随钻伽马测井系统在顺煤层钻进中的应用_田小超.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 随钻伽马测井系统在顺煤层钻进中的应用 田小超 1， 蒋必辞1， 2， 汲方林1， 陈 龙1 （1．中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710077； 2．煤炭科学研究总院， 北京 100013） 摘要 介绍了基于无线电磁波传输的随钻伽马测井系统在顺煤层瓦斯预抽采钻孔受控钻进施 工中的应用， 主要介绍了系统组成、 工作原理及其应用开展情况。在山西伯方煤矿对电磁波随钻 伽马测井系统进行了煤矿井下随钻应用， 结果表明 仪器能够满足随钻测量的实际生产需求， 指 导钻具沿煤层钻进， 有效提高钻进效率， 降低施工成本。 关键词 顺煤层钻孔； 瓦斯抽采； 受控钻进； 随钻测量； 伽马测井系统 中图分类号 TD679文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 02－0135-04 Application of Gamma Logging While Drilling System in Drilling Along Coal Seam TIAN Xiaochao1, JIANG Bici1,2, JI Fanglin1, CHEN Long1 （1．China Coal Technology and Engineering Group Xi’ an Research Institute, Xi’ an 710077, China;2．China Coal Research Institute, Beijing 100013, China） Abstract This paper introduces the application of gamma logging system while drilling based on wireless electromagnetic wave transmission in controlled drilling of gas pre-drainage borehole along coal seam, and the analytic process includes the composition, working principle and application of the system． The system is applied in Bofang Coal Mine, the results show that the system can meet the actual production requirements of measurement while drilling, ensure drilling along coal seam, effectively improve drilling efficiency and reduce construction cost． Key words drilling along coal seam; gas drainage; controlled drilling; measurement while drilling; gamma logging system 根据煤矿实际生产需求， 尤其是针对高瓦斯、 煤 与瓦斯突出矿井，从有效利用和安全治理的角度出 发，经常需要在顺煤层布置并施工一系列钻孔用于 瓦斯抽采或瓦斯释放，目的是确保生产过程的安 全。顺煤层瓦斯抽放钻孔沿煤层钻进，均为有效进 尺， 成孔速度快， 因此， 瓦斯抽放效率较高， 抽放成 本较低[1-3]。为实现瓦斯抽放钻孔在顺煤层钻进， 需 要有效控制钻孔施工过程，随钻测量定向钻进技术 是近年来应用较为广泛且较为成熟的技术[4]， 该技 术需要依据前期物探结果设计钻孔轨迹，以当前位 置实钻轨迹与设计轨迹偏差调整钻具。在山西伯方 煤矿对随钻伽马测井系统进行了煤矿井下随钻应 用，该系统可测量并显示实钻轨迹、实钻轨迹与设 计轨迹偏差，还可以测量并实时显示钻孔当前位置 地层岩性信息，将测量结果结合应用于指导顺煤层 钻进施工，应用结果表明系统可以有效识别岩性变 化， 指导顺煤层钻进施工， 应用效果良好。 1矿井地质概况 山西兰花集团伯方煤矿位于山西省高平市寺庄 镇境内,隶属高平市管辖， 井田位于太行山中南丹河 段西侧，为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分。 井田南北较长约 6．1 km， 东西宽约 4．4 km， 获批主 采 3 号煤层，面积约 27．0 km2，设计生产规模 1．