基于鉆孔成像的煤層地質(zhì)趨勢(shì)面分析技術(shù)

孫米銀

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十三礦，河南 平頂山 467000）

瓦斯地質(zhì)信息在煤與瓦斯突出事故預(yù)防中具有重要的作用[1-4]。如何精準(zhǔn)提取地質(zhì)信息，實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯地質(zhì)趨勢(shì)面的準(zhǔn)確分析，是一項(xiàng)十分重要的工作。當(dāng)前瓦斯地質(zhì)信息提取與瓦斯地質(zhì)方法主要有：綜合地質(zhì)信息分析法[5]、數(shù)碼攝像與TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合[6]、前視電子鉆孔窺視[7]、低溫超導(dǎo)瞬變電磁法[8]、CT探測(cè)技術(shù)[9]、無(wú)線(xiàn)電波透視和槽波地震融合法[10]、GPS地質(zhì)勘探等方法[11]。部分學(xué)者還開(kāi)發(fā)了自動(dòng)鉆機(jī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)地質(zhì)數(shù)據(jù)軟件[12]、鉆井信息模型檢索方法[13]、基于優(yōu)化建模的新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的地質(zhì)管理系統(tǒng)[14]等。以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)探測(cè)方面的研究主要聚焦在地形、地貌等地質(zhì)信息的探測(cè)[15]，而對(duì)于如何在復(fù)雜地質(zhì)條件下精準(zhǔn)提取鉆孔地質(zhì)信息的研究相對(duì)較少。因此，將鉆孔成像技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜地質(zhì)條件下的鉆孔地質(zhì)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(zhì)超前探孔、構(gòu)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(shù)據(jù)。基于這些地質(zhì)信息，結(jié)合已有的地質(zhì)信息，繪制煤厚等值線(xiàn)圖、煤層底板等高線(xiàn)圖、采面殘值圖等信息，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層瓦斯地質(zhì)趨勢(shì)面的分析。

1 鉆孔地質(zhì)信息提取

1.1 地質(zhì)信息提取方法

該方法主要使用的YZD18.5礦用側(cè)向電阻率視頻成像測(cè)井儀對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的地質(zhì)信息進(jìn)行提取和利用。該視頻成像測(cè)井儀由測(cè)井儀主機(jī)、測(cè)井儀探管、線(xiàn)纜以及推桿等構(gòu)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(fā)電位1、2、鉆孔軌跡測(cè)量及控制單元構(gòu)成，在測(cè)量大口徑鉆孔時(shí)，扶正器可保證探測(cè)時(shí)探頭位于鉆孔中央。

2）主機(jī)控制部分由視頻采集控制單元、數(shù)據(jù)采集控制單元、電纜及繞線(xiàn)裝置等構(gòu)成。

3）深度計(jì)數(shù)模塊通過(guò)測(cè)量電纜的長(zhǎng)度獲取探測(cè)深度。

4）推桿每節(jié)長(zhǎng)度1.0 m，互相可連接，末端與探頭連接。

探管中的采集器對(duì)采集數(shù)據(jù)原位數(shù)字化并傳輸至測(cè)井儀主機(jī)，從而消除了模擬信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的地震勘探全數(shù)字化，同時(shí)探管中的攝像頭把視頻信號(hào)傳回主機(jī)，由主機(jī)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。在數(shù)據(jù)分析方面采用自然伽瑪測(cè)井曲線(xiàn)與視頻按照同深度進(jìn)行同步數(shù)據(jù)分析，來(lái)判讀巖性與分層，用GR曲線(xiàn)、視電阻率曲線(xiàn)、自然電位3條曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行層位分析。繪制鉆孔巖性柱狀、分析鉆孔的巖層結(jié)構(gòu)，同時(shí)能夠定向繪制鉆孔軌跡平面圖、自動(dòng)生成鉆孔地質(zhì)剖面原型，并進(jìn)行各種圖形的CAD或圖片輸出。

1.2 地質(zhì)信息提取指標(biāo)

