一種以自然伽瑪參數為主的綜合煤礦井下測井系統

馬慶勛，李賢志，張澤奇

(1.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安710054; 2.山西中煤華晉能源有限責任公司，山西河津043300; 3.山西中煤華晉能源有限責任公司王家嶺煤礦，山西河津043300)

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一種以自然伽瑪參數為主的綜合煤礦井下測井系統

馬慶勛1，李賢志2，張澤奇3

(1.西安科技大學測繪科學與技術學院，陜西西安710054; 2.山西中煤華晉能源有限責任公司，山西河津043300; 3.山西中煤華晉能源有限責任公司王家嶺煤礦，山西河津043300)

［摘要］由于煤礦的防爆要求、施工空間等條件限制，目前井下測井技術相對滯后。“礦用鉆孔測井分析儀”以自然伽瑪測井技術為核心，同時能夠獲取鉆孔的自然伽瑪、鉆孔高分辨率視頻及全方位井斜測量數據。詳細敘述了該儀器的結構、設計思想、數據分析軟件的自然伽瑪與視頻同步分析巖性的方法，以及巖性分析中存在的曲線異常問題;并且闡述了軟件中如何結合巖性分析與測斜數據，實現巖層真厚計算、自然伽瑪曲線的“砂泥比”曲線區分巖石的力學強度的機理、繪制孔斜剖面圖與孔斜平面圖、繪制鉆孔預測地質剖面圖的方法;指出了該技術的局限性及相關應對措施。

［關鍵詞］自然伽瑪;測井系統;鉆孔視頻;鉆孔測斜

［引用格式］馬慶勛，李賢志，張澤奇.一種以自然伽瑪參數為主的綜合煤礦井下測井系統［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 16－19.

鉆探作為一種必備的技術手段，在煤礦井下廣泛使用，而測井技術則可以驗證與獲取鉆探資料。然而，由于煤礦特殊的防爆要求、有限的施工空間及對儀器功耗的限制，井下鉆孔測井的實用性技術還嚴重滯后。

上世紀80年代中期，匈牙利采礦研究所研制的MINIKAR和德國WBK公司物探所開發的GMB－77防爆測井系統，可測量自然伽瑪(簡稱GR曲線)、井溫、井斜等參數; 2007年中煤科工西安分院進行了“煤礦井下無纜測井系統”的研究，利用選擇伽瑪、自然伽瑪及測斜等參數進行井下無纜測井。這些儀器由于體積較為笨重、操作繁瑣、獲取參數少等原因，至今在國內外未推廣應用［1］。

2013年安徽理工大學研制了“井下仰角鉆孔測井系統”，它采用多探管協同工作，一次可完成軌跡、自然伽瑪、電阻率的測量［2］。該儀器的結構組成相對復雜、采用PC機控制、上位機、網絡總線通訊、多個探頭協同，操作步驟多，且并未看到電阻率試驗效果的文字描述、測量數據誤差大，只適用于上斜孔、干孔，仍然處于試驗階段［3］。

“礦井鉆孔測井分析儀”是一種以自然伽瑪技術為核心測井手段，并針對井下環境要求、煤系地層特點與礦井地質、防治水工作需求，采用新的設計理念與數據分析方法研制的適合井下測井的儀器。該儀器歷經3年多的研制，已通過國家防爆檢測，具備了產品化的條件。

1　技術方案選擇與結構設計

1.1硬件結構

礦井鉆孔測井分析儀的設計目標是:體積小、重量輕、便于攜帶，同時操作簡單、采集信息豐富、分析功能強，滿足日常礦井地質工作的需要。為此，經過多方論證，儀器采用“高分辨率視頻+自然伽瑪+全方位孔斜測量”集成技術的一體化探頭，配合主控機箱的硬件結構設計，如圖1所示。