80 Mt/a， 井田可采储量约 280 Mt。 该井田上伏地层为古 生界石炭系、二叠系煤系地层，下伏地层为古生界 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．031 田小超,蒋必辞,汲方林,等．随钻伽马测井系统在顺煤层钻进中的应用［J］ ．煤矿安全,2020， 51 （2） 135-138． TIAN Xiaochao, JIANG Bici, JI Fanglin, et al． Application of Gamma Logging While Drilling System in Drilling Along Coal Seam［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 135-138． 基金项目 中煤科工集团西安研究院有限公司 2019 年度面上资 助项目 （2019XAYMS06）；“十三五” 国家重大专项资助项目 （2016ZX05045- 003- 05） ； 中煤科工集团公司科技创新创业资金专 项资助项目 （2018MS007） 移动扫码阅读 135 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 图 2煤矿井下随钻伽马测井系统工作原理示意图 Fig.2System working principle 中奥陶统石灰岩， 地层倾向为 NW 向， 煤层倾角 2～ 6， 平均倾角为 4。太原组和山西组含煤地层共含 煤 13 层左右。其中 1 号至 3 号煤赋存于山西组， 5 号到 11 号煤赋存于太原组。 目前开采煤层为 3 号煤 层， 煤层平均厚度约 5.30 m， 有 0.1～ 0.24 m 的黑色 泥岩和炭质泥岩伪顶；工作面的基本顶为中粒砂 岩， 厚度约为 4.5 m； 直接顶为灰黑色粉砂岩， 性脆， 厚度约为 5.50 m，井田中部变为南北向的粗砂岩； 直接底为黑灰色细砂岩， 厚度约为 1.6 m； 基本底为 灰黑色薄层砂质泥岩， 厚度约为 4.32 m[5]。 2系统组成及工作原理 2.1系统组成 煤矿井下随钻伽马测井系统由地面 PC 端数据 处理与解释软件、井下孔口设备及孔中测量探管 3 大部分组成[6]。系统可测量并实时传输钻孔轨迹参 数及钻孔周围地层信息，为司钻人员提供孔中钻具 姿态调整依据，煤矿井下随钻伽马测井系统组成框 图如图 1。 伽马测井系统的孔中探管由测斜单元、伽马测 量单元、主控电路、电磁波传输单元及电池单元等 几部分组成。测斜单元用于在钻孔施工过程中的随 钻测量钻具姿态信息 （倾角、 方位角、 工具面向角） ； 伽马测量单元由对地层自然放射性伽马射线敏感的 碘化钠晶体及配套的光电倍增管组成，其接收来自 地层自发衰变产生的自然伽马射线，并且吸收伽马 射线能量发生外光电效应，产生电子流并输出电流 负脉冲信号；主控电路控制何时开始测量相关数 据，开始测量时下发指定取数命令给测斜单元及伽 马测量单元，并接收返回的当前位置姿态信息及单 位时间内的伽马计数率值，主控电路将收到的当前 位置各测量参数打包编码通过电磁波传输单元经由 地层及钻杆传输至孔外（孔口） ；为了缩短探管长 度，同时保证必要的工作时间，探管选用符合 GB 38362010 标准及 电池与电池组通用要求 要求 的高性能磷酸铁锂锂离子电池提供电源供应。 伽马测量系统的孔口设备由电磁波传输单元、 孔口控制器及其实时监测软件、隔爆兼本安电源等 几部分组成。电磁波传输单元是孔口控制器与孔中 各测量单元通讯的通道；孔口控制器通过电磁波传 输单元与井中探管完成双向通讯，即下发工作模式 指令和将孔中各测量单元传回的测量数据经实时监 测软件进行分析、 处理和显示； 隔爆兼本安电源采用 AC127 V 输入，输出孔口控制器所需的各直流电压 等级[7-8]。 2.2工作原理 伽马测井系统工作原理示意图如图 2。岩石中 含有天然放射性物质，这些放射性物质在自发衰变 时会释放出 α 粒子、 β 粒子及 γ （伽马） 射线。而只有 伽马射线在岩石中具有很强的穿透能力，能够被探 测到。当伽马射线进入晶体后，经过电离激发产生 荧光。光子轰击光电倍增管的光电阴极表面，由于 光电效应会产生一定数量的光电子，这些电子经过 光电倍增管收集与倍增后形成的电流负脉冲在阳极 经负载电阻变换为负电压脉冲，该脉冲信号经过跟 随、 滤波、 放大、 整形等处理电路后， 变换为标准脉 冲信号，由主控电路中单片机对该标准脉冲信号进 行采集并计算单位时间内的计数率 CPS。不同的岩 性中所含放射性物质含量不同，表现出的伽马射线 放射性总强度不同， 最终反映出的计数率 CPS 也不 相同[9]。 主控电路对标准脉冲进行计数及存储，采集和 存储的数据还包括与脉冲计数相对应的时钟数据。 