综合钻孔测井技术在井下钻探工程的应用

魏树群，武 剑

（山西冀中能源集团矿业有限责任公司，山西 太原 030032）

1 概 况

煤矿井下钻孔测井技术是一种超越传统测井技术范畴的矿山井下钻探定量化综合分析方法，是被国家煤监局列入煤矿安全生产先进适用技术，对井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、顶板管理等领域灾害防治有着显著的社会意义，已被神华集团、陕煤集团、焦煤集团等大型煤炭企业列入钻探施工的必备条件，是钻探成果分析可靠性的重要保障。

井下钻探工程是煤矿井下防治水工作的主要技术手段之一，山西冀中所属5 对矿井2019 年钻探进尺13 万余米，2020 年计划已达到16 万余米，因此，采用井下综合钻孔测井分析技术提高钻探的精度和准度，减少“废孔”“无效孔”，解决井下钻孔“打不准，探不清”的问题，既有安全效益又有经济效益。

通过在各矿的试验可以看出，矿井钻孔测井分析仪针对矿山井下钻探的特殊性，缺乏测井技术的现状，通过测井技术与数据分析方法的研发、微型化高度集成多源数据采集技术的研制、测井工艺方法的创新性突破，实现了一种适宜于矿山井下钻探的综合测井与数据分析仪器。

井下综合钻孔测井技术为煤矿提供了一种综合的、定量化的、高效准确的测量手段，适用于井下各类常见钻孔的测井与数据分析，能有效解决采空区探测、构造与陷落柱探测、探放水超前钻探效果验证、煤层变薄与歼灭区、顶板岩层结构、顶板“三带”、矿压关键层结构、瓦斯孔抽放效果分析等多种技术难题，是一种很好的煤矿地质保障技术。

2 测井分析的原理和方法

2.1 矿井钻孔测井分析仪

YCJ90/360 型“矿井钻孔测井分析仪”总体结构由探头、控制箱、数据传输模块、分析软件、专用探头推杆5 部分构成，探头由视频采集模块、自然伽玛模块、孔斜测量模块构成。在井下现场一次可以采集高分辨率视频、自然伽玛数据、孔斜方位角与倾斜角数据。探头与控制箱采用有缆传输方式进行通信。

配套的数据处理与分析软件，通过算法设计，首先绘制出GR 曲线，结合实现视频数据与自然伽玛数据同步分析（对照同一深度段的GR 曲线与视频），进行岩性划分，这样可以弥补单一曲线在解释地层岩性方面的缺陷。在地面通过分析软件可以实现数据下载，进而对钻孔孔斜计算、定量分析揭露地层的岩性、厚度、含水性及孔壁结构特征（包括分层性、厚度、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点特征、顶板离层情况及断层等）。

2.2 测井分析工作流程

测井分析工作流程如图1 所示。

图1 测井分析工作流程示意Fig.1 Logging analysis workflow

3 测井技术方法的特点和创新

该技术创新性与先进性体现在，在数据采集技术方面，该技术采用了多源数据采集技术的微型化高度集成方案，可以一次性高效获取井下钻孔的高分辨率视频、自然伽马（简称GR）、轨迹（方位、倾斜）、孔深数据；工艺方面，采用有缆测井，自主设计的轻质高强度推杆来推送仪器探头，能够满足各种倾斜角度的井下钻孔长距离探测需要；在数据分析方法方面，实现了以“视频与自然伽马同步分析”专利方法为核心的数据处理系统，解决了煤系地层岩性分层问题。软件还能够完成钻孔柱状图、钻孔轨迹平面图、钻孔轨迹剖面图、钻孔地质剖面图等图件绘制与自动生成，通过视频数据可以查看分析钻孔结构、岩层裂隙、离层、出水点层位等信息。它可以适用于直径≥32 mm 的锚索孔、地质孔、水文孔、瓦斯孔等各类井下钻孔测井，为井下钻探成果的分析提供高效、可靠的技术手段，并且为矿井安全生产隐患的查明提供了新的技术保障。该技术具有海量数据采集、便携易用、软件数据分析成果丰富可靠、工艺先进、适用性广泛等特点。

3.1 工作站级别的矿山井下钻孔综合测井适用性技术

该技术将GR、视频、轨迹测量、孔深测量集成，突破了井下钻孔测井仪器设计、工艺方法、防爆性能、数据对比分析方法等方面的各类瓶颈限制，实现了工作站级别的综合测井技术。

