綜合鉆孔測井技術(shù)在井下鉆探工程的應(yīng)用

魏樹群，武 劍

（山西冀中能源集團(tuán)礦業(yè)有限責(zé)任公司，山西 太原 030032）

1 概 況

煤礦井下鉆孔測井技術(shù)是一種超越傳統(tǒng)測井技術(shù)范疇的礦山井下鉆探定量化綜合分析方法，是被國家煤監(jiān)局列入煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)，對井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、頂板管理等領(lǐng)域?yàn)?zāi)害防治有著顯著的社會意義，已被神華集團(tuán)、陜煤集團(tuán)、焦煤集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)列入鉆探施工的必備條件，是鉆探成果分析可靠性的重要保障。

井下鉆探工程是煤礦井下防治水工作的主要技術(shù)手段之一，山西冀中所屬5 對礦井2019 年鉆探進(jìn)尺13 萬余米，2020 年計(jì)劃已達(dá)到16 萬余米，因此，采用井下綜合鉆孔測井分析技術(shù)提高鉆探的精度和準(zhǔn)度，減少“廢孔”“無效孔”，解決井下鉆孔“打不準(zhǔn)，探不清”的問題，既有安全效益又有經(jīng)濟(jì)效益。

通過在各礦的試驗(yàn)可以看出，礦井鉆孔測井分析儀針對礦山井下鉆探的特殊性，缺乏測井技術(shù)的現(xiàn)狀，通過測井技術(shù)與數(shù)據(jù)分析方法的研發(fā)、微型化高度集成多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)的研制、測井工藝方法的創(chuàng)新性突破，實(shí)現(xiàn)了一種適宜于礦山井下鉆探的綜合測井與數(shù)據(jù)分析儀器。

井下綜合鉆孔測井技術(shù)為煤礦提供了一種綜合的、定量化的、高效準(zhǔn)確的測量手段，適用于井下各類常見鉆孔的測井與數(shù)據(jù)分析，能有效解決采空區(qū)探測、構(gòu)造與陷落柱探測、探放水超前鉆探效果驗(yàn)證、煤層變薄與殲滅區(qū)、頂板巖層結(jié)構(gòu)、頂板“三帶”、礦壓關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、瓦斯孔抽放效果分析等多種技術(shù)難題，是一種很好的煤礦地質(zhì)保障技術(shù)。

2 測井分析的原理和方法

2.1 礦井鉆孔測井分析儀

YCJ90/360 型“礦井鉆孔測井分析儀”總體結(jié)構(gòu)由探頭、控制箱、數(shù)據(jù)傳輸模塊、分析軟件、專用探頭推桿5 部分構(gòu)成，探頭由視頻采集模塊、自然伽瑪模塊、孔斜測量模塊構(gòu)成。在井下現(xiàn)場一次可以采集高分辨率視頻、自然伽瑪數(shù)據(jù)、孔斜方位角與傾斜角數(shù)據(jù)。探頭與控制箱采用有纜傳輸方式進(jìn)行通信。

配套的數(shù)據(jù)處理與分析軟件，通過算法設(shè)計(jì)，首先繪制出GR 曲線，結(jié)合實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與自然伽瑪數(shù)據(jù)同步分析（對照同一深度段的GR 曲線與視頻），進(jìn)行巖性劃分，這樣可以彌補(bǔ)單一曲線在解釋地層巖性方面的缺陷。在地面通過分析軟件可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載，進(jìn)而對鉆孔孔斜計(jì)算、定量分析揭露地層的巖性、厚度、含水性及孔壁結(jié)構(gòu)特征（包括分層性、厚度、巖層軟硬程度、巖石孔隙、裂隙、出水點(diǎn)特征、頂板離層情況及斷層等）。