圖1　儀器結構示意

探頭設計直徑可以控制在26mm，重量不足2kg，適合包括錨索孔在內的井下各類鉆孔探測。探測時將探頭通過電纜與控制箱相連，采用每節1m的推桿將探頭送入鉆孔中。電纜采用直徑不足4mm的多芯電纜，繞線盤放置在控制箱中。控制箱包括液晶屏、控制按鍵、數據通訊接口等，完成儀器的控制操作，還包括通過計量電纜長度獲取測井深度的光電編碼器裝置;包括150m電纜在內的控制箱的總重量控制在不超過12kg，體積控制在長×寬×高: 30mm×30mm×30mm，方便攜帶。

1.2選擇自然伽瑪技術的原因

1.2.1現有測井技術的限制

地面鉆孔通過地球物理測井與測斜是可以準確獲取鉆孔的地質、水文資料。根據《DZ/T 0080－2010煤炭地球物理測井規范》，鉆孔必須具備4種以上的測井曲線相互驗證才能得到可靠的分層結論。這些曲線包括自然伽瑪、人工伽瑪、自然電位、密度、視電阻率、井徑等。由于礦山井下特殊環境要求，實現難度很大。這是由于常規測井中人工伽瑪、自然電位、密度、視電阻率、井徑等對人員、使用等條件要求較高，如人工伽瑪具有放射性，對操作者人體有害，且成本高;自然電位、視電阻率要求鉆孔的孔壁潮濕，在很多情況下難以滿足;井徑、密度測量的裝置相對體積大，操作不便且在分析巖性中作用不大。從單一的便攜式儀器設計考慮，采用測井技術過多，必然導致結構復雜、體積增大，實用性顯著降低，同時難以滿足防爆要求。從供電方面也是不允許的，井下便攜儀器用電池組供電，防爆要求不允許電池容量過大。

GR曲線是地球物理測井中最基礎、最重要的一條曲線。其通過測量巖層的天然放射性來區分巖性，對測井的鉆孔無任何限制條件，技術與理論已經成熟，并且硬件設計可以做到微型化。

1.2.2煤系地層的構成因素

絕大多數沉積巖層，尤其煤系地層主要由砂巖、泥巖組成，并有少量的灰巖、煤層。這些地層的GR曲線有著明顯的異常值特征，可以用來定量分層。GR曲線可以十分有效地區分各種砂巖、泥巖(見圖2)。其局限性是不能區分煤層、砂巖、灰巖，這些地層的GR曲線往往都是低異常。這種情況可以結合視頻予以判層。

圖2　GR曲線區分砂泥巖［6］

2　測井數據分析

通過PC機算法設計，分析軟件可以實現鉆孔巖性分析、厚度計算、鉆孔結構(巖石孔隙、裂隙、出水點、頂板離層等)分析、孔斜剖面與平面軌跡計算、預測地質剖面圖等功能。軟件能夠輸出視頻截圖、鉆孔預測地質剖面圖等5種成果，以圖片或CAD格式輸出，一個鉆孔的分析成果可以在2h內快速完成。

2.1數據下載與預處理

現場采集完成后將PC機與儀器USB口連接，用分析軟件下載數據，同時進行“數據刻度”:鉆孔視頻是連續按幀采集的，深度、自然伽瑪、孔斜測量是按照單位時間(如每秒8個點)采集的。軟件先計算出每個深度點的采集從開始采集數據至該點對應的時間，將該深度數據的時間點與視頻、自然伽瑪、孔斜數據相同時間點進行對應，使這些數據具有對應的深度值，此過程稱“數據刻度”。

2.2 GR曲線與視頻同步分析巖性

2.2.1巖性分析過程

在“數據刻度”基礎上，根據自然伽瑪數據，繪制出GR曲線。如果根據測井曲線或視頻，能夠判斷出巖性，如自然伽瑪為高異常的地層一般為泥巖;視頻中巖層為黑色且有金屬光澤，則一般為煤層，這類情況可直接劃分出地層分界點的位置。

