依靠Well CAD软件，该软件可实现：①将超声波振幅值转换成钻孔孔壁二维图像；②利用测得的磁方位值对钻取的岩心定位；③自动插值修补部分缺失的数据；④将二维孔壁图像还原成三维孔壁柱状图；⑤自动计算结构面产状，绘制结构面走向玫瑰花图和倾向极点图；⑥实现结构面视倾角和真倾角转换；⑦进行公式运算，生成新的图柄；⑧实现多种图像格式进行相互转换。

图2 几种典型的超声波钻孔电视实测孔壁图像及其含义Fig.2 Interpretations of typical ATV images

钻孔孔壁二维图像是由传感器从地磁北极开始以顺时针方向对钻孔孔壁进行扫描所形成的孔壁二维平剖图。由于不同物质对超声波的反射能力存在差异，因而孔壁二维图像的颜色深浅变化反映了超声波反射信号的强弱，即反映了岩性和强度的差异性。根据对BS15#、BS16#钻孔图像解译结果与岩心的对照分析，总结出几种常见的典型图像特征及其代表的含义（图2）。①完整、光滑的孔壁：图像色度均匀、明亮；②典型的倾斜结构面：以正弦或余弦曲线的形式出现，图像色度均匀，颜色较深，与其周围完整孔壁的图像形成鲜明反差。倾角较小的结构面，表现为一条近水平的直线；大角度甚至近垂直的结构面则表现为两条近乎平行的垂直线；③结构面密集带：图像上表现为密集交错的正、余弦曲线或者较宽的暗色条带；④孔壁坍塌、掉块以及破碎带：图像颜色很暗；⑤机械扰动导致孔壁破损或噪声干扰：表现为粗细不均匀、形态不规则的深色曲线。

根据上述典型钻孔孔壁图像及其所对应的含义，对钻孔孔壁图像进行解译，其方法是：在孔壁二维图像上建立与其同样大小的新图层，将孔壁二维图像上的正弦/余弦曲线精确描绘在新图层上，形成一张结构面随钻孔深度分布的图像。Well CAD软件可自动计算每个结构面的深度、倾向和倾角值，这些数值可以数字的方式输出，或者以“蝌蚪”符表示，其中“蝌蚪”所在的区间代表结构面倾角，“蝌蚪尾巴”的指向代表结构面倾向，与倾向垂直的方向为结构面走向（图3）。

图3 结构面随深度分布的超声波电视图像Fig.3 ATV image of structural planes distribution with depth

表1 钻孔结构面及结构面密集带/破碎带统计表Table 1 Amount of fractures and intensive fractured zones in borehole

需要说明的是：在结构面密集带/破碎带等孔段，孔壁二维图像上无法有效逐一辨别结构面（图2D、E）。前人在处理类似图像时，采用的方法是尽可能多地绘制结构面，但极易造成结构面数量增加以及产状错误等后果，与实际情况严重不符，影响分析结果。考虑到结构面密集带/破碎带是影响深部岩体工程质量评价、岩体渗透性以及三维地质建模的重要因素，将结构面密集带/破碎带作为独立片段划分并进行统计。在将图像解译的结构面数量和岩心编录的结构面数量进行对比时，必须先去掉这部分岩心段，以保证对比结果的精确性。

4 结构面特征分析

4.1 结构面数量及密度分析

根据孔壁二维图像的解译结果，获得BS15#、BS16#孔深部岩体结构面和结构面密集带/破碎带的数量及分布范围（表1）。由表1可见，BS15#孔的结构面以及结构面密集带/破碎带的数量相对BS16#孔较大，尤其是结构面密集带/破碎带的分布范围很广，说明其岩体完整性要差一些。

