一种以自然伽玛参数为主的综合煤矿井下测井系统

马庆勋，李贤志，张泽奇

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安710054; 2.山西中煤华晋能源有限责任公司，山西河津043300; 3.山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿，山西河津043300)



一种以自然伽玛参数为主的综合煤矿井下测井系统

马庆勋1，李贤志2，张泽奇3

(1.西安科技大学测绘科学与技术学院，陕西西安710054; 2.山西中煤华晋能源有限责任公司，山西河津043300; 3.山西中煤华晋能源有限责任公司王家岭煤矿，山西河津043300)

［摘要］由于煤矿的防爆要求、施工空间等条件限制，目前井下测井技术相对滞后。“矿用钻孔测井分析仪”以自然伽玛测井技术为核心，同时能够获取钻孔的自然伽玛、钻孔高分辨率视频及全方位井斜测量数据。详细叙述了该仪器的结构、设计思想、数据分析软件的自然伽玛与视频同步分析岩性的方法，以及岩性分析中存在的曲线异常问题;并且阐述了软件中如何结合岩性分析与测斜数据，实现岩层真厚计算、自然伽玛曲线的“砂泥比”曲线区分岩石的力学强度的机理、绘制孔斜剖面图与孔斜平面图、绘制钻孔预测地质剖面图的方法;指出了该技术的局限性及相关应对措施。

［关键词］自然伽玛;测井系统;钻孔视频;钻孔测斜

［引用格式］马庆勋，李贤志，张泽奇.一种以自然伽玛参数为主的综合煤矿井下测井系统［J］.煤矿开采，2015，20 (2) : 16－19.

钻探作为一种必备的技术手段，在煤矿井下广泛使用，而测井技术则可以验证与获取钻探资料。然而，由于煤矿特殊的防爆要求、有限的施工空间及对仪器功耗的限制，井下钻孔测井的实用性技术还严重滞后。

上世纪80年代中期，匈牙利采矿研究所研制的MINIKAR和德国WBK公司物探所开发的GMB－77防爆测井系统，可测量自然伽玛(简称GR曲线)、井温、井斜等参数; 2007年中煤科工西安分院进行了“煤矿井下无缆测井系统”的研究，利用选择伽玛、自然伽玛及测斜等参数进行井下无缆测井。这些仪器由于体积较为笨重、操作繁琐、获取参数少等原因，至今在国内外未推广应用［1］。

2013年安徽理工大学研制了“井下仰角钻孔测井系统”，它采用多探管协同工作，一次可完成轨迹、自然伽玛、电阻率的测量［2］。该仪器的结构组成相对复杂、采用PC机控制、上位机、网络总线通讯、多个探头协同，操作步骤多，且并未看到电阻率试验效果的文字描述、测量数据误差大，只适用于上斜孔、干孔，仍然处于试验阶段［3］。

“矿井钻孔测井分析仪”是一种以自然伽玛技术为核心测井手段，并针对井下环境要求、煤系地层特点与矿井地质、防治水工作需求，采用新的设计理念与数据分析方法研制的适合井下测井的仪器。该仪器历经3年多的研制，已通过国家防爆检测，具备了产品化的条件。

1　技术方案选择与结构设计

1.1硬件结构

矿井钻孔测井分析仪的设计目标是:体积小、重量轻、便于携带，同时操作简单、采集信息丰富、分析功能强，满足日常矿井地质工作的需要。为此，经过多方论证，仪器采用“高分辨率视频+自然伽玛+全方位孔斜测量”集成技术的一体化探头，配合主控机箱的硬件结构设计，如图1所示。

图1　仪器结构示意

探头设计直径可以控制在26mm，重量不足2kg，适合包括锚索孔在内的井下各类钻孔探测。探测时将探头通过电缆与控制箱相连，采用每节1m的推杆将探头送入钻孔中。电缆采用直径不足4mm的多芯电缆，绕线盘放置在控制箱中。控制箱包括液晶屏、控制按键、数据通讯接口等，完成仪器的控制操作，还包括通过计量电缆长度获取测井深度的光电编码器装置;包括150m电缆在内的控制箱的总重量控制在不超过12kg，体积控制在长×宽×高: 30mm×30mm×30mm，方便携带。

