基于反正切法的定向钻孔雷达三维成像算法

作为探地雷达的一种特殊方式,定向钻孔雷达系统除了能够探测地下目标的深度和径向距离外,还能够对钻孔四周目标进行方位识别,进而利用所求方位进行三维成像。本文所研究的定向钻孔雷达包含一个发射天线和4个接收天线,4个接收天线等角度分布在垂直于井轴的圆环上。基于4个接收天线所接收到的四个信号的微弱不同,提出利用反正切法计算目标方位角,再利用方位角和各道信号组合计算井周地层纵横切片的算法,最终实现钻孔雷达三维成像算法。利用数值模拟结果检验了算法的正确性。     

3D定向钻孔雷达系统及应用

3D 定向钻孔雷达系统能够对钻孔四周进行高精度三维成像,在单个钻孔中即可完成目标体距离、方位的探测,相对2D钻孔雷达具有探测精度高、速度快、深度大的优点.笔者对3D 定向钻孔雷达系统的工作和成像原理、技术规格进行了详细说明,并结合现场数据说明了其实际应用效果.     

钻孔雷达探测地下裂缝

钻孔雷达是地质雷达的一种特殊模式,与通常的地质雷达比起来,有几个显著的特点。比如,利用钻孔接近地下的某个区域,天线可以相对接近所要测量的地质异常体或目标,从而导致在较深的范围对目标的精确测量。实验场地位于北京西部的一个石灰岩的小山上。该处有一组钻孔,并被大量的裂缝所切割。在这些钻孔中,进行了单孔反射测量和跨孔测量。测量的数据经过处理和解释表明,在该场地雷达的径向探测范围可达30 m,地下裂缝的分布可以形成清晰的图像。可以看到很多裂缝,它们距钻孔的距离及倾角都可以确定下来。在有些情况下,确定裂缝分布的方位是可能的。     

油气井雷达成像测井仪改进及试验

传统的测井仪器探测深度基本在3 m以内, 大多也没有方位分辨能力, 无法实现油气井周围较大范围地层结构与构造的成像, 故不能解决隐蔽构造与油气储层的探测问题。针对上述问题, 将地表地质雷达成像技术移植到测井中, 研发了雷达成像测井仪。为提高雷达成像测井仪探测深度、方位分辨率和下井深度, 采用纳秒脉冲源与定向接收天线对井周地层进行探测和成像, 在增大探测距离的同时, 兼顾了分辨率; 采用磁环和光耦对脉冲板做隔离, 有效地压制了噪声; 通过在电路外增加保温瓶和优选耐高温元器件提高了仪器的耐高温性能; 最后利用模型井对仪器进行了测试和标定, 并在3口油井中进行了现场应用。改进后的雷达成像测井仪下井深度可达6 000 m, 最大探测深度可达12 m, 能够对井周5 m以外孔洞、裂缝进行定位和成像, 大大地拓宽了测井技术的横向预测能力。测试与应用结果表明:该仪器能够耐受油井下的高温高压环境, 探测深度大且分辨率高, 对钻孔周围地层界面、裂缝和孔洞构造成像效果较好。      

点状不良地质体钻孔雷达响应特征的形状效应正演分析

针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内不同形状和不同埋深的目标地质体进行了雷达响应正演模型研究,并分析了这些模型的实际分辨能力和应用条件。结果表明,对于不同的探测任务,应根据感兴趣目标体的几何尺寸、分辨率要求等来选择合适的天线频率;不同几何形状的点状不良地质体所呈现的雷达剖面形式各异,且雷达反射信号强弱也不同;同一频率天线其探测分辨能力随空洞埋藏深度而变化,同一埋深下,天线频率越高,高度分辨能力效果越好。研究结果可为钻孔雷达用于岩体工程勘察、灾害隐患探测提供模拟图像认知和数据判读支持     

随钻方位电磁波电阻率成像模拟及应用

随钻方位电磁波电阻率成像资料在地质导向中起着至关重要的作用。利用三维有限差分数值模拟方法计算随钻电阻率仪器激发的电磁场随仪器方位变化的规律,分析实现方位电阻率测量以及成像的原理及方法。数值模拟结果表明：在常规随钻电磁波仪器的基础上,增加倾斜或横向接收(发射)天线,可以实现地层方位的预测和判断,同时方位电磁波电阻率成像结果受相对井斜角、地层电导率对比以及地层地质构造的影响;利用方位电阻率成像以及定向信号成像结果可以预测和判断层界面、地层方位特征以及各向异性地层走向;幅度比电阻率成像效果优于相位差电阻率成像;在均匀各向异性介质中,线圈距和工作频率越大,视电阻率受垂向电阻率影响越大;线圈距越大,定向幅度信号越强,能预测的层界面的距离越大。     

时域有限差分法(FDTD)模拟探地雷达极化测量

由于探地雷达偶极天线具有电磁极化特性,其发射天线主要发射沿着天线长轴方向的线性极化波,而接收天线对这种极化方向的电磁波也最灵敏。因此,在对混凝土中钢筋、电缆等目标体进行检测时,利用天线的极化特性可以了解目标体的延伸。时域有限差分法是麦克斯韦方程的直接时域法,其计算简单、直观、灵活性强、计算精度高、动态范围大。利用时域有限差分法(FDTD)对地质雷达极化测量进行了正演模拟,取得了很好的效果。     