以双栓塞钻孔水文试验段为间距统计结构面密度（图4），结果显示：超声波钻孔电视解译获得的结构面密度与岩心编录获得的结构面密度基本一致，总体表现为岩心编录获得的结构面密度大于图像解译获得的结构面密度。分析原因主要有：①深部岩体的一些结构面呈闭合状态，钻探取心后结构面张开，而在钻孔内结构面未受到扰动，超声波钻孔电视不能有效识别这些闭合结构面，这种现象在两个钻孔中表现都很明显；②一些脉体与围岩的胶结程度较差，其接触面较为薄弱，经过钻探或者搬运等机械扰动沿接触面破裂形成新的结构面；③岩体本身的薄弱结构面，如片状结构，很容易破裂形成新的结构面，BS16#孔下部的片麻岩中比较明显。

图4 超声波钻孔电视图像解译与岩心编录的结构面密度对比Fig.4 Comparison of density of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

对于个别试验段超声波钻孔电视解译获得的结构面密度大于岩心编录获得的结构面密度的现象，经过对比分析后发现：这些试验段基本位于结构面密集带或破碎带附近。由于钻探开挖使岩体应力发生改变，结构面密集带或破碎带附近的岩石会随之发生破裂形成新的结构面，从而使结构面密度变大。

4.2 结构面产状分析

以10°倾角为间距分别统计超声波钻孔电视图像解译和岩心编录的结构面倾角分布（图5），结果显示：两种方法的统计结果基本一致。结构面以40°～70°的陡倾角为主。需要说明的是：①图像解译获得的是结构面的真倾角，其精确度远大于岩心编录测量的结构面角度。尤其是倾斜钻孔或者钻孔偏移量很大时，岩心编录的结构面倾角只代表结构面的视倾角；②对于近乎垂直或者断面不平整的结构面而言，图像解译的结构面倾角其精确度会降低。因此，超声波钻孔电视测量系统对缓倾角结构面的统计更具优势。

图5 超声波钻孔电视图像解译与岩心编录的结构面倾角对比Fig.5 Comparison of dip angle of fractures between the results from ATV and geological documentation of drill core

4.3 优势结构面组分析

结构面的特征可以有效反映区域构造应力场的特点，但是地表结构面统计分析结果具有局限性，只代表浅部岩体的结构面特征，因此需要结合深部岩体的结构面特征综合分析。综合现今区域应力场和结构面的特征，可以分析判断区域应力场对结构面的影响，为后续岩体稳定性分析和工程开挖设计等工作提供参考依据。

根据超声波钻孔电视图像解译结果绘制的结构面走向玫瑰花图和倾向极密点图（图6）显示：BS15#钻孔内的优势走向结构面主要有NW290°～310°和 NE20°～30°两组，结构面主要倾向为NE和NW向；BS16#钻孔内的优势走向结构面主要有NW270°～300°一组，其他方向的结构面组并不明显，倾向则主要为近EW和NW向两组。

4.4 结构面隙宽统计

结构面隙宽是结构面的重要特征之一。传统方法可以通过岩心直接测量结构面隙宽，但工作量巨大且精度较低。超声波钻孔电视可以有效解决这些问题，其测量方法是：将超声波钻孔电视孔壁二维图像放大到最大比例尺，将结构面的顶底边准确描绘下来并将其所对应的深度值相减，即可得到结构面的视隙宽（图7中AC），利用结构面的倾角θ即可计算结构面的真隙宽，即，隙宽AB＝AC·cosθ。

图6 结构面走向玫瑰花图和倾向极密点图（吴氏网下半球投影）Fig.6 Rose diagram and polar projection of fractures （Wulf net，lower hemisphere projection）

