钻孔电视成像在武汉地铁岩溶勘察中的应用

彭 耀, 樊永生, 徐联泽, 刘基强, 董艳平

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

钻孔电视成像是一种新型的、直观的、数字化的测井技术手段,能够准确地反映地下岩层的原始状态[1]。主要用于观测了解岩体完整性,岩溶、裂隙发育情况,充填情况,地下水含水层位置,分析确定岩层产状等[2]。对于工程地质问题,特别是文中涉及的武汉地铁岩溶勘察所面临的工程地质条件复杂,岩层变化大,钻孔电视成像可以直接、清晰地观看钻孔内套管、地层、岩性、结构和构造以及岩溶、裂隙中出水的地质现象。同时,可以通过生成三维钻孔柱状图获取最直接的地质地层特征。

1 工作原理

钻孔电视成像仪主要由电脑、主机、高清摄像探头、计数器、连接线及绞车组成,方位通过电子罗盘校准,深度通过计数器控制(图1)。

图1 工作原理图Fig.1 The diagram of working principle

利用电缆把探头下入井内,探头在后置光源的照射下进行信号采集,将信号进行光电转换,通过电缆传送回主机,然后通过蓝牙传送至平板电脑显示屏。探头准确的把探测到的图像实时地显示在显示屏上,是钻孔电视成像测井的关键技术,计数器通过滑轮的转数实现对深度的测量。

2 解译技术

钻孔电视的解译主要根据解析几何的原理来实现,前人已做过比较详尽的说明[3]。主要包括如下内容:

将柱状图按N→E→S→W→N(定义成x方向)展开成平面图(图2),可按三点法(如正弦曲线的波峰点A,中间点B,波谷点C)或者两点法(正弦曲线的波峰点A,波谷点C)来确定结构面的产状信息。

图2 结构面产状展开Fig.2 Unfold of structure plane orientation

图3 钻孔电视结果图及三维钻孔柱状图Fig.3 The results of borehole TV and 3-d drilling histogram

式中:x1为结构面迹线最低点的x坐标;r为钻孔半径;α为结构面的倾向(弧度);Δh为最高点与最低点的高差;β为结构面的倾角(弧度);C为孔壁周长;d为结构面的厚度;d0为结构面在孔壁上的出露厚度。

3 工程实践

在武汉地铁岩溶专项勘察中,确定岩层的产状对于研究岩溶的发育特征意义重大,探明局部小构造、软弱夹层等有益于指导工程实践,发现岩溶及裂隙的发育特征有助于地下水活动规律的研究。

数据采集过程中,探头架设在套管中心,注意对孔口计数零点的校准,探头匀速下放。探头直径较大,测井过程中注意观察岩壁及孔内情况,防止因垮孔导致探头卡塞。

使用处理软件对图像进行无缝拼接、结构面及深度的拾取,结合钻孔及区域地质资料进行资料解译。同时,可以生成三维钻孔柱状图,结合岩芯细化分层、精确化划分薄层位置,为地质工作提供技术支撑。

通过对比图3和图4可以发现,钻孔电视结果与钻孔岩芯照片深度及内容对应良好,二者均能较好地反映岩层的深度、岩性、溶蚀发育情况等信息。但是钻孔取样过程中,岩芯的原状信息,例如产状、裂缝宽度

等遭到破坏,特别是薄层状软弱夹层,而钻孔电视成像能够精确、直观地测量出岩石产状和层厚。

钻探过程中,当遇到构造破碎带、溶洞等情况时,会出现缺少岩芯,对溶洞顶底板的判断不够准确。钻孔电视成像则通过直观地观察,来确定构造破碎带、溶洞等不良地质情况的深度范围、宽度、规模等信息。

在岩体极破碎、泥灰岩夹层等情况下,会出现取芯率低,芯样以块状为主、个别短柱状,无法对岩层信息做出合理的判断。钻孔电视成像能够准确地判定破碎带及泥灰岩的埋深、规模等信息。

图4 钻孔岩芯照片Fig.4 The photographs of borehole cores

表1 信息解译成果表Table 1 The interpretation results

孔号异常解译孔径/cm高程范围/m倾向/(°)倾角/(°)其他说明1层面9．1033．12～33．69NE6481．1233．10m处推测有一处正断层发育2泥灰岩夹层9．1040．10～40．84///3薄层状炭质灰岩夹层9．1047．00～47．51NE2881．904溶蚀发育，泥质填充9．1044．21～44．95//岩体破碎，方解石脉填充5层面，溶隙发育11．0035．90～36．36NE4978．15隙长4．40cm，宽2．30cm，无充填6岩性交界面9．1028．12～28．18SE12231．6028．10m上为深灰色中厚层状灰岩，下为褐红夹褐黄色泥灰岩、泥岩7砾岩11．0028．00～29．00//粒径5～35mm，局部40～80mm，最大达210mm；磨圆度较差，呈次棱角—棱角状，分选差，局部富集；岩体完整

4 结论与建议

利用钻孔电视成像,可以对岩体完整性,岩溶、裂隙发育情况,充填情况,地下水含水层位置,岩层产状等进行分析和计算,进一步将地质分层精细化、对微地质构造进行识别、科学测量倾向倾角,从而为地质工作提供科学可靠的依据。

当地质构造复杂时,取芯率低使得地质特征不能很好地得到反映,钻孔电视可以弥补取芯不足的特点,并且其经济实惠,可以在地铁岩溶勘察中发挥重要作用。

钻孔电视对成孔条件要求较高,现阶段主要应用于岩体完整性较好的钻孔,且基岩面以上需要用套管进行隔离。大溶洞可能会导致探头偏离钻孔方向,覆盖层存在垮孔的风险。

随着科技的发展及人们对于地质信息的高精度要求,钻孔电视成像越来越受到广大地质工作者的青睐,被广泛地用于矿井处理、土木工程、水文施工等领域,为设计和施工提供科学的参考依据。

[1] 袁晓彬,王传宝.井下电视测井技术在水利水电工程中的运用[J].中国水运,2009,9(2):150-151.

[2] 樊永生,张艳涛.武汉地铁岩溶勘察主要方法及重难点分析[J].资源环境与工程,2017,31(1):60-65.

[3] 李攀峰.基于钻孔电视的岩体结构信息解译[J].四川水利,2008,29(4):75-77.