陳剛，陳 龍，李泉新，劉志毅

(1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

隨著鉆進(jìn)工藝和技術(shù)的不斷提升，水平井和大斜度井等定向鉆進(jìn)中能夠有效控制軌跡向煤層氣藏的富集區(qū)域鉆進(jìn)[1-2]。定向鉆進(jìn)對實現(xiàn)探放水作業(yè)、及煤層氣高效開發(fā)有重要意義。傳統(tǒng)測井方法已不能滿足定向井鉆進(jìn)，為適應(yīng)鉆進(jìn)實時測量需求，近年來煤礦井下孔中隨鉆測量技術(shù)發(fā)展迅速。在煤礦區(qū)使用隨鉆方位伽馬能夠?qū)崟r探測鉆進(jìn)煤巖層的自然放射性，測量的伽馬數(shù)據(jù)具有方位，能夠?qū)崿F(xiàn)煤層頂?shù)装逄綔y應(yīng)用，對煤巖層伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行方位成像處理，并與其他測井儀器組合使用可達(dá)到順煤層鉆進(jìn)地質(zhì)導(dǎo)向目的[3-5]。

在地面煤層氣開發(fā)中，通常由于頂?shù)装鍘r性天然放射性與煤層差異較大，因此，隨鉆方位伽馬測井可用于煤層頂?shù)装遄R別。在國內(nèi)隨鉆方位伽馬測井研究也有近十年時間，相比國外先進(jìn)技術(shù)，國內(nèi)儀器研究發(fā)展較慢。隨著煤層氣大規(guī)模開發(fā)，面臨著煤層厚度不穩(wěn)定、構(gòu)造復(fù)雜等難點，傳統(tǒng)的隨鉆測量系統(tǒng)配伽馬隨鉆儀器已不能滿足現(xiàn)場施工要求。為達(dá)到煤層氣L 型水平井水平段快速鉆進(jìn)的目的，后續(xù)開發(fā)了近鉆頭方位伽馬儀器。

但在煤礦井下鉆探中，煤層頂?shù)装遄R別主要憑經(jīng)驗通過鉆孔孔口反水、鉆進(jìn)參數(shù)變化的方法分辨地層，該方法技術(shù)落后、可靠性差，對于復(fù)雜煤層的適應(yīng)性差，因此，亟需將隨鉆方位伽馬測井移植到煤礦井下鉆探中[6-7]。

但由于煤礦井下特殊施工條件限制，石油領(lǐng)域開發(fā)的自然伽馬測量儀器不能用于煤礦井下定向鉆進(jìn)施工，主要原因為：儀器直徑較大，不適用于煤礦井下小口徑鉆進(jìn)；儀器長度較長，受煤礦井下巷道空間限制；儀器需要電流、電壓較大，不滿足防爆要求，因此，迫切需要具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤礦井下隨鉆裝備。本文通過數(shù)值模擬研究圍巖厚度和吸收系數(shù)不同情況下伽馬射線強(qiáng)度響應(yīng)值，分析伽馬探測器在含放射性地層條件下，伽馬測量值A(chǔ)PI 反映空間物理特征的差異性，在此基礎(chǔ)上建立八扇區(qū)隨鉆方位伽馬鉆進(jìn)煤、泥、灰?guī)r3 層地質(zhì)模型，模擬鉆進(jìn)煤層頂?shù)装遄R別過程，為煤礦地質(zhì)導(dǎo)向工程提供理論指導(dǎo)。

1 隨鉆方位伽馬測量技術(shù)

1.1 基本原理

巖石中含天然放射性元素衰變時自發(fā)地放出伽馬射線，閃爍晶體探測器接收到伽馬射線后產(chǎn)生光電子，后經(jīng)光電倍增管后變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)放大后將信號傳送，不同地層巖性中放射性元素的含量不同，正是基于此，自然伽馬測井可劃分地層巖性、確定泥巖含量等[8-10]。與石油行業(yè)不同，煤礦井下隨鉆方位伽馬測量探管電路設(shè)計既要達(dá)到防爆要求，又要滿足測量特性。防爆設(shè)計主要針對儀器電源電路進(jìn)行多重保護(hù)設(shè)計和減小儀器功耗。由于儀器尺寸小，需要壓縮結(jié)構(gòu)和電路布置空間。煤礦井下隨鉆方位伽馬測量探管硬件設(shè)計包括碘化鈉晶體探測器、脈沖整形電路、中央處理器電路、光電倍增管高壓電源、非易失存儲器、電流電壓保護(hù)電路等幾部分組成[11-16]，如圖1 所示。