金属矿钻孔雷达探测的数值模拟

为了研究钻孔雷达对金属矿的响应特征,利用时域有限差分法（FDTD）对钻孔雷达探测进行了数值模拟。通过对不同形态的金属矿体,包括等球状体、板状体和一个实际矿体的模拟,得到大量模拟结果。球状目标体在剖面上表现为双曲线形态,通过偏移处理可以精确确定目标体的位置。板状矿体被钻孔穿过时,直达波位置发生错动并变弱,反射同相轴向上下延伸;板状矿体未被钻孔穿过时,反射同相轴呈线状。对于实际矿体,不同的钻孔表现出不同的特征,结合左、中、右3个钻孔的探测结果可以判断出目标体的形态,并且可以判断出此目标矿体具有低阻、高介电常数的特性。     

地下障碍物雷达定位探测的技术应用

探地雷达以其高分辨率准确确定地下障碍物方面发挥了显作用，主要阐述了地质雷达定位探测的方法原理，通过实例讨论了雷达定位探测的分辨率及深度问题，论述了天线中心频率、测量点距及天线间距的选取技术，并成功的应用于确定桩位下方的孤石体、局部软弱夹层、管线位置，经开挖及打桩验证，雷达定位探测的准确率很高。     

点状不良地质体钻孔雷达响应特征 ——围岩及充填效应正演分析

钻孔地质雷达探测是一种有效获取高分辨率深部岩体信息的井中地球物理方法。针对钻孔地质雷达探测工作中常见的空洞、岩溶和地下埋藏物等点状不良地质体,利用时域有限差分数值模拟方法,对岩土体内点状不良地质体围岩介质和充填状况进行了雷达响应正演研究,分析了这些点状不良地质体围岩介质和充填状况对钻孔地质雷达反射信号的影响。研究结果表明,围岩与空洞内充填物的相对介电常数相对值,决定着雷达反射剖面信号的强弱对比,介电常数相对值较大时,更易确定目标地质体的前、后部界面位置,而低阻围岩的雷达波信号大部分被围岩介质吸收,通过单孔反射方法几乎不可能探测到空洞的存在。通过反射信号强度和正负相反射特性及其强弱变化,可以定性地判断空洞内填充物质的性质。     

基于钻孔数据的三维地层建模关键技术

在基于钻孔数据进行三维地层建模方法中,钻孔样本间地层层序不一致导致建模时难以确定各地层的拓扑关系,快速准确地确定各地层层序和充分利用钻孔数据是建模的关键难点之一。拟通过综合考虑区域内所有钻孔数据,基于地质解释方法理论,以地层出现次数频率高原则进行全自动确定地层层序。首次引入子钻孔递归思想,利用表面建模方法,自下而上逐层创建三维地层模型,可确保钻孔数据不丢失且准确地应用于地层建模中,并能适应地层尖灭、地层超覆、透镜体等复杂地质构造。该方法地学意义明确,具有鲁棒性好、运行效率高及可操作性强等特点,算法已在同济曙光软件中实现,并已在多个实际地质建模工程中得到了验证。研究结果表明,该算法能充分利用已有钻孔信息,建模过程全自动完成,对复杂地层建模亦具有较强的适应性。     

基于钻孔雷达的透明工作面构建方法

煤岩界面的高精度探测是构建智能开采三维地质模型的关键难点。提出利用煤矿井下顺层孔实施单孔反射雷达,联合多孔探测结果构建区域煤岩界面地质模型实现透明工作面的方法。对单孔雷达数据,利用巷道波同相轴斜率计算煤层雷达波速度,采用空间约束偏移成像实现煤层顶/底板反射界面精准归位。形成3种匹配实际开采的透明工作面构建模式:回采前长钻孔模式、回采中短钻孔模式和联合模式。在山西某矿31004工作面对回采中短钻孔模式进行试验性应用,基于钻孔雷达构建的工作面地质模型与原始地质模型相比,局部信息刻画更精细,顶、底界面及煤厚与实际数据误差分别小于0.57、0.54、0.30 m。结果表明:钻孔雷达能高精度探测煤厚与顶、底界面,可实现透明工作面的构建。      

基于钻孔数据的地层三维建模与可视化研究

地质体三维建模是地学信息系统核心课题之一,对现有建模方法进行分析,结合地层特点,提出首先引入虚拟钻孔,利用Kriging插值方法建立地层三维模型;其次把虚拟钻孔参数的调试结果及专家知识等资料在建模流程中予以充分体现,从而建立相对精确的三维地层模型;最后基于本文建模方法开发了一个三维地层模型,并用实际资料进行了验证,能有效满足工程需求。     

基于体素模型的三维显示技术

针对矿产资源勘探数据的特点,研究了适合地质体信息三维可视化的体绘制模型和空间插值算法。基于IDL软件平台,开发了三维数据可视化软件;该软件能够快速、准确地将地质体的物性特征展示出来。最后,以内蒙古某金属矿床钻孔资料为例,对建立的三维可视化方法技术进行了应用检验,取得了较好的应用效果。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

地质勘探中钻孔雷达的天线性能及系统实验分析

概述了钻孔雷达的主要应用领域和在探测地下孔洞、地下裂缝等方面的优势, 并介绍了相关技术在国内外的发展现状, 同时对钻孔雷达天线设计的难点和特殊性进行了说明。文中介绍了天线的自行设计实例, 同时用实验中测量的驻波比VSWR等参数分析了天线的匹配特性, 并构建了三维天线模型, 将设计实例中的天线基于时域有限差分法对其方向性能进行仿真, 其方向性优于标准值。在设计的水槽实验中测试本天线架构的钻孔雷达系统, 获得了满意的测量数据。分析检验了整个系统和天线的工作状况, 实验表明天线主要性能满足设计和工程应用要求, 可应用于实际勘探; 并对采用本天线的钻孔雷达系统的探测能力和应用前景进行了评估, 钻孔雷达系统在花岗岩、石灰岩等岩层中的探测距离可到几十米至100 m。