基于仰斜鉆孔軸向加速度測井的巖性識別與巖體結(jié)構(gòu)分析

馬良慧，趙華山，尹楊林，王言龍，何雙龍，李筆文

（1.華亭煤業(yè)公司山寨煤礦，甘肅 華亭 744112；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦山水害防治技術(shù)基礎(chǔ)研究實驗室，江蘇 徐州 221116）

目前煤礦井下探測地質(zhì)條件的方法主要有物探和鉆探兩種方法。依靠鉆孔獲取巖芯實物和測試一直是較為有效的方式，而由于取芯耗時耗力，也嚴(yán)重影響著施工的進(jìn)度和效率。本文使用隨鉆測振儀器[1]，采用隨鉆加速度測井技術(shù)[2]，以山寨煤礦二、三采區(qū)頂板巖層為研究對象，建立一套隨鉆測井快速探測覆巖巖性和地層結(jié)構(gòu)的方法。該儀器和測振方法的應(yīng)用使地質(zhì)條件復(fù)雜無法取芯情況下仍能獲取巖性和一定物理力學(xué)性質(zhì)成為可能，同時顯著提高了測試和獲取地層信息的速度；在山寨煤礦沖擊地壓地質(zhì)條件勘探階段的早期識別、早期分析判斷方面，具有重要的支撐作用，對其他工程領(lǐng)域的巖性和巖體結(jié)構(gòu)宏觀識別也具有借鑒作用。

1 測試設(shè)備及測試原理

1.1 測試設(shè)備

鉆探過程中，因鉆遇巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和環(huán)境的不同，鉆頭破碎巖石做功和產(chǎn)生的振動將發(fā)生變化。最初的設(shè)計主要考慮進(jìn)行鉆遇巖性判斷與鉆探工程驗收等功能，主要測試隨鉆三分量振動和鉆孔軌跡。隨鉆測試時內(nèi)管置于外管內(nèi)，通過操作主機(jī)即可與內(nèi)管測試數(shù)據(jù)同步記錄。

圖1 隨鉆測振示意圖

圖1為隨鉆測振施工示意圖。測試儀器總成安裝在鉆頭和鉆桿之間，隨鉆頭進(jìn)入鉆孔。測試儀器總成具有與鉆桿內(nèi)過流面積相近的泥漿循環(huán)通道，管內(nèi)和孔壁與鉆桿環(huán)狀間隙之間循環(huán)的泥漿為儀器的冷卻介質(zhì)；儀器外觀對內(nèi)管進(jìn)行保護(hù)，密封。測試儀器與鉆桿同步旋轉(zhuǎn)、下鉆、提鉆。由于內(nèi)置存儲器，可以每天提鉆一次讀取一次數(shù)據(jù)。

1.2 軸向加速度測井原理

鉆桿柱在孔內(nèi)工作過程中有扭轉(zhuǎn)、軸向、橫向三種振動形式[3]。這些振動一方面是由鉆機(jī)、鉆桿本身決定的，另一方面是由所切削的巖體決定。由于鉆機(jī)、鉆具的穩(wěn)定性，其形成的振動信號基本穩(wěn)定，而鉆頭切削的巖體因巖性、巖體結(jié)構(gòu)變化，其振動隨鉆進(jìn)進(jìn)尺發(fā)生變化。

在鉆進(jìn)過程中，鉆具在孔內(nèi)的振動可通過加速度進(jìn)行觀測。本文采用的裝備應(yīng)用三分量加速度傳感器進(jìn)行加速度觀測。通過加速度變化即可監(jiān)測振動頻率變化，根據(jù)加速度的幅度變化可反映碎巖的能量大小。由此，為采用測振方法識別巖性、巖體強(qiáng)度帶來了可能。鉆桿柱的這些振動，通過傳感器記錄下來，即形成隨時間的加速度歷時曲線。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的分析成果，若測振信號可表示為x(t)，則連續(xù)信號x(t)在時間0-T內(nèi)的平均能量可采用公式（1）表示。其中為信號的均方值，也就是信號的強(qiáng)度或能量。由于測試采樣頻率的原因，事實上采樣取得的數(shù)據(jù)是離散后的曲線，如果在0-T時刻內(nèi)采樣的離散點數(shù)為N，則對公式（1）進(jìn)行離散后可得公式（2）。