图7 结构面隙宽测量原理图Fig.7 Measurement principle of structural plane aperture

根据这一原理，统计了BS15#、BS16#孔的结构面隙宽（图8）。由图8可知：BS15#、BS16#孔的结构面隙宽主要集中在1～4 mm范围内；BS15#孔大于5 mm的结构面数量较多，而BS16#孔则相对很少。另外，超声波钻孔电视统计的结构面隙宽要比岩心实际的结构面隙宽大很多，其原因主要有：①这里的“结构面”严格应称为超声波钻孔电视解译“结构面”，区别于地质学中的“结构面”的概念，其意义更加宽泛，包括节理、岩性界面等，相对应的“结构面隙宽”也出现不同的数量级，这就不难理解统计数据中会出现几十毫米隙宽的现象；②正如前面所述及的隙宽计算方法，在进行描绘隙宽时，通常将图像放大到最大比例尺，这无疑会扩大结构面隙宽；③受到机械扰动的影响，结构面上的充填物丢失后，沿结构面两侧会出现小的破碎，尤其是在靠近孔壁内的一侧，这种现象会比较普遍，且破碎程度也严重一些，从而会造成隙宽扩大，这种现象在BS15#孔和BS16#孔的400 m左右的软弱层比较普遍；④一些规模较大的近垂直结构面，其结构面与钻孔相交角度很小，这类结构面很容易被机械扰动。在实践中也证实，规模较大的近垂直结构面，钻孔电视测得的隙宽远大于实际岩心测得的隙宽，而倾角较小的结构面这种情况相对不明显。

图8 BS15#、BS16#结构面隙宽分布图Fig.8 Variation frequency histogram of fracture aperture in BS15#，BS16#

5 结论与讨论

通过在甘肃北山BS15#、BS16#孔中的实践应用表明：超声波钻孔电视可以提供大量的深部岩体结构面特征的定量数据，如结构面的产状、分布和隙宽等。利用这些数据可对钻孔所揭露岩体的完整性、岩体区域稳定性分析、岩体质量分级和处置库开挖设计等方面进行初步定量化分析。超声波钻孔电视可以有效地弥补钻探岩心的部分地质信息缺失，其结果更接近于客观目标的特征。

作为一种地球物理方法，超声波钻孔电视及解译结果具有不确定性和多解性，主要存在的问题有：

（1）超声波可在清水、浓度不大的泥浆以及饱和盐水中正常工作，但在干孔或金属套管内无法工作，其使用范围具有一定限制。

（2）超声波钻孔电视可以有效分辨反射率差异较大的两种介质的接触面，但对于闭合结构面、反射率相近的脉体与围岩以及岩性界面则无法识别，因此超声波钻孔电视图像解译的结构面数量要比岩心编录的结构面数量少。

（3）图像解译具有多解性，尤其在结构面密集带或受机械扰动的区域。可以利用岩心进行对比分析去除错误的解译结果。

（4）超声波钻孔电视测量的结构面产状和断裂带的分布范围只是结构面或断裂带在钻孔范围内的特征参数，并不代表整条结构面或断裂带的特点。对于规模较大的结构面和断裂带，超声波钻孔电视无法获得其在横向范围内的延展长度和宽度。

超声波钻孔电视在地学和其他工程领域研究中取得了良好效果，结合岩心编录和其他相关资料，使岩体质量评价研究真正实现了由地表到地下，由定性到定量的过程，也为地球物理勘探工作提供了可靠的数据资料。

［1］王 驹，陈伟明，苏 锐，等.高放废物地质处置及其若干关键科学问题 ［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（4）:801-812.

［2］张华祝.中国高放废物地质处置：现状和展望［J］.铀矿地质，2004，20（4）:193-195.

［3］易树平，马海毅，郑春苗.放射性废物处置研究进展［J］. 地球学报，2011，32（5）:592-600.

［4］毛吉震.超声波成像钻孔电视及其在岩石工程中的应用［J］. 岩石力学与工程学报，1994，13（3）:247-260.

［5］苏 锐，宗自华，王 驹.高分辨率声波钻孔电视及其在核废物地质处置深部岩体研究中的应用［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（16）:2922-2928.

［6］王川婴，LAW K Tim.钻孔摄像技术的发展与现状［J］．岩石力学和工程学报，2005，24（19）:3440-3448.