钻孔成像技术自20世纪50年代被引入测井领域以来,随着科技的进步不断发展,从早期的模拟式钻孔照相系统,到侧视旋转式钻孔电视、全景式孔内彩色电视,一直发展到现在的数字式全景钻孔摄像技术。钻孔摄像技术的上述四个发展阶段的探测装置及其功能特点如表9-1所列。

表9-1 不同发展阶段钻孔摄像技术的功能特点

最早用于工程地质调查的钻孔照相技术的关键部件是照相探头,它由微型照相机、光源、可旋转平面反光镜、透明玻璃窗、磁性罗盘、探头壳体等组成。完成整个钻孔拍照后,须取出微型照相机中的胶片冲洗成照片。由于受到当时技术水平的限制,钻孔照相存在着不能实时监视孔内情况、可靠性低、精度差等弊端,但是其基本思想和方法为钻孔摄像技术的发展奠定了基础。20世纪70年代末出现了数字式全景钻孔照相系统。该系统首次引入了全景钻孔图像的概念,即通过某种光学变换将钻孔孔壁的360°图像变换为包含有三维信息的平面图像,并且通过引入截头的锥面反射镜实现全景钻孔图像。

20世纪60～70年代诞生的钻孔摄像技术(亦称为钻孔电视),分为钻孔黑白电视和钻孔彩色电视。其中钻孔彩色电视至今仍在部分单位使用。由于采用光电导摄像管和分体元件,早期的钻孔电视,探头外径普遍较大,整个系统比较笨重,测试精度也较低。在固体摄像器件和大规模集成电路出现以后,钻孔电视有了较大的进步,而且从单一功能向多功能方面发展。目前,国际上最具代表性的光学数字钻孔摄像系统有两种:数字光学电视(OPTV和OBI-40)和数字全景钻孔摄像系统(DPBCS)。

数字光学电视(图9-2;表9-2)使用光学成像系统,可连续观察360°孔壁,获得孔内构造的倾角、走向、倾向特征,在某种程度上可以代替钻孔取心。光学钻孔成像系统(表9-3)通过三轴磁力计和加速计系统来计算钻孔倾斜角度,可以生成任意方向的虚拟岩心图,适用于干孔和清水孔中。

图9-2 OPTV结果图像

表9-2 OPTV系统参数

中科院武汉岩土力学研究所研制的数字式全景钻孔摄像系统(图9-3,图9-4)以固定不变的锥面镜作为反射镜,透过观测窗将一小段孔壁反射给探头中的CCD摄像机,以变换摄像光路的方式同时拍摄360°孔壁。孔壁柱面图像经锥面镜反射后变换成平面圆环形图像,叠加深度和罗盘指针后成为全景图像。图9-5为典型平面展开图和对应的4张三维岩心图。

表9-3 OBI-40光学钻孔成像系统特征

图9-3 成像原理图

图9-4 全景图像

图9-5 钻孔孔壁的平面展开图和对应的4张虚拟岩心图