由于測振加速度可表示成重力加速度g的倍數(shù)，因此，離散化后能量實際為重力加速度g2的倍數(shù)，為表達(dá)方便，軟件輸出和曲線繪制時統(tǒng)一表述為幾個g。

由于振動監(jiān)測原因，鉆進(jìn)過程起下鉆、純鉆進(jìn)時間是有區(qū)別的信號，因此只要掌握鉆進(jìn)某層位到某層位的時間，在鉆進(jìn)速度基本穩(wěn)定的情況下，即可建立鉆進(jìn)深度和能量信號之間的對應(yīng)關(guān)系。測井過程采集到的是時間-加速度曲線，經(jīng)過倒桿拼接和能量變換后，即可得到全孔的鉆深～能量變化曲線。

2 測試工程與布置

2.1 工程背景

山寨煤礦位于甘肅省華亭縣華亭礦區(qū)，華亭礦區(qū)屬平?jīng)觥缐鄣貙有^(qū)，沉積特征與華北地層相似，普遍缺失上奧陶統(tǒng)至石炭系的地層。山寨井田內(nèi)地表未見第三紀(jì)以前地層出露，據(jù)鉆孔揭露及地表出露，地層從老到新有：上三疊統(tǒng)延長群（T3yn）、下侏羅統(tǒng)富縣組（J1f）、中侏羅統(tǒng)延安組（J2y）、直羅組（J2z）與安定組（J2a）、上第三系甘肅群（Ngn）和第四系（Q）。其中，本井田的含煤地層為中侏羅統(tǒng)延安組，平均厚度為153.81m。賦存5個煤層（組），共7層煤。山寨煤礦主采煤5層，次要可采煤3層。由于煤層頂板中存在若干強(qiáng)度較高、厚度較大的巖層，在開采過程覆巖垮落中具有發(fā)生沖擊地壓的可能性，本區(qū)已經(jīng)開展了大量的沖擊傾向性相關(guān)研究工作。采用快速的頂板巖性和力學(xué)性質(zhì)探測方法，識別沖擊地壓關(guān)鍵層和分析巖層的空間分布，對本礦沖擊地壓災(zāi)害防治具有重要意義。本次測試即在煤5層頂板由下向上的仰斜鉆孔內(nèi)進(jìn)行，利用測振測井快速探測覆巖巖性和結(jié)構(gòu)，識別關(guān)鍵層。

2.2 測試布置

鉆孔施工目的層位根據(jù)頂板巖性組合判斷，以穿透預(yù)計的導(dǎo)水裂縫帶高度為基本原則。本礦設(shè)計終孔層位為煤4層底板油頁巖，根據(jù)鉆孔返漿控制最終的終孔層位。鉆孔的平面布置的間距和排列與巖層空間形態(tài)特征有密切關(guān)系，鉆孔密度大則地層情況描述更為準(zhǔn)確，考慮到防控沖擊地壓的目標(biāo)，應(yīng)該是每個計劃開采工作面應(yīng)有1個～2個鉆孔覆蓋。同時，巖層厚度變化大、殲滅等關(guān)鍵位置應(yīng)加密控制，根據(jù)測試結(jié)果解釋不清的部位應(yīng)該補(bǔ)充控制。

