賈若辰

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

地球物理測(cè)井是地質(zhì)勘探領(lǐng)域的一門技術(shù)科學(xué)，通過使用地球物理探測(cè)技術(shù)方法來研究鉆孔的地質(zhì)剖面、解決地下部分地質(zhì)問題以及鉆探技術(shù)問題。使用測(cè)井技術(shù)可以較為準(zhǔn)確地劃分鉆井剖面(即甄別地下地質(zhì)煤層、巖層和含水層，以確定它們的深度、厚度以及一些特定的物理或化學(xué)性質(zhì))。測(cè)井技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探領(lǐng)域主要用來配合進(jìn)行無巖心鉆探，極大地提高了勘探效率。隨著煤田測(cè)井技術(shù)的不斷進(jìn)步，勘探速度加快的同時(shí)，又降低了勘探成本，這對(duì)于提升煤田地質(zhì)勘探工作的質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。當(dāng)前，煤田測(cè)井資料的地質(zhì)成果解釋也已成為開發(fā)礦井所需的重要資料以及其他資料的重要依據(jù)[1-2]。

目前煤田測(cè)井方法主要包括人工伽馬、自然伽馬、自然電位法、激發(fā)電位法和視電阻率法等。自然伽馬測(cè)井曲線是油氣勘探開發(fā)過程中的一條必測(cè)曲線，同時(shí)也是最基本、最重要的曲線之一。其在煤礦井下近水平鉆孔巖性劃分方面也有著十分重要的意義，近些年隨著煤礦井下的實(shí)際需求，也逐漸開始被廣泛應(yīng)用[3-7]。

礦用鉆孔伽馬測(cè)井儀是一款集鉆孔軌跡測(cè)量與鉆孔周圍地層自然伽馬參數(shù)測(cè)量于一體的鉆機(jī)推送存儲(chǔ)式測(cè)井儀器。該測(cè)井儀適用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔、超前勘探孔等鉆孔。主要用于鉆孔的自然伽馬、鉆孔的傾角以及鉆孔的方位角等參數(shù)的測(cè)量，待測(cè)量工作完成后經(jīng)無線WiFi將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至防爆安卓終端進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理與曲線繪制，可快速形成鉆孔的軌跡曲線以及鉆孔的自然伽馬曲線。地面PC端數(shù)據(jù)處理與解釋軟件可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更為詳盡的解釋，由此判斷鉆孔空間位置及所鉆地層巖性，數(shù)據(jù)處理結(jié)果可為后續(xù)設(shè)計(jì)布孔與鉆進(jìn)施工提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

礦用鉆孔伽馬測(cè)井儀系統(tǒng)由三大部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。包括地面部分的PC端數(shù)據(jù)處理與解釋軟件、井下部分的測(cè)井儀探管與防爆安卓終端。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

地面PC端數(shù)據(jù)處理與解釋軟件主要是用來實(shí)現(xiàn)井下采集的有效數(shù)據(jù)的詳細(xì)處理及解釋，最終形成解釋結(jié)果圖及巖性對(duì)照表。測(cè)井儀探管則由測(cè)斜電路板、伽馬探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集與控制板、電池與本安電路以及電源控制與指示板組成。其中，測(cè)斜電路板可通過傾角、方位角傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算得出鉆孔的位置信息(包括傾角、方位角、工具面向角)；伽馬探測(cè)器由碘化鈉晶體以及配套的光電倍增管組成，可用于接收地層巖石中因自然衰變而產(chǎn)生的伽馬射線，探測(cè)器通過接收伽馬射線中的能量來實(shí)現(xiàn)外光電效應(yīng)的激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生電子流輸出負(fù)脈沖信號(hào)給數(shù)據(jù)采集與控制板；數(shù)據(jù)采集與控制板用于對(duì)測(cè)斜、伽馬探測(cè)的控制、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及傳輸；電池與本安電路用于給探管提供安全電流電壓；電源控制與指示板用于控制探管采集功能以及WIFI通信功能的開關(guān)。防爆安卓終端是指基于安卓平臺(tái)的便攜式防爆終端及其配套的數(shù)據(jù)采集軟件，主要實(shí)現(xiàn)測(cè)量前的配置參數(shù)下發(fā)、測(cè)量過程中有效數(shù)據(jù)的標(biāo)記以及測(cè)量完成后測(cè)量探管內(nèi)原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)出及同步匹配、成圖展示。

