基于方位伽馬的煤巖界面探測數值模擬研究

陳剛，陳 龍，李泉新，劉志毅

(1.蘭州大學 核科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000；2.中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

隨著鉆進工藝和技術的不斷提升，水平井和大斜度井等定向鉆進中能夠有效控制軌跡向煤層氣藏的富集區域鉆進[1-2]。定向鉆進對實現探放水作業、及煤層氣高效開發有重要意義。傳統測井方法已不能滿足定向井鉆進，為適應鉆進實時測量需求，近年來煤礦井下孔中隨鉆測量技術發展迅速。在煤礦區使用隨鉆方位伽馬能夠實時探測鉆進煤巖層的自然放射性，測量的伽馬數據具有方位，能夠實現煤層頂底板探測應用，對煤巖層伽馬數據進行方位成像處理，并與其他測井儀器組合使用可達到順煤層鉆進地質導向目的[3-5]。

在地面煤層氣開發中，通常由于頂底板巖性天然放射性與煤層差異較大，因此，隨鉆方位伽馬測井可用于煤層頂底板識別。在國內隨鉆方位伽馬測井研究也有近十年時間，相比國外先進技術，國內儀器研究發展較慢。隨著煤層氣大規模開發，面臨著煤層厚度不穩定、構造復雜等難點，傳統的隨鉆測量系統配伽馬隨鉆儀器已不能滿足現場施工要求。為達到煤層氣L 型水平井水平段快速鉆進的目的，后續開發了近鉆頭方位伽馬儀器。

但在煤礦井下鉆探中，煤層頂底板識別主要憑經驗通過鉆孔孔口反水、鉆進參數變化的方法分辨地層，該方法技術落后、可靠性差，對于復雜煤層的適應性差，因此，亟需將隨鉆方位伽馬測井移植到煤礦井下鉆探中[6-7]。

但由于煤礦井下特殊施工條件限制，石油領域開發的自然伽馬測量儀器不能用于煤礦井下定向鉆進施工，主要原因為：儀器直徑較大，不適用于煤礦井下小口徑鉆進；儀器長度較長，受煤礦井下巷道空間限制；儀器需要電流、電壓較大，不滿足防爆要求，因此，迫切需要具有自主知識產權的先進煤礦井下隨鉆裝備。本文通過數值模擬研究圍巖厚度和吸收系數不同情況下伽馬射線強度響應值，分析伽馬探測器在含放射性地層條件下，伽馬測量值API 反映空間物理特征的差異性，在此基礎上建立八扇區隨鉆方位伽馬鉆進煤、泥、灰巖3 層地質模型，模擬鉆進煤層頂底板識別過程，為煤礦地質導向工程提供理論指導。

1 隨鉆方位伽馬測量技術

1.1 基本原理

巖石中含天然放射性元素衰變時自發地放出伽馬射線，閃爍晶體探測器接收到伽馬射線后產生光電子，后經光電倍增管后變為電脈沖，經放大后將信號傳送，不同地層巖性中放射性元素的含量不同，正是基于此，自然伽馬測井可劃分地層巖性、確定泥巖含量等[8-10]。與石油行業不同，煤礦井下隨鉆方位伽馬測量探管電路設計既要達到防爆要求，又要滿足測量特性。防爆設計主要針對儀器電源電路進行多重保護設計和減小儀器功耗。由于儀器尺寸小，需要壓縮結構和電路布置空間。煤礦井下隨鉆方位伽馬測量探管硬件設計包括碘化鈉晶體探測器、脈沖整形電路、中央處理器電路、光電倍增管高壓電源、非易失存儲器、電流電壓保護電路等幾部分組成[11-16]，如圖1 所示。

圖1 隨鉆方位伽馬測井儀原理框圖Fig.1 LWD azimuth gamma logging instrument principle diagram

1.2 水平井放射性地層伽馬射線強度計算

煤礦井下順煤層隨鉆鉆進時，多為水平井或者大斜度井，順煤層隨鉆水平井的自然伽馬分布規律及解釋模型的理論研究與垂直井煤巖層鉆進相比并不完善，水平井中沿井軸的自然伽馬分布規律有很大差別[16-19]。