圖2 測試鉆孔位置

由于本次研究主要進(jìn)行測試方法探索，因此設(shè)計了測試鉆孔3組，三角形分布于3處便于施工的典型位置，每組2個鉆孔，其中1個進(jìn)行測井，另1個全孔取芯。在每組測試孔內(nèi)選擇其中之一進(jìn)行窺視成像。鉆孔終孔直徑91mm，仰斜角度70°～80°。3處鉆孔施工位置及布置分別為：①西翼三號進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷L(fēng)4#點后3m處，施工方位255°（與巷道走向垂直），鉆孔傾角80°（與煤層傾角一致）；②二采區(qū)軌道輔巷上平巷GH12#點處，施工方位236°（與25021順槽方向夾角70°），鉆孔傾角85°（與煤層傾角一直）；③三采區(qū)一號進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷051/1#點處，施工方位250°（與巷道方向一致），鉆孔傾角80°（與煤層傾角一致）。3處鉆孔位置及原有鉆孔分布如圖2所示。

3 測試結(jié)果分析

3.1 巖性識別

3.1.1 取芯編錄

結(jié)合取芯編錄，對051/1點鉆孔的前26.4m進(jìn)行綜合解釋。

根據(jù)取芯和孔內(nèi)成像分析0m～8m為泥巖泥質(zhì)砂巖混合段，8m～10m為泥質(zhì)砂巖和砂巖夾黃色泥巖；10m～12m為灰白色砂巖夾黑色條帶，局部夾薄層灰色泥質(zhì)砂巖；12m～13.3m為灰色泥質(zhì)砂巖夾黃色泥巖；13.3m～17m為灰白色砂巖局部夾泥質(zhì)砂巖和泥巖，在14.4～15.1砂巖中含黑色條帶明顯密集；17m～20m灰色泥質(zhì)砂巖和砂巖，夾薄層黑色巖塊；20m～20.3m為一呈灰黑～黑色炭質(zhì)泥巖；20.3m～24.1m為灰～深灰色泥質(zhì)砂巖和泥巖段；24.1m～26.4m為灰黑色～黑色油頁巖夾泥巖。

所有鉆孔采取的巖芯，按照編錄順序，逐層進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)測試，獲取巖石的單軸抗壓、抗拉、抗剪強(qiáng)度和靜、動彈性模量。鉆孔取芯、性質(zhì)測試和孔壁成像，為測井曲線解釋、對比奠定了原型基礎(chǔ)。

3.1.2 測井巖性識別

以三采區(qū)一號進(jìn)風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷051/1#點鉆孔為例，圖7為051/1點的解釋截圖，其中橫坐標(biāo)為鉆孔深度，縱坐標(biāo)表示能量大小。

圖3 051/1點鉆孔測振解釋

該點鉆孔前26.4m分三段進(jìn)行測振。根據(jù)振動信號分析，在孔深約10m、12.5m、13.2m、14.4m、15m和22.5m處振動信號變化大。巖性大體可劃分為：0m～8m主要為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖互層，局部夾砂巖；8m～10m為硬度較高的砂巖；10m～15m為交替變化的泥質(zhì)粉砂巖和砂巖段；15m～22.5m為硬度變低的砂巖和泥質(zhì)粉砂巖互層；22.5m～26.4m為硬度低的油頁巖并夾泥質(zhì)粉砂巖。

通過隨鉆測振測井，對軸向加速度進(jìn)行傅里葉變換和時深轉(zhuǎn)換后，本次測試以能量為1g的為煤層；能量1g～2g解釋為硬度較軟的泥巖；能量大于2g低于4g解釋為硬度一般的泥質(zhì)粉砂巖；能量大于4g解釋為硬度較大的砂巖。

3.2 數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)巖石物理力學(xué)性質(zhì)與巖樣對應(yīng)鉆孔位置的測振能量對比分析，得到力學(xué)性質(zhì)與測振能量的對應(yīng)關(guān)系如圖4、圖5，通過擬合，獲得靜彈性模量和動彈性模量與測振能量的擬合關(guān)系式。

從圖4、圖5可見，動彈性模量（Ed）、靜彈性模量（Es）兩種力學(xué)參數(shù)分別與測振能量均方值呈正相關(guān)的關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)均大于0.8，其中彈性模量與測振能量的線性相關(guān)性更高，反映了測振能量分別與彈性模量和抗壓強(qiáng)度有著密切關(guān)系，以測振能量大小來衡量彈性模量和抗壓強(qiáng)度具有較高的準(zhǔn)確性。

