基于鉆孔成像的煤層地質趨勢面分析技術

孫米銀

（平頂山天安煤業股份有限公司 十三礦，河南 平頂山 467000）

瓦斯地質信息在煤與瓦斯突出事故預防中具有重要的作用[1-4]。如何精準提取地質信息，實現煤層瓦斯地質趨勢面的準確分析，是一項十分重要的工作。當前瓦斯地質信息提取與瓦斯地質方法主要有：綜合地質信息分析法[5]、數碼攝像與TLS點云數據融合[6]、前視電子鉆孔窺視[7]、低溫超導瞬變電磁法[8]、CT探測技術[9]、無線電波透視和槽波地震融合法[10]、GPS地質勘探等方法[11]。部分學者還開發了自動鉆機在線監測地質數據軟件[12]、鉆井信息模型檢索方法[13]、基于優化建模的新數據結構和算法的地質管理系統[14]等。以上的研究可以發現，地質探測方面的研究主要聚焦在地形、地貌等地質信息的探測[15]，而對于如何在復雜地質條件下精準提取鉆孔地質信息的研究相對較少。因此，將鉆孔成像技術應用到復雜地質條件下的鉆孔地質信息提取方面。利用其視頻成像、自然伽馬、電阻率、自然電位等功能，確定瓦斯抽放孔、地質超前探孔、構造探煤孔、探放水鉆孔、錨索孔的鉆孔方位、傾斜度、鉆孔深度等數據。基于這些地質信息，結合已有的地質信息，繪制煤厚等值線圖、煤層底板等高線圖、采面殘值圖等信息，最終實現對煤層瓦斯地質趨勢面的分析。

1 鉆孔地質信息提取

1.1 地質信息提取方法

該方法主要使用的YZD18.5礦用側向電阻率視頻成像測井儀對復雜地質條件下的地質信息進行提取和利用。該視頻成像測井儀由測井儀主機、測井儀探管、線纜以及推桿等構成。

1）探頭由高分辨率攝像頭、自然伽瑪、視電阻率、自然電位、激發電位1、2、鉆孔軌跡測量及控制單元構成，在測量大口徑鉆孔時，扶正器可保證探測時探頭位于鉆孔中央。

2）主機控制部分由視頻采集控制單元、數據采集控制單元、電纜及繞線裝置等構成。

3）深度計數模塊通過測量電纜的長度獲取探測深度。

4）推桿每節長度1.0 m，互相可連接，末端與探頭連接。

探管中的采集器對采集數據原位數字化并傳輸至測井儀主機，從而消除了模擬信號的傳輸，實現了真正意義上的地震勘探全數字化，同時探管中的攝像頭把視頻信號傳回主機，由主機處理后進行存儲和顯示。在數據分析方面采用自然伽瑪測井曲線與視頻按照同深度進行同步數據分析，來判讀巖性與分層，用GR曲線、視電阻率曲線、自然電位3條曲線來進行層位分析。繪制鉆孔巖性柱狀、分析鉆孔的巖層結構，同時能夠定向繪制鉆孔軌跡平面圖、自動生成鉆孔地質剖面原型，并進行各種圖形的CAD或圖片輸出。

1.2 地質信息提取指標

該方法主要對瓦斯鉆孔的軌跡（方位角、傾角）鉆孔的深度和終孔位置控制、鉆孔內孔壁結構特征分析及分層為研究對象，以解決鉆孔是否按照設計方向鉆進、鉆探終孔位置是否達到設計位置、鉆孔內揭露的資料是否可以更詳細與準確的描述等當前礦方鉆探面臨的重要難題。具體的研究內容包括：①鉆孔軌跡（方位角、傾角）控制；②鉆孔深度、終孔位置控制；③鉆孔孔內視頻拍攝；④鉆孔孔壁結構特征評價；⑤鉆孔柱狀層位分析。

2 煤層趨勢面分析數據采集及篩選

2.1 煤層趨勢面分析

煤層趨勢面分析的基本功能在于將數據中的區域性特征、局部性特征及隨機干擾分離出來，以便從中找出隱蔽和被掩蓋的地質信息。在同一層面利用鉆孔成像技術，可以分別對局部防突措施孔、注水鉆孔等鉆孔進行地質數據的提取。在結合測量成果臺賬資料等資料，借助Surfer軟件生成的煤厚等值線圖、煤層頂（底）板等高線圖、剖面圖、偏差圖等成果圖件，實現了煤層趨勢面分析。圈定地質異常，提高地質預測預報準確性，更好服務于煤礦瓦斯防治和安全生產。