主控电路按照预先设定的时间间隔对输入的标准脉 冲信号进行计数， 并求取单位时间内的脉冲计数率， 脉冲采样间隔可根据工程实际需求进行调整。通过 探管在刻度时得到的刻度系数可将脉冲计数率变换 为地层工程值 API， 从而使伽马测井曲线标准化。 为 图 1煤矿井下随钻伽马测井系统组成框图 Fig.1System Structure of Gamma loging while drilling system 136 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 3煤矿井下顺煤层钻进随钻伽马测井曲线 Fig.3Drilling trajectory and gamma logging curve 了指导钻孔施工工程值 API 及钻具姿态信息将会通 过电磁波无线数据传输单元经大地及钻杆传输到孔 口控制器，但受到数据传输装置传输带宽的限制， 只有少数 API 值被抽样。孔口控制器将接收到的测 井数据进行解调并由随钻监测软件进行处理，对应 得到该钻孔已钻地层的实时伽马曲线及轨迹曲线。 整个随钻过程的测井数据全部存储到探管中，待钻 孔施工结束后， 由地面解释与处理软件将探管中存储 的所有数据回放出来，进行更详细的数据解释与处 理， 以形成区域性岩性剖面解释结果[10-11]。 3实际应用 煤矿井下随钻伽马测井系统在伯方矿 3305 工 作面开展随钻试验，钻孔开孔位置位于 3 号煤， 实 测开孔倾角 2.7、 方位角 309.7。 根据施工需要伽马 参数采样间隔设为 10 s，孔中测量数据为每钻进 1 根钻杆采用无线电磁波传输 1 次， 其中， 由于伽马 数据量较大，采取抽样传输。通过接收天线接收到 的孔中钻具姿态信息及抽样的伽马参数，在孔口控 制器进行解调及解释处理并在界面实时显示测量数 据，以指导司钻人员调整钻具姿态。据悉 3 号煤上 有极薄的夹矸， 夹矸上是薄层泥岩， 再往上为较厚的 砂岩层。因其他外在因素影响本次顺煤层随钻进尺 共 89 m， 钻孔轨迹投影及伽马曲线如图 3。图 3 （a） 中伽马测井曲线是将测试计数率根据标准刻度井的 刻度系数转换为国际标准单位 API； 图 3 （b） 中上下 位移是测点到开孔点所在水平面的距离，以水平面 为基准， 上偏为正， 下偏为负。 根据图 3 中的钻孔轨迹与煤层顶板之间的距离 关系以及伽马曲线的变化可知，随钻的前 12 m 钻 孔， 仪器处于煤层中， 伽马数值相对较低在 50 API 左右；继续钻进过程中，孔口控制器显示的伽马数 值逐渐增大，司钻人员根据测量数据判断钻具进入 岩层，随即适当调整钻具姿态继续钻进；实时数据 显示伽马数值仍在增加，司钻人员继续调整钻具姿 态向下钻进至 27 m， 实时数据显示伽马数值开始降 低， 但仍高于煤层中的 50 API； 适当调整钻具姿态 减缓下行速度， 钻进至约 36 m 处， 实时显示伽马数 值已基本接近煤层伽马值，司钻人员根据测量数据 判断钻具逐渐回归煤层， 调整钻具姿态， 继续沿本煤 层钻进施工， 在 89 m 处停止钻进。提钻后对所有伽 马测量数据进行地面回放处理，结合已知的地质资 料判断， 仪器在煤层中开始随钻钻进， 逐渐进入顶板 到达砂质泥岩， 随着司钻人员调整钻具姿态， 轨迹逐 渐下降又到达夹矸与煤层之间， 之后仪器回归煤层， 在煤层中伽马数值一直稳定在合理的数值。在钻孔 末端由于轨迹再次靠近顶板，伽马数值有逐渐增加 的趋势。从试验结果可以看出，伽马曲线基本反映 137 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.2 Feb. 2020 了从煤层到泥岩层再回到煤层的这种变化趋势。 4结语 煤矿井下随钻伽马测井技术是煤矿井下地层岩 性探测、确保顺煤层钻进的有效手段；煤矿井下随 钻伽马测井系统在山西伯方矿顺煤层瓦斯抽放孔中 的应用，验证了其能实时提供地质信息指导顺煤层 钻进，提高了顺煤层定向钻进的效率；目前该套系 统中伽马参数测量单元距离钻头较远， 下一步计划研 制近钻头随钻伽马测井系统， 进一步提高探测效率。 参考文献 ［1］ 宋吉曜， 张军， 林府进， 等．顺煤层钻孔成孔工艺技术 ［J］ ．煤矿安全， 2010， 41 （5 ） 32－34． ［2］ 段勋兴， 陶勇， 李开万， 等．煤矿井下顺煤层长钻孔施工 工艺技术及设备选型探讨 ［J］ ．煤矿安全， 2011， 42 （12 ） 104－106． ［3］ 陈爱和， 张昌虎， 刘延俊， 等．煤矿顺煤层钻孔施工新工 艺 ［J］ ．煤田地质与勘探， 2014 （5 ） 107－108． ［4］ 石智军， 许超， 李泉新， 等．随钻测量定向钻进技术在煤 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