圖4 Es和擬合關(guān)系

圖5 Rc和擬合關(guān)系

以上巖石力學(xué)性質(zhì)與測振能量均方值定量模型的建立，如果進(jìn)一步優(yōu)化和提升模型的準(zhǔn)確性，則可替代中間環(huán)節(jié)巖石物理力學(xué)性質(zhì)測試，對快速評價巖體結(jié)構(gòu)和巖性判別具有推動作用。

3.3 巖體結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)鉆孔軸向加速度測井曲線，煤5以上60m左右?guī)r層范圍內(nèi)，存在3個比較堅硬的巖層，主要為砂巖層和泥質(zhì)粉砂巖，從下到上其厚度分別為3.1m～5.1m、4.5m～6.93m、6.3m～6.9m，距 離 煤5頂 板 厚 度 分 別 為17.5m～20.8m、33.5m～51.7m和41.5m～57.25m。

在巖性識別和力學(xué)參數(shù)估計基礎(chǔ)上，基于關(guān)鍵層理論[5]，運(yùn)用KSPB軟件[6]對研究區(qū)關(guān)鍵層進(jìn)行了識別。在3處測試位置均存在一個主控關(guān)鍵層和1個～2個次控關(guān)鍵層，與上述堅硬巖層相對應(yīng)。如圖6為關(guān)鍵層剖面圖局部截圖，煤5頂板上方35m～55m范圍存在由主控關(guān)鍵層和次控關(guān)鍵層形成的組合關(guān)鍵層。

圖6 關(guān)鍵層截圖

這些堅硬巖層從物質(zhì)來源上控制了影響沖擊地壓關(guān)鍵層的位置。煤5上方的關(guān)鍵巖層位置總體為東高西低，在東部區(qū)域頂板上方20m左右存在次控關(guān)鍵巖層，而在西部區(qū)域L4點附近相同高度位置不存在次控關(guān)鍵巖層。由此也說明，沉積環(huán)境、物源和地質(zhì)結(jié)構(gòu)是決定其具有沖擊可能性的重要因素。

根據(jù)測井結(jié)果繪制的關(guān)鍵層等厚線，通過主控關(guān)鍵層等厚線，可看出山寨煤礦煤5上方關(guān)鍵層厚度受沉積環(huán)境影響并發(fā)生變化。測試區(qū)域研究的目標(biāo)地層為一套泥炭沼澤相、沼澤相、湖泊相、湖泊三角州相、河漫相和河床相多環(huán)境變化的沉積地層。由繪制的地層剖面可見，除煤層外，地層中的泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為軟硬互層結(jié)構(gòu)分布，不同鉆孔間對應(yīng)層位存在明顯的相變特征，堅硬和軟弱巖層連續(xù)性不好。由于成因、顆粒和成分的控制，造成不同層位的物理力學(xué)性質(zhì)存在差異，從而導(dǎo)致關(guān)鍵層在空間的分布也缺乏嚴(yán)格的連續(xù)性。因此，也形成了復(fù)合關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)，由此也可能形成關(guān)鍵層的復(fù)合破斷效應(yīng)。通過精細(xì)探測，考慮地質(zhì)成因，評價關(guān)鍵層的分布，有可能成為礦井防治沖擊礦壓和實現(xiàn)頂板安全管理的重要突破。

圖7 關(guān)鍵層等厚線

4 結(jié)論

通過測試和分析，主要得出以下結(jié)論。

（1）應(yīng)用基于仰斜鉆孔軸向加速度測井的方法能夠快速獲得巖土體巖性信息和巖體結(jié)構(gòu)特征。

（2）建立了山寨煤礦特有的采用測井曲線解釋巖性力學(xué)性質(zhì)變化的數(shù)學(xué)模型。

（3）識別了山寨煤礦研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)，分析并劃分了關(guān)鍵層，為沖擊地壓防治提供了依據(jù)。