2.2 數據采集

煤層趨勢面的分析除了采用鉆孔成像技術獲得的鉆孔數據外，還包括：井下工程實揭數據，測量數據，構造數據，視頻、測井、測斜、物探數據，共5類。

為了高趨勢面分析的準確性，在進行數據收集時，要多渠道收集數據。數據來源應包括：高、低位抽采巷防突穿層鉆孔數據，局部防突措施、注水鉆孔，地質超前探測鉆孔，井下探煤孔，測量成果臺賬地質資料，井下工程實揭地質資料，井上井下各類勘探鉆孔資料，視頻、測井、測斜、物探資料。

數據在采集過程中主要分為：直接測量、間接測量2種。直接測量包括：①羅盤、地質編錄儀；②全站儀；③激光測距儀、皮尺、鋼尺，進行數據采集。間接測量包括：開孔定向儀、鉆孔軌跡儀、視頻成像儀。

2.3 數據篩選與評判

對于各種來源的鉆孔數據和地質資料要進行篩選和評判。①有技術裝備檢驗的鉆孔和實揭地質資料，直接利用；②無技術裝備檢驗的高、低位抽采巷穿層鉆孔和超前探煤鉆孔，應根據評判結果取舍利用；③異常鉆孔應使用成像測井儀進行校驗。

3 工程應用

2019年4月15日至7月1日，該技術方法在平煤十三礦進行了應用，對己15-17-11110中191個瓦斯抽放孔進行探測，探查上部己15-17煤層賦存情況及構造情況，從而達到采面透明化開采的目的。部分鉆孔信息數據探測結果對比分析見表1。

表1 探測結果對比分析Table 1 Comparative analysis of detection results

3.1 鉆孔地質信息分析

采用的視頻成像技術可以詳細提取到復雜地質條件下的瓦斯地質信息。以部分鉆孔為例，做詳細的鉆孔信息分析。

1）鉆孔軌跡分析。通過對鉆孔信息進行不間斷的提取，可以得到鉆孔的實際鉆孔軌跡，進而可以對鉆孔軌跡的方位角、傾角等鉆孔信息進行分析。以沖Z4-4-6鉆孔為例，鉆孔軌跡圖可以清晰的顯示從軌跡的1/4處開始，鉆孔開始發生偏移，偏移隨著鉆孔深度增加而偏移現象越明顯，在接近孔底位置，偏移位移達到最大值。從鉆孔方位圖可以看出，設計方位為222°，而實測方位為231°，方位角偏差達到了9°。從鉆孔傾角圖可以看出，設計傾角為17°，而實際傾角為25°，傾角偏差達到了8°。

2）鉆孔柱狀圖。采用自然伽瑪測井曲線與視頻按照同深度進行同步數據分析，來判讀巖性與分層，用伽馬曲線、視電阻率曲線、自然電位3條曲線來進行層位分析，從而得到鉆孔的綜合柱狀圖。ZK5鉆孔綜合柱狀圖顯示：鉆孔深度為12.28 m，在0～7.57 m為砂質泥巖，厚度為7.57 m。在7.57～9.95 m為泥巖，厚度為2.38 m。在9.95～12.28 m為煤，厚度為2.33 m。

3）煤層起止位置。不間斷的對鉆孔進行視頻拍攝，可以對煤層起止點進行截圖分析，從而確定煤(巖)層的起止位置，以及孔內的鉆探情況。

4）煤層上下巖層測井曲線特征。通過測井數據庫與實測相結合的曲線分類，初步斷定勘查區的地層和巖性變化情況。平煤十三礦各類巖性測井特征見表2。

表2 平煤十三礦各類巖性測井特征Table 2 Various lithologic logging characteristics in Pingmei No.13 Mine

3.2 煤層趨勢面分析

利用鉆孔成像得到的地質信息，結合測量成果臺賬資料等資料，通過surfer軟件可以繪制煤層趨勢面分析圖。通過對191個瓦斯抽放鉆孔探測綜合分析得到2條斷層延伸區域、1個煤層相對變薄區和1個煤層相對增厚區。

1）煤厚等值線圖。以11110采面鉆孔成像提取到的信息為基礎，繪制了該采面的煤厚等值線圖。在等值線圖中，發現了賦存于該采面內部的2個煤層較厚的煤厚異常區（煤厚大于7.0 m），并較為直觀的反應了煤厚異常區的延伸方向和范圍。該煤厚異常區的位置大致在A9′-A10測點附近，經過地測部門在該采面切眼的實際探煤厚資料驗證，在圖示范圍確實探測到了煤厚的急劇增厚變化，與圖紙資料較為吻合。