2 工作原理

地層巖石中含有包括鈾、釷、鉀40等天然放射性元素。通常巖石中的這些放射性元素會(huì)在自然衰變的過程中釋放出α粒子束、β粒子以及伽馬射線等。相較于這些射線，只有伽馬射線在巖石中具有較強(qiáng)的穿透能力可被有效探測(cè)到，因此選擇探測(cè)伽馬射線進(jìn)行測(cè)井工作[8]。自然伽馬測(cè)井其實(shí)質(zhì)就是測(cè)量井中地層巖石包含的各類天然放射性元素所放射出的伽馬射線強(qiáng)度。由于不同種類的巖石在生成過程中所處的物理化學(xué)環(huán)境不同，導(dǎo)致巖石中的成分不同，因而所含放射性元素的種類和濃度也會(huì)不同，這就是使用自然伽馬測(cè)井法的依據(jù)。礦用鉆孔伽馬測(cè)井儀在接收到天然放射性元素所放射出的伽馬射線時(shí)，會(huì)將這些伽馬射線轉(zhuǎn)換成負(fù)的電脈沖信號(hào)，而產(chǎn)生的電脈沖數(shù)量與測(cè)井儀當(dāng)前所處位置的伽馬射線強(qiáng)度是成正比的。通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的電脈沖數(shù)量，可以分析得出被測(cè)孔段巖層的巖性差異[9-11]。

在使用礦用鉆孔伽馬測(cè)井儀進(jìn)行探測(cè)時(shí)，當(dāng)伽馬射線進(jìn)入測(cè)井儀伽馬探測(cè)器的碘化鈉晶體后，經(jīng)過電離激發(fā)會(huì)產(chǎn)生熒光。而當(dāng)光電倍增管的光電陰極表面受到光子的轟擊時(shí)，則會(huì)激發(fā)形成光電效應(yīng)進(jìn)而產(chǎn)生一定數(shù)量的光電子，這些光電子經(jīng)過光電倍增管的接收與倍增后會(huì)形成電流負(fù)脈沖，該電流負(fù)脈沖在光電陽極經(jīng)由負(fù)載電阻轉(zhuǎn)為電壓負(fù)脈沖，而電壓負(fù)脈沖信號(hào)經(jīng)過跟隨、濾波、放大、整形等信號(hào)處理后即轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。數(shù)據(jù)采集與控制板中的STM32單片機(jī)則對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集并計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)率CPS[12]。由于不同地層巖石中含有的放射性物質(zhì)含量不同，所放射出的伽馬射線總強(qiáng)度不同，因此測(cè)井儀通過測(cè)量及計(jì)算得出的計(jì)數(shù)率CPS也會(huì)不同[13-16]。測(cè)井儀的伽馬探測(cè)工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 伽馬探測(cè)工作原理示意圖

數(shù)據(jù)采集與控制板除了對(duì)伽馬探測(cè)器輸出的負(fù)脈沖信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理、計(jì)數(shù)及存儲(chǔ)外，同時(shí)還會(huì)將與脈沖計(jì)數(shù)相對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信息進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集與控制板會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間間隔對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，并計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)率。脈沖信號(hào)采樣的間隔時(shí)間可依據(jù)使用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，但調(diào)整須在測(cè)量開始前進(jìn)行參數(shù)配置時(shí)完成。

將探管中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入防爆安卓終端后，在井下鉆場(chǎng)即可通過防爆安卓終端的數(shù)據(jù)處理APP實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與孔外標(biāo)記數(shù)據(jù)匹配、鉆孔軌跡及伽馬曲線繪制與顯示，具有一定的實(shí)時(shí)性。通過伽馬測(cè)井儀在刻度時(shí)得到的刻度系數(shù)，可通過將脈沖計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換為地層工程值A(chǔ)PI，使得測(cè)井儀測(cè)得的伽馬測(cè)井曲線標(biāo)準(zhǔn)化[17]。升井后，全數(shù)據(jù)文件可導(dǎo)出至PC端處理軟件，結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)一步解釋與處理，為后續(xù)設(shè)計(jì)布孔與鉆進(jìn)施工提供指導(dǎo)與依據(jù)。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 礦井概況