1.2选择自然伽玛技术的原因

1.2.1现有测井技术的限制

地面钻孔通过地球物理测井与测斜是可以准确获取钻孔的地质、水文资料。根据《DZ/T 0080－2010煤炭地球物理测井规范》，钻孔必须具备4种以上的测井曲线相互验证才能得到可靠的分层结论。这些曲线包括自然伽玛、人工伽玛、自然电位、密度、视电阻率、井径等。由于矿山井下特殊环境要求，实现难度很大。这是由于常规测井中人工伽玛、自然电位、密度、视电阻率、井径等对人员、使用等条件要求较高，如人工伽玛具有放射性，对操作者人体有害，且成本高;自然电位、视电阻率要求钻孔的孔壁潮湿，在很多情况下难以满足;井径、密度测量的装置相对体积大，操作不便且在分析岩性中作用不大。从单一的便携式仪器设计考虑，采用测井技术过多，必然导致结构复杂、体积增大，实用性显著降低，同时难以满足防爆要求。从供电方面也是不允许的，井下便携仪器用电池组供电，防爆要求不允许电池容量过大。

GR曲线是地球物理测井中最基础、最重要的一条曲线。其通过测量岩层的天然放射性来区分岩性，对测井的钻孔无任何限制条件，技术与理论已经成熟，并且硬件设计可以做到微型化。

1.2.2煤系地层的构成因素

绝大多数沉积岩层，尤其煤系地层主要由砂岩、泥岩组成，并有少量的灰岩、煤层。这些地层的GR曲线有着明显的异常值特征，可以用来定量分层。GR曲线可以十分有效地区分各种砂岩、泥岩(见图2)。其局限性是不能区分煤层、砂岩、灰岩，这些地层的GR曲线往往都是低异常。这种情况可以结合视频予以判层。

图2　GR曲线区分砂泥岩［6］

2　测井数据分析

通过PC机算法设计，分析软件可以实现钻孔岩性分析、厚度计算、钻孔结构(岩石孔隙、裂隙、出水点、顶板离层等)分析、孔斜剖面与平面轨迹计算、预测地质剖面图等功能。软件能够输出视频截图、钻孔预测地质剖面图等5种成果，以图片或CAD格式输出，一个钻孔的分析成果可以在2h内快速完成。

2.1数据下载与预处理

现场采集完成后将PC机与仪器USB口连接，用分析软件下载数据，同时进行“数据刻度”:钻孔视频是连续按帧采集的，深度、自然伽玛、孔斜测量是按照单位时间(如每秒8个点)采集的。软件先计算出每个深度点的采集从开始采集数据至该点对应的时间，将该深度数据的时间点与视频、自然伽玛、孔斜数据相同时间点进行对应，使这些数据具有对应的深度值，此过程称“数据刻度”。

2.2 GR曲线与视频同步分析岩性

2.2.1岩性分析过程

在“数据刻度”基础上，根据自然伽玛数据，绘制出GR曲线。如果根据测井曲线或视频，能够判断出岩性，如自然伽玛为高异常的地层一般为泥岩;视频中岩层为黑色且有金属光泽，则一般为煤层，这类情况可直接划分出地层分界点的位置。

若直接使用GR曲线或视频不能判断岩性，可以采用视频与GR曲线在同一深度处的数据进行同步综合判断(称“自然伽玛与视频同步分析法”)。比如在相同深度的自然伽玛为低异常处的视频中，如果岩层为黑色、且有金属光泽，此时可判断出岩性为煤层;如果视频中的颜色为浅灰色、灰色、层理发育、具有颗粒感则可判断该层岩性为砂岩;如果颜色为灰色、孔壁细腻光滑、无明显颗粒感，则可判断该层岩性为灰岩。至于其他的砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等过渡粒度的岩性，同样可以结合视频、测井曲线的相对异常值的高低，进行判断，这样就基本划分出了煤系地层的常见岩性。

图3为GR曲线与视频同步分析的软件功能示意图。同时打开GR曲线和视频播放器，在GR曲线上设置有一条可以移动的深度指示线，代表当前的测井深度。视频按照时间顺序播放时，该指示线会随视频播放的时间移动，这样用户即可按照GR曲线特征与视频的对应关系来分析岩性。

图3　GR曲线与视频同步分析法的软件功能示意

2.2.2钻孔的穿层角度对曲线影响

井下钻孔设计时，倾角与煤岩层的夹角很小或者沿煤岩层层位布设。由于自然伽玛测井采集的是钻孔孔壁向外30～50mm空间范围内的放射性粒子的统计数据，因此GR曲线的形态就会受到钻孔实际当前揭露的岩层附近层位的放射性影响较大。图4显示，GR曲线的异常值与常规情况的GR曲线分层位置发生偏移，钻孔穿越煤层时的曲线也呈现一定的高异常，此时，应当根据曲线的变化与视频中观察的分界点来综合分析，确定岩层分层界面。

图4　岩层与钻孔夹角很小时GR曲线异常情况

2.3“砂泥比”分析岩石力学强度

在评价沉积地层时，自然伽玛测井曲线是一种重要的泥质指示曲线，根据自然伽玛的数值可以计算岩层中的砂质与泥质含量的比值，用此比值可以绘制出“砂泥比”曲线。该曲线可以反映岩层的相对力学强度，一般来讲，砂质含量高，岩层强度大，反之亦然。这对矿井煤层顶底板支护条件是个重要的参考。其计算公式如下:

