隨鉆伽馬測井系統在順煤層鉆進中的應用

田小超 ，蔣必辭 ，2，汲方林 ，陳 龍

（1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.煤炭科學研究總院，北京 100013）

根據煤礦實際生產需求，尤其是針對高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井，從有效利用和安全治理的角度出發，經常需要在順煤層布置并施工一系列鉆孔用于瓦斯抽采或瓦斯釋放，目的是確保生產過程的安全。順煤層瓦斯抽放鉆孔沿煤層鉆進，均為有效進尺，成孔速度快，因此，瓦斯抽放效率較高，抽放成本較低[1-3]。為實現瓦斯抽放鉆孔在順煤層鉆進，需要有效控制鉆孔施工過程，隨鉆測量定向鉆進技術是近年來應用較為廣泛且較為成熟的技術[4]，該技術需要依據前期物探結果設計鉆孔軌跡，以當前位置實鉆軌跡與設計軌跡偏差調整鉆具。在山西伯方煤礦對隨鉆伽馬測井系統進行了煤礦井下隨鉆應用，該系統可測量并顯示實鉆軌跡、實鉆軌跡與設計軌跡偏差，還可以測量并實時顯示鉆孔當前位置地層巖性信息，將測量結果結合應用于指導順煤層鉆進施工，應用結果表明系統可以有效識別巖性變化，指導順煤層鉆進施工，應用效果良好。

1 礦井地質概況

山西蘭花集團伯方煤礦位于山西省高平市寺莊鎮境內,隸屬高平市管轄，井田位于太行山中南丹河段西側，為沁水煤田高平礦區王報井田的一部分。井田南北較長約 6.1 km，東西寬約 4.4 km，獲批主采3 號煤層，面積約27.0 km2，設計生產規模1.80 Mt/a，井田可采儲量約280 Mt。該井田上伏地層為古生界石炭系、二疊系煤系地層，下伏地層為古生界中奧陶統石灰巖，地層傾向為NW 向，煤層傾角2°～6°，平均傾角為4°。太原組和山西組含煤地層共含煤13 層左右。其中1 號至3 號煤賦存于山西組，5號到11 號煤賦存于太原組。目前開采煤層為3 號煤層，煤層平均厚度約5.30 m，有0.1～0.24 m 的黑色泥巖和炭質泥巖偽頂；工作面的基本頂為中粒砂巖，厚度約為4.5 m；直接頂為灰黑色粉砂巖，性脆，厚度約為5.50 m，井田中部變為南北向的粗砂巖；直接底為黑灰色細砂巖，厚度約為1.6 m；基本底為灰黑色薄層砂質泥巖，厚度約為 4.32 m[5]。

2 系統組成及工作原理

2.1 系統組成

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統由地面PC 端數據處理與解釋軟件、井下孔口設備及孔中測量探管3大部分組成[6]。系統可測量并實時傳輸鉆孔軌跡參數及鉆孔周圍地層信息，為司鉆人員提供孔中鉆具姿態調整依據，煤礦井下隨鉆伽馬測井系統組成框圖如圖1。

圖1 煤礦井下隨鉆伽馬測井系統組成框圖Fig.1 System Structure of Gamma loging while drilling system

伽馬測井系統的孔中探管由測斜單元、伽馬測量單元、主控電路、電磁波傳輸單元及電池單元等幾部分組成。測斜單元用于在鉆孔施工過程中的隨鉆測量鉆具姿態信息（傾角、方位角、工具面向角）；伽馬測量單元由對地層自然放射性伽馬射線敏感的碘化鈉晶體及配套的光電倍增管組成，其接收來自地層自發衰變產生的自然伽馬射線，并且吸收伽馬射線能量發生外光電效應，產生電子流并輸出電流負脈沖信號；主控電路控制何時開始測量相關數據，開始測量時下發指定取數命令給測斜單元及伽馬測量單元，并接收返回的當前位置姿態信息及單位時間內的伽馬計數率值，主控電路將收到的當前位置各測量參數打包編碼通過電磁波傳輸單元經由地層及鉆桿傳輸至孔外（孔口）；為了縮短探管長度，同時保證必要的工作時間，探管選用符合GB 3836—2010 標準及《電池與電池組通用要求》要求的高性能磷酸鐵鋰鋰離子電池提供電源供應。

伽馬測量系統的孔口設備由電磁波傳輸單元、孔口控制器及其實時監測軟件、隔爆兼本安電源等幾部分組成。電磁波傳輸單元是孔口控制器與孔中各測量單元通訊的通道；孔口控制器通過電磁波傳輸單元與井中探管完成雙向通訊，即下發工作模式指令和將孔中各測量單元傳回的測量數據經實時監測軟件進行分析、處理和顯示；隔爆兼本安電源采用AC127 V 輸入，輸出孔口控制器所需的各直流電壓等級[7-8]。