2.2 測井分析工作流程

測井分析工作流程如圖1 所示。

圖1 測井分析工作流程示意Fig.1 Logging analysis workflow

3 測井技術(shù)方法的特點(diǎn)和創(chuàng)新

該技術(shù)創(chuàng)新性與先進(jìn)性體現(xiàn)在，在數(shù)據(jù)采集技術(shù)方面，該技術(shù)采用了多源數(shù)據(jù)采集技術(shù)的微型化高度集成方案，可以一次性高效獲取井下鉆孔的高分辨率視頻、自然伽馬（簡稱GR）、軌跡（方位、傾斜）、孔深數(shù)據(jù)；工藝方面，采用有纜測井，自主設(shè)計(jì)的輕質(zhì)高強(qiáng)度推桿來推送儀器探頭，能夠滿足各種傾斜角度的井下鉆孔長距離探測需要；在數(shù)據(jù)分析方法方面，實(shí)現(xiàn)了以“視頻與自然伽馬同步分析”專利方法為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了煤系地層巖性分層問題。軟件還能夠完成鉆孔柱狀圖、鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、鉆孔地質(zhì)剖面圖等圖件繪制與自動生成，通過視頻數(shù)據(jù)可以查看分析鉆孔結(jié)構(gòu)、巖層裂隙、離層、出水點(diǎn)層位等信息。它可以適用于直徑≥32 mm 的錨索孔、地質(zhì)孔、水文孔、瓦斯孔等各類井下鉆孔測井，為井下鉆探成果的分析提供高效、可靠的技術(shù)手段，并且為礦井安全生產(chǎn)隱患的查明提供了新的技術(shù)保障。該技術(shù)具有海量數(shù)據(jù)采集、便攜易用、軟件數(shù)據(jù)分析成果豐富可靠、工藝先進(jìn)、適用性廣泛等特點(diǎn)。

3.1 工作站級別的礦山井下鉆孔綜合測井適用性技術(shù)

該技術(shù)將GR、視頻、軌跡測量、孔深測量集成，突破了井下鉆孔測井儀器設(shè)計(jì)、工藝方法、防爆性能、數(shù)據(jù)對比分析方法等方面的各類瓶頸限制，實(shí)現(xiàn)了工作站級別的綜合測井技術(shù)。

3.2 一種超越傳統(tǒng)測井技術(shù)范疇的礦山井下鉆探定量化綜合分析方法

該技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了一種高效的鉆孔信息綜合采集手段，而且由于該技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)分析方法，能夠?qū)@孔視頻、巖性判別（視頻與自然伽瑪同步）、鉆孔孔斜（傾斜角、方位角）、鉆孔孔深4 種數(shù)據(jù)源的海量信息進(jìn)行綜合分析，定量判斷鉆孔的孔內(nèi)現(xiàn)象（如裂隙發(fā)育、出水點(diǎn)、離層、孔徑變化等）、巖層層位、三維空間姿態(tài)和終孔位置，并繪制或自動生成鉆孔巖性柱狀圖、鉆孔軌跡平面圖、鉆孔軌跡剖面圖、地質(zhì)剖面原型等，可以滿足多重技術(shù)與安全問題的解決，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)地面測井用于查明地質(zhì)層位和部分水文地質(zhì)參數(shù)的范疇。因此，可以稱該儀器是一種新的礦山井下鉆探定量化綜合分析儀器。

4 應(yīng)用實(shí)例

該方法可廣泛應(yīng)用于地質(zhì)、防治水、頂板支護(hù)、礦壓防治、瓦斯抽放等領(lǐng)域井下鉆孔的測井與數(shù)據(jù)分析，用于解決采空區(qū)探測、構(gòu)造與陷落柱探測、探放水超前鉆探效果驗(yàn)證、煤層變薄與殲滅區(qū)、頂板巖層結(jié)構(gòu)、頂板“三帶”、礦壓關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、瓦斯孔抽放效果分析等多種技術(shù)難題。