該方法主要對(duì)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(nèi)孔壁結(jié)構(gòu)特征分析及分層為研究對(duì)象，以解決鉆孔是否按照設(shè)計(jì)方向鉆進(jìn)、鉆探終孔位置是否達(dá)到設(shè)計(jì)位置、鉆孔內(nèi)揭露的資料是否可以更詳細(xì)與準(zhǔn)確的描述等當(dāng)前礦方鉆探面臨的重要難題。具體的研究?jī)?nèi)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(nèi)視頻拍攝；④鉆孔孔壁結(jié)構(gòu)特征評(píng)價(jià)；⑤鉆孔柱狀層位分析。

2 煤層趨勢(shì)面分析數(shù)據(jù)采集及篩選

2.1 煤層趨勢(shì)面分析

煤層趨勢(shì)面分析的基本功能在于將數(shù)據(jù)中的區(qū)域性特征、局部性特征及隨機(jī)干擾分離出來(lái)，以便從中找出隱蔽和被掩蓋的地質(zhì)信息。在同一層面利用鉆孔成像技術(shù)，可以分別對(duì)局部防突措施孔、注水鉆孔等鉆孔進(jìn)行地質(zhì)數(shù)據(jù)的提取。在結(jié)合測(cè)量成果臺(tái)賬資料等資料，借助Surfer軟件生成的煤厚等值線(xiàn)圖、煤層頂（底）板等高線(xiàn)圖、剖面圖、偏差圖等成果圖件，實(shí)現(xiàn)了煤層趨勢(shì)面分析。圈定地質(zhì)異常，提高地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，更好服務(wù)于煤礦瓦斯防治和安全生產(chǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

煤層趨勢(shì)面的分析除了采用鉆孔成像技術(shù)獲得的鉆孔數(shù)據(jù)外，還包括：井下工程實(shí)揭數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)造數(shù)據(jù)，視頻、測(cè)井、測(cè)斜、物探數(shù)據(jù)，共5類(lèi)。

為了高趨勢(shì)面分析的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)，要多渠道收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來(lái)源應(yīng)包括：高、低位抽采巷防突穿層鉆孔數(shù)據(jù)，局部防突措施、注水鉆孔，地質(zhì)超前探測(cè)鉆孔，井下探煤孔，測(cè)量成果臺(tái)賬地質(zhì)資料，井下工程實(shí)揭地質(zhì)資料，井上井下各類(lèi)勘探鉆孔資料，視頻、測(cè)井、測(cè)斜、物探資料。

數(shù)據(jù)在采集過(guò)程中主要分為：直接測(cè)量、間接測(cè)量2種。直接測(cè)量包括：①羅盤(pán)、地質(zhì)編錄儀；②全站儀；③激光測(cè)距儀、皮尺、鋼尺，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。間接測(cè)量包括：開(kāi)孔定向儀、鉆孔軌跡儀、視頻成像儀。

2.3 數(shù)據(jù)篩選與評(píng)判

對(duì)于各種來(lái)源的鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料要進(jìn)行篩選和評(píng)判。①有技術(shù)裝備檢驗(yàn)的鉆孔和實(shí)揭地質(zhì)資料，直接利用；②無(wú)技術(shù)裝備檢驗(yàn)的高、低位抽采巷穿層鉆孔和超前探煤鉆孔，應(yīng)根據(jù)評(píng)判結(jié)果取舍利用；③異常鉆孔應(yīng)使用成像測(cè)井儀進(jìn)行校驗(yàn)。

3 工程應(yīng)用

2019年4月15日至7月1日，該技術(shù)方法在平煤十三礦進(jìn)行了應(yīng)用，對(duì)己15-17-11110中191個(gè)瓦斯抽放孔進(jìn)行探測(cè)，探查上部己15-17煤層賦存情況及構(gòu)造情況，從而達(dá)到采面透明化開(kāi)采的目的。部分鉆孔信息數(shù)據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析Table 1 Comparative analysis of detection results