2.2 工作原理

伽馬測井系統工作原理示意圖如圖2。巖石中含有天然放射性物質，這些放射性物質在自發衰變時會釋放出α 粒子、β 粒子及γ（伽馬）射線。而只有伽馬射線在巖石中具有很強的穿透能力，能夠被探測到。當伽馬射線進入晶體后，經過電離激發產生熒光。光子轟擊光電倍增管的光電陰極表面，由于光電效應會產生一定數量的光電子，這些電子經過光電倍增管收集與倍增后形成的電流負脈沖在陽極經負載電阻變換為負電壓脈沖，該脈沖信號經過跟隨、濾波、放大、整形等處理電路后，變換為標準脈沖信號，由主控電路中單片機對該標準脈沖信號進行采集并計算單位時間內的計數率CPS。不同的巖性中所含放射性物質含量不同，表現出的伽馬射線放射性總強度不同，最終反映出的計數率CPS 也不相同[9]。

圖2 煤礦井下隨鉆伽馬測井系統工作原理示意圖Fig.2 System working principle

主控電路對標準脈沖進行計數及存儲，采集和存儲的數據還包括與脈沖計數相對應的時鐘數據。主控電路按照預先設定的時間間隔對輸入的標準脈沖信號進行計數，并求取單位時間內的脈沖計數率，脈沖采樣間隔可根據工程實際需求進行調整。通過探管在刻度時得到的刻度系數可將脈沖計數率變換為地層工程值API，從而使伽馬測井曲線標準化。為了指導鉆孔施工工程值API 及鉆具姿態信息將會通過電磁波無線數據傳輸單元經大地及鉆桿傳輸到孔口控制器，但受到數據傳輸裝置傳輸帶寬的限制，只有少數API 值被抽樣。孔口控制器將接收到的測井數據進行解調并由隨鉆監測軟件進行處理，對應得到該鉆孔已鉆地層的實時伽馬曲線及軌跡曲線。整個隨鉆過程的測井數據全部存儲到探管中，待鉆孔施工結束后，由地面解釋與處理軟件將探管中存儲的所有數據回放出來，進行更詳細的數據解釋與處理，以形成區域性巖性剖面解釋結果[10-11]。

3 實際應用

煤礦井下隨鉆伽馬測井系統在伯方礦3305 工作面開展隨鉆試驗，鉆孔開孔位置位于3 號煤，實測開孔傾角2.7°、方位角309.7°。根據施工需要伽馬參數采樣間隔設為10 s，孔中測量數據為每鉆進1根鉆桿采用無線電磁波傳輸 1 次，其中，由于伽馬數據量較大，采取抽樣傳輸。通過接收天線接收到的孔中鉆具姿態信息及抽樣的伽馬參數，在孔口控制器進行解調及解釋處理并在界面實時顯示測量數據，以指導司鉆人員調整鉆具姿態。據悉3 號煤上有極薄的夾矸，夾矸上是薄層泥巖，再往上為較厚的砂巖層。因其他外在因素影響本次順煤層隨鉆進尺共89 m，鉆孔軌跡投影及伽馬曲線如圖3。圖3（a）中伽馬測井曲線是將測試計數率根據標準刻度井的刻度系數轉換為國際標準單位API；圖3（b）中上下位移是測點到開孔點所在水平面的距離，以水平面為基準，上偏為正，下偏為負。

圖3 煤礦井下順煤層鉆進隨鉆伽馬測井曲線Fig.3 Drilling trajectory and gamma logging curve

根據圖3 中的鉆孔軌跡與煤層頂板之間的距離關系以及伽馬曲線的變化可知，隨鉆的前12 m 鉆孔，儀器處于煤層中，伽馬數值相對較低在50 API左右；繼續鉆進過程中，孔口控制器顯示的伽馬數值逐漸增大，司鉆人員根據測量數據判斷鉆具進入巖層，隨即適當調整鉆具姿態繼續鉆進；實時數據顯示伽馬數值仍在增加，司鉆人員繼續調整鉆具姿態向下鉆進至27 m，實時數據顯示伽馬數值開始降低，但仍高于煤層中的50 API；適當調整鉆具姿態減緩下行速度，鉆進至約36 m 處，實時顯示伽馬數值已基本接近煤層伽馬值，司鉆人員根據測量數據判斷鉆具逐漸回歸煤層，調整鉆具姿態，繼續沿本煤層鉆進施工，在89 m 處停止鉆進。提鉆后對所有伽馬測量數據進行地面回放處理，結合已知的地質資料判斷，儀器在煤層中開始隨鉆鉆進，逐漸進入頂板到達砂質泥巖，隨著司鉆人員調整鉆具姿態，軌跡逐漸下降又到達夾矸與煤層之間，之后儀器回歸煤層，在煤層中伽馬數值一直穩定在合理的數值。在鉆孔末端由于軌跡再次靠近頂板，伽馬數值有逐漸增加的趨勢。從試驗結果可以看出，伽馬曲線基本反映了從煤層到泥巖層再回到煤層的這種變化趨勢。

4 結 語

煤礦井下隨鉆伽馬測井技術是煤礦井下地層巖性探測、確保順煤層鉆進的有效手段；煤礦井下隨鉆伽馬測井系統在山西伯方礦順煤層瓦斯抽放孔中的應用，驗證了其能實時提供地質信息指導順煤層鉆進，提高了順煤層定向鉆進的效率；目前該套系統中伽馬參數測量單元距離鉆頭較遠，下一步計劃研制近鉆頭隨鉆伽馬測井系統，進一步提高探測效率。