假設煤巖層水平井段放射性頂板厚度為h，且煤巖層為軸向有限厚、徑向無限遠，井內介質、圍巖和地層的吸收系數都是μ，井眼半徑為r0，伽馬射線強度為J，地層密度為ρ，放射性物質的平均放射強度為q，體積為v，每秒鐘伽馬量子數為A，如圖2 所示，在井孔任意點O(x,y,z)單位體積dv引起的伽馬射線強度Jr為：

圖2 水平井地層伽馬射線沿井軸分布計算Fig.2 Calculation diagram of gamma ray distribution along well axis in horizontal well formation

式中：z0為任意點O到煤巖界面的垂直距離。

1.3 八扇區隨鉆方位伽馬工作原理

多扇區隨鉆方位伽馬儀器可以含有單個或多個伽馬探測晶體傳感器，本文采用單個伽馬探測晶體傳感器，旋轉狀態下通過屏蔽殼和方位傳感器能夠實現八扇區方位計算，受困于煤礦井下儀器尺寸限制探測晶體傳感器安裝鉆鋌中心，用以記錄來自上下左右4 個方位、8 個象限的地層伽馬射線。礦用八扇區隨鉆方位伽馬測量分布如圖3 所示，其能夠對水平孔煤巖層軸向進行伽馬成像。

圖3 八扇區隨鉆方位伽馬測量分布Fig.3 Distribution diagram of azimuth gamma measurement while drilling in eight sectors

2 自然伽馬測井圍巖影響數值模擬

儀器在鉆孔中測量時除受目的層伽馬射線正常影響外，圍巖性及厚度和泥漿吸收系數不同時伽馬測井曲線響應也不相同。通過數值計算，模擬分析厚度相同時圍巖的吸收系數不同時伽馬響應，以及不同層厚圍巖、不同地層吸收系數時伽馬響應。

2.1 圍巖吸收系數影響模擬

在孔中圍巖介質厚度相同、吸收系數不同情況下，模擬吸收系數分別為0.080、0.085、0.090、0.100 時伽馬射線強度變化，吸收系數的設置主要選用常見巖性和水的經驗值，如圖4 所示。由圖4 可知，自然伽馬射線強度隨著吸收系數的減小而增大。

圖4 吸收系數不同圍巖伽馬射線強度變化模擬Fig.4 Variation of the absorption coefficient of different surrounding rock with different surrounding rock gamma ray intensity

2.2 圍巖厚度對自然伽馬影響模擬

假設孔中介質吸收系數均相同，目的層、圍巖和泥漿吸收系數都為0.15 時，以及地層和泥漿的吸收系數為0.15，圍巖的吸收系數為0.08 時，圍巖厚度分別為1、3、6 m 的情況下模擬自然伽馬測井響應，如圖5所示。

圖5 中實線為圍巖與目的層和泥漿吸收系數相同、虛線為吸收系數不同，圍巖厚度在1、3 和6 m 時響應變化。由圖可知，隨著圍巖吸收系數的減小，伽馬射線強度增大；當吸收系數相同時，自然伽馬曲線隨圍巖的增厚而變大。

圖5 不同圍巖厚度地層吸收系數變化模擬Fig.5 Simulation of 1 m,3 m,6 m and formation absorption coefficient in surrounding rock

3 八扇區隨鉆方位伽馬鉆進監測模擬

在煤礦井下瓦斯抽采中，隨鉆測井裝備順著煤層鉆進，通常頂底板巖性天然放射性與煤層差異較大，當鉆遇地層界面時，能夠通過上下伽馬幅度變換順序及測斜數據，判別分界面，及時調整鉆頭方向，維持順煤層鉆進，如圖6 所示。

圖6 隨鉆方位伽馬鉆進Fig.6 Schematic diagram of the drilling azimuth gamma

結合隨鉆測斜數據利用隨鉆方位伽馬測井可實現順煤層鉆進的動態監測，并且能夠定量計算鉆頭到層界面鉆遇距離，由下式可分別計算鉆頭到層界面的鉆遇距離和垂直距離，儀器鉆遇頂板距離計算模型如圖7所示。