3.1 鉆孔地質(zhì)信息分析

采用的視頻成像技術(shù)可以詳細(xì)提取到復(fù)雜地質(zhì)條件下的瓦斯地質(zhì)信息。以部分鉆孔為例，做詳細(xì)的鉆孔信息分析。

1）鉆孔軌跡分析。通過(guò)對(duì)鉆孔信息進(jìn)行不間斷的提取，可以得到鉆孔的實(shí)際鉆孔軌跡，進(jìn)而可以對(duì)鉆孔軌跡的方位角、傾角等鉆孔信息進(jìn)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(kāi)始，鉆孔開(kāi)始發(fā)生偏移，偏移隨著鉆孔深度增加而偏移現(xiàn)象越明顯，在接近孔底位置，偏移位移達(dá)到最大值。從鉆孔方位圖可以看出，設(shè)計(jì)方位為222°，而實(shí)測(cè)方位為231°，方位角偏差達(dá)到了9°。從鉆孔傾角圖可以看出，設(shè)計(jì)傾角為17°，而實(shí)際傾角為25°，傾角偏差達(dá)到了8°。

2）鉆孔柱狀圖。采用自然伽瑪測(cè)井曲線(xiàn)與視頻按照同深度進(jìn)行同步數(shù)據(jù)分析，來(lái)判讀巖性與分層，用伽馬曲線(xiàn)、視電阻率曲線(xiàn)、自然電位3條曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)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(zhì)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(duì)鉆孔進(jìn)行視頻拍攝，可以對(duì)煤層起止點(diǎn)進(jìn)行截圖分析，從而確定煤(巖)層的起止位置，以及孔內(nèi)的鉆探情況。

4）煤層上下巖層測(cè)井曲線(xiàn)特征。通過(guò)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)測(cè)相結(jié)合的曲線(xiàn)分類(lèi)，初步斷定勘查區(qū)的地層和巖性變化情況。平煤十三礦各類(lèi)巖性測(cè)井特征見(jiàn)表2。

表2 平煤十三礦各類(lèi)巖性測(cè)井特征Table 2 Various lithologic logging characteristics in Pingmei No.13 Mine

3.2 煤層趨勢(shì)面分析

利用鉆孔成像得到的地質(zhì)信息，結(jié)合測(cè)量成果臺(tái)賬資料等資料，通過(guò)surfer軟件可以繪制煤層趨勢(shì)面分析圖。通過(guò)對(duì)191個(gè)瓦斯抽放鉆孔探測(cè)綜合分析得到2條斷層延伸區(qū)域、1個(gè)煤層相對(duì)變薄區(qū)和1個(gè)煤層相對(duì)增厚區(qū)。

1）煤厚等值線(xiàn)圖。以11110采面鉆孔成像提取到的信息為基礎(chǔ)，繪制了該采面的煤厚等值線(xiàn)圖。在等值線(xiàn)圖中，發(fā)現(xiàn)了賦存于該采面內(nèi)部的2個(gè)煤層較厚的煤厚異常區(qū)（煤厚大于7.0 m），并較為直觀(guān)的反應(yīng)了煤厚異常區(qū)的延伸方向和范圍。該煤厚異常區(qū)的位置大致在A(yíng)9′-A10測(cè)點(diǎn)附近，經(jīng)過(guò)地測(cè)部門(mén)在該采面切眼的實(shí)際探煤厚資料驗(yàn)證，在圖示范圍確實(shí)探測(cè)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(xiàn)圖。利用相關(guān)資料，通過(guò)surfer軟件繪制了己15-17-13050機(jī)巷煤層底板等高線(xiàn)圖。在底板等高線(xiàn)圖D21測(cè)點(diǎn)附近，等高線(xiàn)出現(xiàn)了走向、間距、傾角的急劇變化。經(jīng)機(jī)巷低抽巷實(shí)揭資料和地質(zhì)超前探資料分析為構(gòu)造發(fā)育。后期在機(jī)巷實(shí)際掘進(jìn)中在該點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了2條正斷層的存在，斷層產(chǎn)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(fēng)機(jī)巷及切眼實(shí)際揭露煤厚資料，可以得到煤厚偏差圖和底板等高線(xiàn)偏差圖。在11080采面底板等高線(xiàn)偏差圖Z15測(cè)點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)了殘值的正負(fù)變化，由-1增長(zhǎng)為+1。而在距離較近的切眼附近實(shí)際揭露1條逆斷層，斷層產(chǎn)狀為188°∠36°H=7.0 m。經(jīng)初步分析可能為該斷層影響導(dǎo)致。