本次試驗(yàn)的地點(diǎn)為淮北某煤礦，該礦位于安徽省淮北市濉溪縣的南坪鎮(zhèn)境內(nèi)。該礦井的地質(zhì)儲(chǔ)量約為3.3億t，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量約為1.9億t，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力240萬t，服務(wù)年限60.2年，井深為724.2 m。礦井東以雙堆斷層及F22斷層、西南坪斷層為界；南以石炭系太原組頂部第一層灰?guī)r露頭線為界；北以27勘探線為界。南北邊界的間距約為6.5 km，東西約為3～5 km。井田內(nèi)的地勢(shì)整體較為平坦，地貌類型相對(duì)單一，主要以河間平地為主，地勢(shì)大致呈西北高、東南低趨勢(shì)，地面標(biāo)高范圍從+20.50～+26.20 m，其中大部分標(biāo)高約在+23.7 m[18]。區(qū)域地層從老到新發(fā)育有太古界-元古界，古生界寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系，中生界三疊系，新生界第三、四系[19]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)地點(diǎn)為礦區(qū)7401底抽巷的右7鉆場(chǎng)7-3#鉆孔，距離右9#鉆場(chǎng)200 m。根據(jù)礦方提供的資料，該地區(qū)的鉆孔主要目的為7401底抽巷的72、82煤層的空間形態(tài)及其與巷道的空間關(guān)系。

通過伽馬測(cè)井儀的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析并結(jié)合礦區(qū)的巖性柱狀圖得出沿鉆孔的根據(jù)伽馬曲線解釋的巖性柱狀圖(見圖3)。本次試驗(yàn)的實(shí)際測(cè)量孔深為124 m。鉆孔的前5.92 m，計(jì)算出的伽馬均值為86.76，判斷儀器處于煤層；鉆孔的5.92～84.89 m，計(jì)算出的伽馬均值為267.57，判斷儀器處于砂質(zhì)泥巖；鉆孔的84.89～93.1 m，計(jì)算出的伽馬均值為114.47，判斷儀器二次處于煤層；鉆孔的93.1～98 m，計(jì)算出的伽馬均值為257.59，判斷儀器二次處于砂質(zhì)泥巖；而在鉆孔的98～124 m，計(jì)算出的伽馬均值為227.82，判斷儀器處于泥質(zhì)砂巖。

圖3 沿鉆孔解釋的巖性柱狀圖

本次試驗(yàn)的伽馬解釋成果表見表1。本次試驗(yàn)中儀器在煤層與巖層測(cè)得的伽馬值差別明顯，相較于巖層，煤層的伽馬值小。同時(shí)，儀器在2次經(jīng)過砂質(zhì)泥巖時(shí)伽馬值比較統(tǒng)一，而在2次經(jīng)過煤層時(shí)，伽馬值也基本一致。通過對(duì)伽馬值分析可以發(fā)現(xiàn)，儀器處于相同地層時(shí)，測(cè)得的伽馬值比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

此次在淮北某礦右7#鉆場(chǎng)3號(hào)鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：伽馬測(cè)井儀在煤層與巖層中測(cè)得的伽馬值差別明顯，易進(jìn)行煤巖分界的判斷。結(jié)合礦區(qū)的巖性柱狀圖分析，伽馬曲線的變化與該礦區(qū)的巖性符合較好，較好地反應(yīng)了巖性的變化。本次試驗(yàn)驗(yàn)證了使用鉆孔伽馬測(cè)井儀判斷煤巖分層位置的有效性，基本達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹Ｔ诒敬卧囼?yàn)過程中，儀器工作穩(wěn)定，同一地層中數(shù)據(jù)一致性好，下一步計(jì)劃進(jìn)行更多的鉆孔內(nèi)煤巖分界判斷試驗(yàn)，進(jìn)一步檢驗(yàn)儀器性能。

表1 伽馬解釋成果表