式中，GR为目的层测井值; GRmin为纯地层的测井值; GRmax为泥岩层测井值，API单位; GCUR为希尔奇指数，与地层年代有关，第三系地层，取3.7，老地层取2。

根据图3中的砂泥比曲线可以看出砂质含量的相对高低，就可以初步判断岩层的软硬程度。“煤层”在该曲线上的砂质含量虽然也是高值，不应分析为力学性质强的岩层，即砂泥比对岩层力学强度的定性分析只对砂泥岩、灰岩有效。

2.4其他成果分析

2.4.1岩层厚度计算

前述岩性分析过程，只确定出了岩层的分层位置，岩层的真厚度计算过程为:根据分层位置，对每一个分层对应深度范围的数据离散值(深度、方位角、倾角)，计算出各钻孔轨迹离散点的空间坐标;每相邻两个坐标点连线为一个线段，结合岩层产状(走向、倾向和倾角)数据，按照线段与岩层的空间几何关系，计算出线段穿越的岩层真厚度;对岩层分层中相邻线段对应的真厚度求和，即近似得出该岩层分层的真厚度。结合岩性分层，按照岩层真厚度绘制钻孔的岩性柱状图。

2.4.2平、剖面轨迹图、预测地质剖面图绘制

在计算出钻孔轨迹各离散点的空间坐标基础上，利用钻孔轨迹方位角、倾斜角数据可以计算并绘制出钻孔剖面轨迹图、钻孔平面轨迹图。已计算出的岩层分层结果，与钻孔轨迹剖面图、岩层产状及前方构造变化情况结合，可绘制钻孔预测地质剖面图，步骤为:钻孔轨迹剖面图上标出岩层分层点的位置与岩性;按照地层产状换算出该剖面方向上的视倾角;将分层点按照岩层视倾角绘制出层位，结合构造情况即可绘制出钻孔的地质预测剖面图。

通过视频数据还可以查看钻孔孔壁岩层的裂隙、孔隙的发育程度、钻孔套管的完整程度，如果有出水点可以观察到出水点的特征、出水量的大致情况。

3　技术局限性

矿井钻孔测井分析已在10多座煤矿进行了日常探放水钻孔验证、采空区、断层、顶板岩层结构、封闭不良钻孔堵水等多方面应用，取得了良好的效果。同时，发现如下局限:对于少数混水钻进的下斜孔，视频数据无法获取(GR曲线和孔斜数据仍可正常测得) ;上斜钻孔中有涌水的情况下，如果钻孔充水，该仪器具备防水性能仍可使用，只是操作条件恶劣，受到水的阻力而致使探头的推进困难而探测深度会减少;如果钻孔未充水且涌水量较大，水花的强烈波动影响视频效果，探测难度也有所加大;对于清水钻进的下斜孔，由于孔壁沉淀有岩粉，探头进入后岩粉会随之漂浮到探头前，影响视频拍摄，可以根据岩粉情况调整推进速度;钻孔放置时间太长会出现塌孔，探测时间应该在钻孔施工后的1～3d之内;该设备只能进行粗略的岩性判断，即GR曲线只能判断碎屑岩岩层的粒度相对分类，而在诸如只用GR曲线异常值来区分粉砂岩与细砂岩时就比较困难。如遇上述情况可以通过结合附近地面勘探钻孔资料或地质素描，利用层序关系进行综合对比判层。

4　结束语

煤矿井下测井技术尚且处于萌芽状态，值得业界去探索。矿井钻孔测井分析仪虽然有其局限性，但从其集成性、便携化、易操作的设计理念、视频与GR曲线同步岩性分析方法，以及“砂泥比”曲线理论在矿井地质中的应用、成果的丰富性等方面都有所创新，是一种综合、高效、定量化的地质防探水手段。

［参考文献］

［1］陈洪，姜淑华.煤矿井下无缆测井系统［J］.煤矿现代化，2007 (3) : 30－31.

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［10］马庆勋，姚顽强.一种超小口径钻孔岩性探测系统［P］.中国专利: 201120431421.1，2012－07－25.

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［12］熊先钺，郭大立，曹代勇，等.基于常规测井资料的煤层岩石参数解释方法［J］.煤矿开采，2014，19 (3) : 13－16.

［责任编辑:施红霞］

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

［作者简介］马庆勋(1968－)，男，河北永年人，博士，副教授，主要研究方向为矿井地质防治水及地质仪器研发。

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

［收稿日期］2014－08－18

［中图分类号］TD718

［文献标识码］A

［文章编号］1006-6225 (2015) 02-0016-04