綜合鉆孔測井技術在井下鉆探工程的應用

魏樹群，武 劍

（山西冀中能源集團礦業有限責任公司，山西 太原 030032）

1 概 況

煤礦井下鉆孔測井技術是一種超越傳統測井技術范疇的礦山井下鉆探定量化綜合分析方法，是被國家煤監局列入煤礦安全生產先進適用技術，對井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、頂板管理等領域災害防治有著顯著的社會意義，已被神華集團、陜煤集團、焦煤集團等大型煤炭企業列入鉆探施工的必備條件，是鉆探成果分析可靠性的重要保障。

井下鉆探工程是煤礦井下防治水工作的主要技術手段之一，山西冀中所屬5 對礦井2019 年鉆探進尺13 萬余米，2020 年計劃已達到16 萬余米，因此，采用井下綜合鉆孔測井分析技術提高鉆探的精度和準度，減少“廢孔”“無效孔”，解決井下鉆孔“打不準，探不清”的問題，既有安全效益又有經濟效益。

通過在各礦的試驗可以看出，礦井鉆孔測井分析儀針對礦山井下鉆探的特殊性，缺乏測井技術的現狀，通過測井技術與數據分析方法的研發、微型化高度集成多源數據采集技術的研制、測井工藝方法的創新性突破，實現了一種適宜于礦山井下鉆探的綜合測井與數據分析儀器。

井下綜合鉆孔測井技術為煤礦提供了一種綜合的、定量化的、高效準確的測量手段，適用于井下各類常見鉆孔的測井與數據分析，能有效解決采空區探測、構造與陷落柱探測、探放水超前鉆探效果驗證、煤層變薄與殲滅區、頂板巖層結構、頂板“三帶”、礦壓關鍵層結構、瓦斯孔抽放效果分析等多種技術難題，是一種很好的煤礦地質保障技術。

2 測井分析的原理和方法

2.1 礦井鉆孔測井分析儀

YCJ90/360 型“礦井鉆孔測井分析儀”總體結構由探頭、控制箱、數據傳輸模塊、分析軟件、專用探頭推桿5 部分構成，探頭由視頻采集模塊、自然伽瑪模塊、孔斜測量模塊構成。在井下現場一次可以采集高分辨率視頻、自然伽瑪數據、孔斜方位角與傾斜角數據。探頭與控制箱采用有纜傳輸方式進行通信。

配套的數據處理與分析軟件，通過算法設計，首先繪制出GR 曲線，結合實現視頻數據與自然伽瑪數據同步分析（對照同一深度段的GR 曲線與視頻），進行巖性劃分，這樣可以彌補單一曲線在解釋地層巖性方面的缺陷。在地面通過分析軟件可以實現數據下載，進而對鉆孔孔斜計算、定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁結構特征（包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙、出水點特征、頂板離層情況及斷層等）。

2.2 測井分析工作流程

測井分析工作流程如圖1 所示。

圖1 測井分析工作流程示意Fig.1 Logging analysis workflow

3 測井技術方法的特點和創新

該技術創新性與先進性體現在，在數據采集技術方面，該技術采用了多源數據采集技術的微型化高度集成方案，可以一次性高效獲取井下鉆孔的高分辨率視頻、自然伽馬（簡稱GR）、軌跡（方位、傾斜）、孔深數據；工藝方面，采用有纜測井，自主設計的輕質高強度推桿來推送儀器探頭，能夠滿足各種傾斜角度的井下鉆孔長距離探測需要；在數據分析方法方面，實現了以“視頻與自然伽馬同步分析”專利方法為核心的數據處理系統，解決了煤系地層巖性分層問題。軟件還能夠完成鉆孔柱狀圖、鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、鉆孔地質剖面圖等圖件繪制與自動生成，通過視頻數據可以查看分析鉆孔結構、巖層裂隙、離層、出水點層位等信息。它可以適用于直徑≥32 mm 的錨索孔、地質孔、水文孔、瓦斯孔等各類井下鉆孔測井，為井下鉆探成果的分析提供高效、可靠的技術手段，并且為礦井安全生產隱患的查明提供了新的技術保障。該技術具有海量數據采集、便攜易用、軟件數據分析成果豐富可靠、工藝先進、適用性廣泛等特點。

3.1 工作站級別的礦山井下鉆孔綜合測井適用性技術

該技術將GR、視頻、軌跡測量、孔深測量集成，突破了井下鉆孔測井儀器設計、工藝方法、防爆性能、數據對比分析方法等方面的各類瓶頸限制，實現了工作站級別的綜合測井技術。