3.2 一种超越传统测井技术范畴的矿山井下钻探定量化综合分析方法

该技术不仅实现了一种高效的钻孔信息综合采集手段，而且由于该技术所提供的数据分析方法，能够将钻孔视频、岩性判别（视频与自然伽玛同步）、钻孔孔斜（倾斜角、方位角）、钻孔孔深4 种数据源的海量信息进行综合分析，定量判断钻孔的孔内现象（如裂隙发育、出水点、离层、孔径变化等）、岩层层位、三维空间姿态和终孔位置，并绘制或自动生成钻孔岩性柱状图、钻孔轨迹平面图、钻孔轨迹剖面图、地质剖面原型等，可以满足多重技术与安全问题的解决，已经远远超越了传统地面测井用于查明地质层位和部分水文地质参数的范畴。因此，可以称该仪器是一种新的矿山井下钻探定量化综合分析仪器。

4 应用实例

该方法可广泛应用于地质、防治水、顶板支护、矿压防治、瓦斯抽放等领域井下钻孔的测井与数据分析，用于解决采空区探测、构造与陷落柱探测、探放水超前钻探效果验证、煤层变薄与歼灭区、顶板岩层结构、顶板“三带”、矿压关键层结构、瓦斯孔抽放效果分析等多种技术难题。

山西冀中荣泰煤业是公司的经济效益支柱矿井，由于风氧化带边界向井田内偏移，主采10 号煤层储量比初设中减少，为保证矿井的服务年限，决定自主在井下补勘找煤。此次补勘共设计钻孔21 个，其中上组煤钻孔18 个，下组煤钻孔3 个。在108 材料巷对2 号、补13 号、补14 号三个孔进行了测井（以补13 号为例）。

典型视频截图如图1~图4 所示。

图1 补13 号孔，10.5 m 见煤线Fig.1 No.13 drilling 10.5 m with coal

图2 补13 号孔，15 m孔壁破碎，裂隙发育Fig.2 No.13 drilling 15 m drilling wall broken with fracture development

图3 补13 号孔，30.8 m见煤Fig.3 No.13 drilling 30.8 m with coal

图4 补13 号孔，48.7 m 孔内大量淤泥Fig.4 No.13 drilling 48.7 m with mud

钻孔视频柱状图如图5 所示。

图5 钻孔视频柱状图Fig.5 Histogram of drilling video

钻孔垂向孔斜如图6 所示。

图6 钻孔轨迹剖面Fig.6 Borehole track profile

钻孔平面孔斜如图7 所示。

图7 钻孔轨迹平面Fig.7 Borehole trajectory plane

钻孔分析柱状图如图8 所示。

图8 钻孔分析柱状图Fig.8 Column chart of borehole analysis

5 推广应用前景

（1） 社会效益。测井技术是勘探成果分析的重要保障，随着井下钻探其目的更加多样化，测井工作更具重要性。长期以来由于测井技术本身限制、井下钻孔条件的特殊性，煤矿井下缺乏适用性的综合测井技术。该项目技术提供一种构思新颖、综合性强、高效易用的井下钻孔测井与数据分析手段。它的应用推广，有利于促进测井技术在矿山井下领域的发展，对推动矿井地质的技术进步有着重要的现实意义。

（2） 间接经济效益。通过该技术进行钻探测井能够解决采空区、断层、陷落柱等探测中的关键地质层位分析等问题；通过对锚索钻孔、顶板孔的探测，为顶板支护设计、顶板“三带”问题提供有效的技术依据；通过对瓦斯抽放孔的孔内裂隙、钻孔轨迹的探测，为瓦斯治理效果提供依据；通过对岩层结构“关键层”结构的精准探测，为强矿压（冲击地压） 能量聚集区的分析与治理提供依据。

6 结 论

（1） 随着技术的推广，越来越多的矿井、技术主管部门认识到该技术的实用性与开展井下钻孔测井工作的重要性，由于钻探工程几乎成为所有的煤矿必备手段，该技术具有广泛适用性，以及地质条件日趋复杂与安全生产形势的紧迫性，矿山井下钻探成果分析的可靠性日益得到重视，具有重要的推广应用价值。

（2） 通过查明各类井下钻探成果，可以显著提高矿井的抗灾能力，对井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、顶板管理等领域灾害防治有着显著的社会意义和经济意义。