圖7 儀器鉆遇頂板距離計算模型Fig.7 Calculation model of distance between instrument and roof

式中：L為沿鉆進方向鉆頭到煤巖層界面的距離；Lc為鉆頭到垂直煤巖層界面的距離；d為孔口處儀器探測器距頂板距離；α為層界面與儀器的夾角；Lac為探測器到鉆頭的距離。

d與α可由下式表示：

式中：dn為第n次測量時，探測器距頂板距離；Δh為深度采樣間隔；α1為地層視傾角；θn為第n測點處儀器傾斜角度。

建立3 層地質模型，煤層厚度h=3 m，上層圍巖為80 API 的灰巖；目的層為20 API 的煤巖；下部圍巖為120 API 的泥巖；鉆頭到探測器的距離分別為1、3、7 m。模擬隨鉆方位伽馬在3 層地質模型煤巖層小角度鉆進，如圖8 所示。由于煤礦井下使用主要用于判斷穿越煤巖界面，因此，為增強單晶體探測響應信號，本文計算時將圖3 中的1、2、7、8 象限值合并記為上伽馬，3、4、5、6 象限值合并記為下伽馬。

由圖8 可以發現，當從煤層鉆進到頂板灰巖時，上下伽馬曲線幅值均變大且上伽馬先增大，指示鉆遇頂板，鉆頭與頂板的距離計算先減小，鉆出界面后增大；當回到煤層鉆進到底板泥巖時，上下伽馬曲線幅值明顯變大且下伽馬先增大，指示鉆遇底板。雖然模擬順煤層鉆進時上下伽馬的變化幅度可以直觀地判斷鉆遇巖性變化，但是隨著鉆頭到探測器的距離的增大，延遲了上下伽馬的差異變化響應。當探測器到鉆頭的距離分別為1、3、7 m 時，可指示鉆遇距離分別為8、6、2 m。

圖8 隨鉆方位伽馬煤巖層鉆進監測模擬Fig.8 LWD azimuth gamma coal seam drilling monitoring simulation

4 八扇區隨鉆方位伽馬鉆進放射性地層模擬測量

為測試八扇區隨鉆方位伽馬儀器在鉆進放射性地層時響應特征，設計旋轉臺模擬鉆進，并在儀器周圍放置不同放射性材料，模擬煤層泥巖頂底板。測試時八扇區隨鉆方位伽馬儀器探管下方放置250 API 的放射性材料，空置之后替換為150 API 的放射性材料，空置之后取走下方放射性材料改為上方放置(250+150) API的放射性材料。

實驗中8 個扇區接收伽馬數值顯示穩定、正常，能夠表現出方位特性。圖9 為伽馬二維成像處理結果，顏色越紅表示伽馬值越大，方位成像結果顯示穩定、正常，能夠呈現出方位特性，180°代表下伽馬，0 和360°代表上伽馬。當下方放置放射性材料，下伽馬值較大；當上方放置放射性材料，上伽馬值較大；因此，符合儀器屏蔽殼開窗方位特性。如圖9 中虛線所示，圖中下伽馬值先變大、上伽馬值后變大，為典型穿出底板泥巖層特征，圖像可用于判斷穿層。

圖9 八扇區隨鉆方位伽馬二維成像處理結果Fig.9 Processing results of eight sector azimuth gamma imaging while drilling

5 結論

a.利用數值計算模擬分析可知：當圍巖厚度相同而吸收系數不同時，伽馬強度隨著吸收系數的增大響應減弱；在吸收系數相同條件下，伽馬曲線關于地層中心對稱；在圍巖吸收系數不同時，曲線的最大值向吸收系數小的方向偏移，當巖層吸收系數由0.08 變為0.10時伽馬射線強度減小一半。

b.模擬八扇區隨鉆方位伽馬在三層地質模型煤巖層鉆進，正演得到伽馬測井曲線的幅值與上下伽馬變化順序同層界面放射性相符合。當小角度穿層時，探測器到鉆頭的距離分別為1、3、7 m 時，能夠監測前方鉆進8、6、2 m 地層物性的變化。

c.當從煤層鉆進到頂板灰巖時，上下伽馬曲線幅值均變大且上伽馬先增大；當回到煤層鉆進到底板泥巖時，上下伽馬曲線幅值明顯變大且下伽馬先增大，可指示鉆遇底板，通過方位成像顯示結果能夠用于判斷穿出或穿入煤巖層，實時獲取地質信息可減少無效鉆進，為順煤層鉆進過程中巖性監測、及時調整鉆頭鉆進提供依據。