随钻伽马测井系统在顺煤层钻进中的应用

田小超 ，蒋必辞 ，2，汲方林 ，陈 龙

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.煤炭科学研究总院，北京 100013）

根据煤矿实际生产需求，尤其是针对高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井，从有效利用和安全治理的角度出发，经常需要在顺煤层布置并施工一系列钻孔用于瓦斯抽采或瓦斯释放，目的是确保生产过程的安全。顺煤层瓦斯抽放钻孔沿煤层钻进，均为有效进尺，成孔速度快，因此，瓦斯抽放效率较高，抽放成本较低[1-3]。为实现瓦斯抽放钻孔在顺煤层钻进，需要有效控制钻孔施工过程，随钻测量定向钻进技术是近年来应用较为广泛且较为成熟的技术[4]，该技术需要依据前期物探结果设计钻孔轨迹，以当前位置实钻轨迹与设计轨迹偏差调整钻具。在山西伯方煤矿对随钻伽马测井系统进行了煤矿井下随钻应用，该系统可测量并显示实钻轨迹、实钻轨迹与设计轨迹偏差，还可以测量并实时显示钻孔当前位置地层岩性信息，将测量结果结合应用于指导顺煤层钻进施工，应用结果表明系统可以有效识别岩性变化，指导顺煤层钻进施工，应用效果良好。

1 矿井地质概况

山西兰花集团伯方煤矿位于山西省高平市寺庄镇境内,隶属高平市管辖，井田位于太行山中南丹河段西侧，为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分。井田南北较长约 6.1 km，东西宽约 4.4 km，获批主采3 号煤层，面积约27.0 km2，设计生产规模1.80 Mt/a，井田可采储量约280 Mt。该井田上伏地层为古生界石炭系、二叠系煤系地层，下伏地层为古生界中奥陶统石灰岩，地层倾向为NW 向，煤层倾角2°～6°，平均倾角为4°。太原组和山西组含煤地层共含煤13 层左右。其中1 号至3 号煤赋存于山西组，5号到11 号煤赋存于太原组。目前开采煤层为3 号煤层，煤层平均厚度约5.30 m，有0.1～0.24 m 的黑色泥岩和炭质泥岩伪顶；工作面的基本顶为中粒砂岩，厚度约为4.5 m；直接顶为灰黑色粉砂岩，性脆，厚度约为5.50 m，井田中部变为南北向的粗砂岩；直接底为黑灰色细砂岩，厚度约为1.6 m；基本底为灰黑色薄层砂质泥岩，厚度约为 4.32 m[5]。

2 系统组成及工作原理

2.1 系统组成

煤矿井下随钻伽马测井系统由地面PC 端数据处理与解释软件、井下孔口设备及孔中测量探管3大部分组成[6]。系统可测量并实时传输钻孔轨迹参数及钻孔周围地层信息，为司钻人员提供孔中钻具姿态调整依据，煤矿井下随钻伽马测井系统组成框图如图1。

图1 煤矿井下随钻伽马测井系统组成框图Fig.1 System Structure of Gamma loging while drilling system

伽马测井系统的孔中探管由测斜单元、伽马测量单元、主控电路、电磁波传输单元及电池单元等几部分组成。测斜单元用于在钻孔施工过程中的随钻测量钻具姿态信息（倾角、方位角、工具面向角）；伽马测量单元由对地层自然放射性伽马射线敏感的碘化钠晶体及配套的光电倍增管组成，其接收来自地层自发衰变产生的自然伽马射线，并且吸收伽马射线能量发生外光电效应，产生电子流并输出电流负脉冲信号；主控电路控制何时开始测量相关数据，开始测量时下发指定取数命令给测斜单元及伽马测量单元，并接收返回的当前位置姿态信息及单位时间内的伽马计数率值，主控电路将收到的当前位置各测量参数打包编码通过电磁波传输单元经由地层及钻杆传输至孔外（孔口）；为了缩短探管长度，同时保证必要的工作时间，探管选用符合GB 3836—2010 标准及《电池与电池组通用要求》要求的高性能磷酸铁锂锂离子电池提供电源供应。

伽马测量系统的孔口设备由电磁波传输单元、孔口控制器及其实时监测软件、隔爆兼本安电源等几部分组成。电磁波传输单元是孔口控制器与孔中各测量单元通讯的通道；孔口控制器通过电磁波传输单元与井中探管完成双向通讯，即下发工作模式指令和将孔中各测量单元传回的测量数据经实时监测软件进行分析、处理和显示；隔爆兼本安电源采用AC127 V 输入，输出孔口控制器所需的各直流电压等级[7-8]。