2）煤層底板等高線圖。利用相關資料，通過surfer軟件繪制了己15-17-13050機巷煤層底板等高線圖。在底板等高線圖D21測點附近，等高線出現了走向、間距、傾角的急劇變化。經機巷低抽巷實揭資料和地質超前探資料分析為構造發育。后期在機巷實際掘進中在該點附近發現了2條正斷層的存在，斷層產狀為345°∠45°H=2.0 m和350°∠85°H=3.0 m。

3）采面殘值圖。利用11080采面中抽巷瓦斯治理穿層鉆孔資料以及11080采面風機巷及切眼實際揭露煤厚資料，可以得到煤厚偏差圖和底板等高線偏差圖。在11080采面底板等高線偏差圖Z15測點附近發現了殘值的正負變化，由-1增長為+1。而在距離較近的切眼附近實際揭露1條逆斷層，斷層產狀為188°∠36°H=7.0 m。經初步分析可能為該斷層影響導致。

在11080采面煤厚等值線偏差圖中G4-G5測點上部出現了較大的煤厚偏差，由0增長為+1，顯現存在煤厚異常區。由于附近機巷及中抽巷掘進過程中均未揭露斷層。經初步分析可能為煤層賦存不穩定導致。

4 鉆孔偏移規律

4.1 順層鉆孔與穿層鉆孔偏移規律

順層鉆孔和穿層鉆孔在打鉆過程中發生軌跡偏移是常見的現象，其主要呈現以下的規律：

1）順層鉆孔由風巷向機巷打孔多向下飄，而順層鉆孔機巷向風巷打孔傾角多向上飄，鉆孔傾角均會變大。

2）當順層鉆孔角度與煤層傾角越接近，在煤層中穿行的距離越長鉆孔傾角越容易發生變化。

3）設計傾角0°～40°的穿層鉆孔，鉆孔傾角受鉆桿自重影響一般容易向下偏移；傾角50°～90°鉆孔同樣受鉆桿自重影響，根據受力分析，鉆孔傾角偏移相對較小。

4）不論是穿層鉆孔還是順層鉆孔，其方位的偏差主要受鉆機鉆進速度、鉆進壓力、鉆進扭矩及巖層的傾向的影響發生變化，不再詳細贅述。

4.2 順層鉆孔與穿層鉆孔軌跡偏斜原因

鉆孔軌跡偏斜情況是普遍存在的，在平面和剖面上均呈現明顯的偏斜現象，導致鉆孔彎曲的原因多種多樣，主要有以下幾點：

1）地層因素。由于地層較為復雜，巖石的各向異性，軟、硬巖層變化頻繁，當鉆進以銳角透過軟硬巖石界面，從軟巖層進入到硬巖層時，由于軟硬部分抗破碎阻力不同，使鉆孔朝著垂直于層面的方向彎曲；而從硬巖進入軟巖時，則鉆具軸線有偏離層面法線方向的趨勢。整體軌跡向下偏移，偏移較大位置集中在套管底端和海相泥巖與石灰巖交界處。

2）鉆進規程參數。鉆壓過大，會引起鉆桿甚至巖心管彎曲，使鉆頭緊靠孔壁一側，此時偏倒角達到最大，并且鉆具的摩擦阻力也會增加，隨著摩擦阻力的增大，鉆具圍繞孔軸線回轉的頻數下降，甚至只圍繞自身軸線自傳，此時鉆具傾斜或彎曲平面具有固定的方向，從而導致鉆孔彎曲。

轉速過高，鉆桿柱回轉離心力增大，從而加劇了鉆具的橫向震動和擴壁作用，結果孔壁間隙增大，鉆孔彎曲。沖洗液量過大，特別是在較軟巖層中沖洗液會沖刷、破壞井壁造成“大肚子”孔段，這些都會使孔壁間隙增加，為鉆具偏道、鉆孔彎曲創造條件。

5 結 語

應用的鉆孔成像技術，利用其視頻成像、自然伽馬、電阻率、自然電位等功能，可以精準的實現鉆孔軌跡（方位角、傾角）控制，鉆孔深度、終孔位置控制，鉆孔孔內視頻拍攝，鉆孔柱狀層位分析等鉆孔信息的提取。獲取的鉆孔數據結合井下工程實揭數據，測量數據，構造數據，視頻、測井、測斜、物探數據，借助Surfer軟件生成的煤厚等值線圖、煤層頂（底）板等高線圖、剖面圖、偏差圖等成果圖件，實現了煤層趨勢面的精準分析。在平煤十三礦對己15-17-11110中191個瓦斯抽放孔進行探測，初步得到平煤十三礦各類巖性測井特征，綜合分析得到2條斷層延伸區域、1個煤層相對變薄區和1個煤層相對增厚區。順層鉆孔和穿層鉆孔偏移呈現一定的規律性，其受地層因素和鉆進規程參數的影響。