若直接使用GR曲線或視頻不能判斷巖性，可以采用視頻與GR曲線在同一深度處的數據進行同步綜合判斷(稱“自然伽瑪與視頻同步分析法”)。比如在相同深度的自然伽瑪為低異常處的視頻中，如果巖層為黑色、且有金屬光澤，此時可判斷出巖性為煤層;如果視頻中的顏色為淺灰色、灰色、層理發育、具有顆粒感則可判斷該層巖性為砂巖;如果顏色為灰色、孔壁細膩光滑、無明顯顆粒感，則可判斷該層巖性為灰巖。至于其他的砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖等過渡粒度的巖性，同樣可以結合視頻、測井曲線的相對異常值的高低，進行判斷，這樣就基本劃分出了煤系地層的常見巖性。

圖3為GR曲線與視頻同步分析的軟件功能示意圖。同時打開GR曲線和視頻播放器，在GR曲線上設置有一條可以移動的深度指示線，代表當前的測井深度。視頻按照時間順序播放時，該指示線會隨視頻播放的時間移動，這樣用戶即可按照GR曲線特征與視頻的對應關系來分析巖性。

圖3　GR曲線與視頻同步分析法的軟件功能示意

2.2.2鉆孔的穿層角度對曲線影響

井下鉆孔設計時，傾角與煤巖層的夾角很小或者沿煤巖層層位布設。由于自然伽瑪測井采集的是鉆孔孔壁向外30～50mm空間范圍內的放射性粒子的統計數據，因此GR曲線的形態就會受到鉆孔實際當前揭露的巖層附近層位的放射性影響較大。圖4顯示，GR曲線的異常值與常規情況的GR曲線分層位置發生偏移，鉆孔穿越煤層時的曲線也呈現一定的高異常，此時，應當根據曲線的變化與視頻中觀察的分界點來綜合分析，確定巖層分層界面。

圖4　巖層與鉆孔夾角很小時GR曲線異常情況

2.3“砂泥比”分析巖石力學強度

在評價沉積地層時，自然伽瑪測井曲線是一種重要的泥質指示曲線，根據自然伽瑪的數值可以計算巖層中的砂質與泥質含量的比值，用此比值可以繪制出“砂泥比”曲線。該曲線可以反映巖層的相對力學強度，一般來講，砂質含量高，巖層強度大，反之亦然。這對礦井煤層頂底板支護條件是個重要的參考。其計算公式如下:

式中，GR為目的層測井值; GRmin為純地層的測井值; GRmax為泥巖層測井值，API單位; GCUR為希爾奇指數，與地層年代有關，第三系地層，取3.7，老地層取2。

根據圖3中的砂泥比曲線可以看出砂質含量的相對高低，就可以初步判斷巖層的軟硬程度。“煤層”在該曲線上的砂質含量雖然也是高值，不應分析為力學性質強的巖層，即砂泥比對巖層力學強度的定性分析只對砂泥巖、灰巖有效。

2.4其他成果分析

2.4.1巖層厚度計算

前述巖性分析過程，只確定出了巖層的分層位置，巖層的真厚度計算過程為:根據分層位置，對每一個分層對應深度范圍的數據離散值(深度、方位角、傾角)，計算出各鉆孔軌跡離散點的空間坐標;每相鄰兩個坐標點連線為一個線段，結合巖層產狀(走向、傾向和傾角)數據，按照線段與巖層的空間幾何關系，計算出線段穿越的巖層真厚度;對巖層分層中相鄰線段對應的真厚度求和，即近似得出該巖層分層的真厚度。結合巖性分層，按照巖層真厚度繪制鉆孔的巖性柱狀圖。