2.2 工作原理

伽马测井系统工作原理示意图如图2。岩石中含有天然放射性物质，这些放射性物质在自发衰变时会释放出α 粒子、β 粒子及γ（伽马）射线。而只有伽马射线在岩石中具有很强的穿透能力，能够被探测到。当伽马射线进入晶体后，经过电离激发产生荧光。光子轰击光电倍增管的光电阴极表面，由于光电效应会产生一定数量的光电子，这些电子经过光电倍增管收集与倍增后形成的电流负脉冲在阳极经负载电阻变换为负电压脉冲，该脉冲信号经过跟随、滤波、放大、整形等处理电路后，变换为标准脉冲信号，由主控电路中单片机对该标准脉冲信号进行采集并计算单位时间内的计数率CPS。不同的岩性中所含放射性物质含量不同，表现出的伽马射线放射性总强度不同，最终反映出的计数率CPS 也不相同[9]。

图2 煤矿井下随钻伽马测井系统工作原理示意图Fig.2 System working principle

主控电路对标准脉冲进行计数及存储，采集和存储的数据还包括与脉冲计数相对应的时钟数据。主控电路按照预先设定的时间间隔对输入的标准脉冲信号进行计数，并求取单位时间内的脉冲计数率，脉冲采样间隔可根据工程实际需求进行调整。通过探管在刻度时得到的刻度系数可将脉冲计数率变换为地层工程值API，从而使伽马测井曲线标准化。为了指导钻孔施工工程值API 及钻具姿态信息将会通过电磁波无线数据传输单元经大地及钻杆传输到孔口控制器，但受到数据传输装置传输带宽的限制，只有少数API 值被抽样。孔口控制器将接收到的测井数据进行解调并由随钻监测软件进行处理，对应得到该钻孔已钻地层的实时伽马曲线及轨迹曲线。整个随钻过程的测井数据全部存储到探管中，待钻孔施工结束后，由地面解释与处理软件将探管中存储的所有数据回放出来，进行更详细的数据解释与处理，以形成区域性岩性剖面解释结果[10-11]。

3 实际应用

煤矿井下随钻伽马测井系统在伯方矿3305 工作面开展随钻试验，钻孔开孔位置位于3 号煤，实测开孔倾角2.7°、方位角309.7°。根据施工需要伽马参数采样间隔设为10 s，孔中测量数据为每钻进1根钻杆采用无线电磁波传输 1 次，其中，由于伽马数据量较大，采取抽样传输。通过接收天线接收到的孔中钻具姿态信息及抽样的伽马参数，在孔口控制器进行解调及解释处理并在界面实时显示测量数据，以指导司钻人员调整钻具姿态。据悉3 号煤上有极薄的夹矸，夹矸上是薄层泥岩，再往上为较厚的砂岩层。因其他外在因素影响本次顺煤层随钻进尺共89 m，钻孔轨迹投影及伽马曲线如图3。图3（a）中伽马测井曲线是将测试计数率根据标准刻度井的刻度系数转换为国际标准单位API；图3（b）中上下位移是测点到开孔点所在水平面的距离，以水平面为基准，上偏为正，下偏为负。

图3 煤矿井下顺煤层钻进随钻伽马测井曲线Fig.3 Drilling trajectory and gamma logging curve

根据图3 中的钻孔轨迹与煤层顶板之间的距离关系以及伽马曲线的变化可知，随钻的前12 m 钻孔，仪器处于煤层中，伽马数值相对较低在50 API左右；继续钻进过程中，孔口控制器显示的伽马数值逐渐增大，司钻人员根据测量数据判断钻具进入岩层，随即适当调整钻具姿态继续钻进；实时数据显示伽马数值仍在增加，司钻人员继续调整钻具姿态向下钻进至27 m，实时数据显示伽马数值开始降低，但仍高于煤层中的50 API；适当调整钻具姿态减缓下行速度，钻进至约36 m 处，实时显示伽马数值已基本接近煤层伽马值，司钻人员根据测量数据判断钻具逐渐回归煤层，调整钻具姿态，继续沿本煤层钻进施工，在89 m 处停止钻进。提钻后对所有伽马测量数据进行地面回放处理，结合已知的地质资料判断，仪器在煤层中开始随钻钻进，逐渐进入顶板到达砂质泥岩，随着司钻人员调整钻具姿态，轨迹逐渐下降又到达夹矸与煤层之间，之后仪器回归煤层，在煤层中伽马数值一直稳定在合理的数值。在钻孔末端由于轨迹再次靠近顶板，伽马数值有逐渐增加的趋势。从试验结果可以看出，伽马曲线基本反映了从煤层到泥岩层再回到煤层的这种变化趋势。

4 结 语

煤矿井下随钻伽马测井技术是煤矿井下地层岩性探测、确保顺煤层钻进的有效手段；煤矿井下随钻伽马测井系统在山西伯方矿顺煤层瓦斯抽放孔中的应用，验证了其能实时提供地质信息指导顺煤层钻进，提高了顺煤层定向钻进的效率；目前该套系统中伽马参数测量单元距离钻头较远，下一步计划研制近钻头随钻伽马测井系统，进一步提高探测效率。