山西冀中榮泰煤業(yè)是公司的經(jīng)濟(jì)效益支柱礦井，由于風(fēng)氧化帶邊界向井田內(nèi)偏移，主采10 號煤層儲量比初設(shè)中減少，為保證礦井的服務(wù)年限，決定自主在井下補(bǔ)勘找煤。此次補(bǔ)勘共設(shè)計(jì)鉆孔21 個(gè)，其中上組煤鉆孔18 個(gè)，下組煤鉆孔3 個(gè)。在108 材料巷對2 號、補(bǔ)13 號、補(bǔ)14 號三個(gè)孔進(jìn)行了測井（以補(bǔ)13 號為例）。

典型視頻截圖如圖1~圖4 所示。

圖1 補(bǔ)13 號孔，10.5 m 見煤線Fig.1 No.13 drilling 10.5 m with coal

圖2 補(bǔ)13 號孔，15 m孔壁破碎，裂隙發(fā)育Fig.2 No.13 drilling 15 m drilling wall broken with fracture development

圖3 補(bǔ)13 號孔，30.8 m見煤Fig.3 No.13 drilling 30.8 m with coal

圖4 補(bǔ)13 號孔，48.7 m 孔內(nèi)大量淤泥Fig.4 No.13 drilling 48.7 m with mud

鉆孔視頻柱狀圖如圖5 所示。

圖5 鉆孔視頻柱狀圖Fig.5 Histogram of drilling video

鉆孔垂向孔斜如圖6 所示。

圖6 鉆孔軌跡剖面Fig.6 Borehole track profile

鉆孔平面孔斜如圖7 所示。

圖7 鉆孔軌跡平面Fig.7 Borehole trajectory plane

鉆孔分析柱狀圖如圖8 所示。

圖8 鉆孔分析柱狀圖Fig.8 Column chart of borehole analysis

5 推廣應(yīng)用前景

（1） 社會效益。測井技術(shù)是勘探成果分析的重要保障，隨著井下鉆探其目的更加多樣化，測井工作更具重要性。長期以來由于測井技術(shù)本身限制、井下鉆孔條件的特殊性，煤礦井下缺乏適用性的綜合測井技術(shù)。該項(xiàng)目技術(shù)提供一種構(gòu)思新穎、綜合性強(qiáng)、高效易用的井下鉆孔測井與數(shù)據(jù)分析手段。它的應(yīng)用推廣，有利于促進(jìn)測井技術(shù)在礦山井下領(lǐng)域的發(fā)展，對推動礦井地質(zhì)的技術(shù)進(jìn)步有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

（2） 間接經(jīng)濟(jì)效益。通過該技術(shù)進(jìn)行鉆探測井能夠解決采空區(qū)、斷層、陷落柱等探測中的關(guān)鍵地質(zhì)層位分析等問題；通過對錨索鉆孔、頂板孔的探測，為頂板支護(hù)設(shè)計(jì)、頂板“三帶”問題提供有效的技術(shù)依據(jù)；通過對瓦斯抽放孔的孔內(nèi)裂隙、鉆孔軌跡的探測，為瓦斯治理效果提供依據(jù)；通過對巖層結(jié)構(gòu)“關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)探測，為強(qiáng)礦壓（沖擊地壓） 能量聚集區(qū)的分析與治理提供依據(jù)。

6 結(jié) 論

（1） 隨著技術(shù)的推廣，越來越多的礦井、技術(shù)主管部門認(rèn)識到該技術(shù)的實(shí)用性與開展井下鉆孔測井工作的重要性，由于鉆探工程幾乎成為所有的煤礦必備手段，該技術(shù)具有廣泛適用性，以及地質(zhì)條件日趨復(fù)雜與安全生產(chǎn)形勢的緊迫性，礦山井下鉆探成果分析的可靠性日益得到重視，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2） 通過查明各類井下鉆探成果，可以顯著提高礦井的抗災(zāi)能力，對井巷工程施工、防治水、瓦斯防治、頂板管理等領(lǐng)域?yàn)?zāi)害防治有著顯著的社會意義和經(jīng)濟(jì)意義。