2.4.2平、剖面軌跡圖、預測地質剖面圖繪制

在計算出鉆孔軌跡各離散點的空間坐標基礎上，利用鉆孔軌跡方位角、傾斜角數據可以計算并繪制出鉆孔剖面軌跡圖、鉆孔平面軌跡圖。已計算出的巖層分層結果，與鉆孔軌跡剖面圖、巖層產狀及前方構造變化情況結合，可繪制鉆孔預測地質剖面圖，步驟為:鉆孔軌跡剖面圖上標出巖層分層點的位置與巖性;按照地層產狀換算出該剖面方向上的視傾角;將分層點按照巖層視傾角繪制出層位，結合構造情況即可繪制出鉆孔的地質預測剖面圖。

通過視頻數據還可以查看鉆孔孔壁巖層的裂隙、孔隙的發育程度、鉆孔套管的完整程度，如果有出水點可以觀察到出水點的特征、出水量的大致情況。

3　技術局限性

礦井鉆孔測井分析已在10多座煤礦進行了日常探放水鉆孔驗證、采空區、斷層、頂板巖層結構、封閉不良鉆孔堵水等多方面應用，取得了良好的效果。同時，發現如下局限:對于少數混水鉆進的下斜孔，視頻數據無法獲取(GR曲線和孔斜數據仍可正常測得) ;上斜鉆孔中有涌水的情況下，如果鉆孔充水，該儀器具備防水性能仍可使用，只是操作條件惡劣，受到水的阻力而致使探頭的推進困難而探測深度會減少;如果鉆孔未充水且涌水量較大，水花的強烈波動影響視頻效果，探測難度也有所加大;對于清水鉆進的下斜孔，由于孔壁沉淀有巖粉，探頭進入后巖粉會隨之漂浮到探頭前，影響視頻拍攝，可以根據巖粉情況調整推進速度;鉆孔放置時間太長會出現塌孔，探測時間應該在鉆孔施工后的1～3d之內;該設備只能進行粗略的巖性判斷，即GR曲線只能判斷碎屑巖巖層的粒度相對分類，而在諸如只用GR曲線異常值來區分粉砂巖與細砂巖時就比較困難。如遇上述情況可以通過結合附近地面勘探鉆孔資料或地質素描，利用層序關系進行綜合對比判層。

4　結束語

煤礦井下測井技術尚且處于萌芽狀態，值得業界去探索。礦井鉆孔測井分析儀雖然有其局限性，但從其集成性、便攜化、易操作的設計理念、視頻與GR曲線同步巖性分析方法，以及“砂泥比”曲線理論在礦井地質中的應用、成果的豐富性等方面都有所創新，是一種綜合、高效、定量化的地質防探水手段。

［參考文獻］

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［責任編輯:施紅霞］

Comprehensive Underground Logging System Dominated by Natural Gamma Parameters

MA Qing-xun1，LI Xian-zhi2，ZHANG Ze-qi3

(1.Survey Science＆Technology School，Xi＇an University of Science＆Technology，Xi’an 710054，China;
2.Geology Surveying Department，Shanxi Zhongmei Huajin Energy Co.，Ltd.，Hejin 043300，China;
3.Wangjialing Colliery，Shanxi Zhongmei Huajin Energy Co.，Ltd.，Hejin 043000，China)

Abstract:At present，restricted by anti-explosion requirement and construction space condition，underground logging technology is relatively outmoded.Applying natural gamma logging technology，mine borehole logging equipment could simultaneously obtain natural gamma，borehole high resolution video and comprehensive deviation measurement data.This paper introduced the equipment＇s structure，design idea，method of simultaneously analyzing lithology with natural gamma and video in data analysis software，and curve exception problem in lithology analysis.By combining lithology analysis and surveying data，it also introduced how to realize strata true thickness calculation，distinguish rock strength with " sand-to-mud" curve，plot hole deviation profile and plan figure and plot geological profile plot with borehole data.Limitation of this technology and corresponding countermeasures was pointed out.

Keywords:natural gamma; logging system; bore-hole video; borehole survey

［作者簡介］馬慶勛(1968－)，男，河北永年人，博士，副教授，主要研究方向為礦井地質防治水及地質儀器研發。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.005

［收稿日期］2014－08－18

［中圖分類號］TD718

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0016-04