3.2 一種超越傳統測井技術范疇的礦山井下鉆探定量化綜合分析方法

該技術不僅實現了一種高效的鉆孔信息綜合采集手段，而且由于該技術所提供的數據分析方法，能夠將鉆孔視頻、巖性判別（視頻與自然伽瑪同步）、鉆孔孔斜（傾斜角、方位角）、鉆孔孔深4 種數據源的海量信息進行綜合分析，定量判斷鉆孔的孔內現象（如裂隙發育、出水點、離層、孔徑變化等）、巖層層位、三維空間姿態和終孔位置，并繪制或自動生成鉆孔巖性柱狀圖、鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、地質剖面原型等，可以滿足多重技術與安全問題的解決，已經遠遠超越了傳統地面測井用于查明地質層位和部分水文地質參數的范疇。因此，可以稱該儀器是一種新的礦山井下鉆探定量化綜合分析儀器。

4 應用實例

該方法可廣泛應用于地質、防治水、頂板支護、礦壓防治、瓦斯抽放等領域井下鉆孔的測井與數據分析，用于解決采空區探測、構造與陷落柱探測、探放水超前鉆探效果驗證、煤層變薄與殲滅區、頂板巖層結構、頂板“三帶”、礦壓關鍵層結構、瓦斯孔抽放效果分析等多種技術難題。

山西冀中榮泰煤業是公司的經濟效益支柱礦井，由于風氧化帶邊界向井田內偏移，主采10 號煤層儲量比初設中減少，為保證礦井的服務年限，決定自主在井下補勘找煤。此次補勘共設計鉆孔21 個，其中上組煤鉆孔18 個，下組煤鉆孔3 個。在108 材料巷對2 號、補13 號、補14 號三個孔進行了測井（以補13 號為例）。

典型視頻截圖如圖1~圖4 所示。

圖1 補13 號孔，10.5 m 見煤線Fig.1 No.13 drilling 10.5 m with coal

圖2 補13 號孔，15 m孔壁破碎，裂隙發育Fig.2 No.13 drilling 15 m drilling wall broken with fracture development

圖3 補13 號孔，30.8 m見煤Fig.3 No.13 drilling 30.8 m with coal

圖4 補13 號孔，48.7 m 孔內大量淤泥Fig.4 No.13 drilling 48.7 m with mud

鉆孔視頻柱狀圖如圖5 所示。

圖5 鉆孔視頻柱狀圖Fig.5 Histogram of drilling video

鉆孔垂向孔斜如圖6 所示。

圖6 鉆孔軌跡剖面Fig.6 Borehole track profile

鉆孔平面孔斜如圖7 所示。

圖7 鉆孔軌跡平面Fig.7 Borehole trajectory plane

鉆孔分析柱狀圖如圖8 所示。

圖8 鉆孔分析柱狀圖Fig.8 Column chart of borehole analysis

5 推廣應用前景

（1） 社會效益。測井技術是勘探成果分析的重要保障，隨著井下鉆探其目的更加多樣化，測井工作更具重要性。長期以來由于測井技術本身限制、井下鉆孔條件的特殊性，煤礦井下缺乏適用性的綜合測井技術。該項目技術提供一種構思新穎、綜合性強、高效易用的井下鉆孔測井與數據分析手段。它的應用推廣，有利于促進測井技術在礦山井下領域的發展，對推動礦井地質的技術進步有著重要的現實意義。

（2） 間接經濟效益。通過該技術進行鉆探測井能夠解決采空區、斷層、陷落柱等探測中的關鍵地質層位分析等問題；通過對錨索鉆孔、頂板孔的探測，為頂板支護設計、頂板“三帶”問題提供有效的技術依據；通過對瓦斯抽放孔的孔內裂隙、鉆孔軌跡的探測，為瓦斯治理效果提供依據；通過對巖層結構“關鍵層”結構的精準探測，為強礦壓（沖擊地壓） 能量聚集區的分析與治理提供依據。

6 結 論

（1） 隨著技術的推廣，越來越多的礦井、技術主管部門認識到該技術的實用性與開展井下鉆孔測井工作的重要性，由于鉆探工程幾乎成為所有的煤礦必備手段，該技術具有廣泛適用性，以及地質條件日趨復雜與安全生產形勢的緊迫性，礦山井下鉆探成果分析的可靠性日益得到重視，具有重要的推廣應用價值。

（2） 通過查明各類井下鉆探成果，可以顯著提高礦井的抗災能力，對井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、頂板管理等領域災害防治有著顯著的社會意義和經濟意義。