在11080采面煤厚等值線(xiàn)偏差圖中G4-G5測(cè)點(diǎn)上部出現(xiàn)了較大的煤厚偏差，由0增長(zhǎng)為+1，顯現(xiàn)存在煤厚異常區(qū)。由于附近機(jī)巷及中抽巷掘進(jìn)過(guò)程中均未揭露斷層。經(jīng)初步分析可能為煤層賦存不穩(wěn)定導(dǎo)致。

4 鉆孔偏移規(guī)律

4.1 順層鉆孔與穿層鉆孔偏移規(guī)律

順層鉆孔和穿層鉆孔在打鉆過(guò)程中發(fā)生軌跡偏移是常見(jiàn)的現(xiàn)象，其主要呈現(xiàn)以下的規(guī)律：

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

2）當(dāng)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(zhǎng)鉆孔傾角越容易發(fā)生變化。

3）設(shè)計(jì)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(jù)受力分析，鉆孔傾角偏移相對(duì)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(jī)鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)壓力、鉆進(jìn)扭矩及巖層的傾向的影響發(fā)生變化，不再詳細(xì)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(xiàn)明顯的偏斜現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆孔彎曲的原因多種多樣，主要有以下幾點(diǎn)：

1）地層因素。由于地層較為復(fù)雜，巖石的各向異性，軟、硬巖層變化頻繁，當(dāng)鉆進(jìn)以銳角透過(guò)軟硬巖石界面，從軟巖層進(jìn)入到硬巖層時(shí)，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(jìn)入軟巖時(shí)，則鉆具軸線(xiàn)有偏離層面法線(xiàn)方向的趨勢(shì)。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?guī)r交界處。

2）鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)。鉆壓過(guò)大，會(huì)引起鉆桿甚至巖心管彎曲，使鉆頭緊靠孔壁一側(cè)，此時(shí)偏倒角達(dá)到最大，并且鉆具的摩擦阻力也會(huì)增加，隨著摩擦阻力的增大，鉆具圍繞孔軸線(xiàn)回轉(zhuǎn)的頻數(shù)下降，甚至只圍繞自身軸線(xiàn)自傳，此時(shí)鉆具傾斜或彎曲平面具有固定的方向，從而導(dǎo)致鉆孔彎曲。

轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆桿柱回轉(zhuǎn)離心力增大，從而加劇了鉆具的橫向震動(dòng)和擴(kuò)壁作用，結(jié)果孔壁間隙增大，鉆孔彎曲。沖洗液量過(guò)大，特別是在較軟巖層中沖洗液會(huì)沖刷、破壞井壁造成“大肚子”孔段，這些都會(huì)使孔壁間隙增加，為鉆具偏道、鉆孔彎曲創(chuàng)造條件。

5 結(jié) 語(yǔ)

應(yīng)用的鉆孔成像技術(shù)，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(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shù)據(jù)結(jié)合井下工程實(shí)揭數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)，構(gòu)造數(shù)據(jù)，視頻、測(cè)井、測(cè)斜、物探數(shù)據(jù)，借助Surfer軟件生成的煤厚等值線(xiàn)圖、煤層頂（底）板等高線(xiàn)圖、剖面圖、偏差圖等成果圖件，實(shí)現(xiàn)了煤層趨勢(shì)面的精準(zhǔn)分析。在平煤十三礦對(duì)己15-17-11110中191個(gè)瓦斯抽放孔進(jìn)行探測(cè)，初步得到平煤十三礦各類(lèi)巖性測(cè)井特征，綜合分析得到2條斷層延伸區(qū)域、1個(gè)煤層相對(duì)變薄區(qū)和1個(gè)煤層相對(duì)增厚區(qū)。順層鉆孔和穿層鉆孔偏移呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，其受地層因素和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的影響。