圖1 隨鉆方位伽馬測井儀原理框圖Fig.1 LWD azimuth gamma logging instrument principle diagram

1.2 水平井放射性地層伽馬射線強(qiáng)度計算

煤礦井下順煤層隨鉆鉆進(jìn)時，多為水平井或者大斜度井，順煤層隨鉆水平井的自然伽馬分布規(guī)律及解釋模型的理論研究與垂直井煤巖層鉆進(jìn)相比并不完善，水平井中沿井軸的自然伽馬分布規(guī)律有很大差別[16-19]。

假設(shè)煤巖層水平井段放射性頂板厚度為h，且煤巖層為軸向有限厚、徑向無限遠(yuǎn)，井內(nèi)介質(zhì)、圍巖和地層的吸收系數(shù)都是μ，井眼半徑為r0，伽馬射線強(qiáng)度為J，地層密度為ρ，放射性物質(zhì)的平均放射強(qiáng)度為q，體積為v，每秒鐘伽馬量子數(shù)為A，如圖2 所示，在井孔任意點O(x,y,z)單位體積dv引起的伽馬射線強(qiáng)度Jr為：

圖2 水平井地層伽馬射線沿井軸分布計算Fig.2 Calculation diagram of gamma ray distribution along well axis in horizontal well formation

式中：z0為任意點O到煤巖界面的垂直距離。

1.3 八扇區(qū)隨鉆方位伽馬工作原理

多扇區(qū)隨鉆方位伽馬儀器可以含有單個或多個伽馬探測晶體傳感器，本文采用單個伽馬探測晶體傳感器，旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下通過屏蔽殼和方位傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)八扇區(qū)方位計算，受困于煤礦井下儀器尺寸限制探測晶體傳感器安裝鉆鋌中心，用以記錄來自上下左右4 個方位、8 個象限的地層伽馬射線。礦用八扇區(qū)隨鉆方位伽馬測量分布如圖3 所示，其能夠?qū)λ娇酌簬r層軸向進(jìn)行伽馬成像。

圖3 八扇區(qū)隨鉆方位伽馬測量分布Fig.3 Distribution diagram of azimuth gamma measurement while drilling in eight sectors

2 自然伽馬測井圍巖影響數(shù)值模擬

儀器在鉆孔中測量時除受目的層伽馬射線正常影響外，圍巖性及厚度和泥漿吸收系數(shù)不同時伽馬測井曲線響應(yīng)也不相同。通過數(shù)值計算，模擬分析厚度相同時圍巖的吸收系數(shù)不同時伽馬響應(yīng)，以及不同層厚圍巖、不同地層吸收系數(shù)時伽馬響應(yīng)。

2.1 圍巖吸收系數(shù)影響模擬

在孔中圍巖介質(zhì)厚度相同、吸收系數(shù)不同情況下，模擬吸收系數(shù)分別為0.080、0.085、0.090、0.100 時伽馬射線強(qiáng)度變化，吸收系數(shù)的設(shè)置主要選用常見巖性和水的經(jīng)驗值，如圖4 所示。由圖4 可知，自然伽馬射線強(qiáng)度隨著吸收系數(shù)的減小而增大。

圖4 吸收系數(shù)不同圍巖伽馬射線強(qiáng)度變化模擬Fig.4 Variation of the absorption coefficient of different surrounding rock with different surrounding rock gamma ray intensity

2.2 圍巖厚度對自然伽馬影響模擬

假設(shè)孔中介質(zhì)吸收系數(shù)均相同，目的層、圍巖和泥漿吸收系數(shù)都為0.15 時，以及地層和泥漿的吸收系數(shù)為0.15，圍巖的吸收系數(shù)為0.08 時，圍巖厚度分別為1、3、6 m 的情況下模擬自然伽馬測井響應(yīng)，如圖5所示。

圖5 中實線為圍巖與目的層和泥漿吸收系數(shù)相同、虛線為吸收系數(shù)不同，圍巖厚度在1、3 和6 m 時響應(yīng)變化。由圖可知，隨著圍巖吸收系數(shù)的減小，伽馬射線強(qiáng)度增大；當(dāng)吸收系數(shù)相同時，自然伽馬曲線隨圍巖的增厚而變大。

圖5 不同圍巖厚度地層吸收系數(shù)變化模擬Fig.5 Simulation of 1 m,3 m,6 m and formation absorption coefficient in surrounding rock

3 八扇區(qū)隨鉆方位伽馬鉆進(jìn)監(jiān)測模擬

在煤礦井下瓦斯抽采中，隨鉆測井裝備順著煤層鉆進(jìn)，通常頂?shù)装鍘r性天然放射性與煤層差異較大，當(dāng)鉆遇地層界面時，能夠通過上下伽馬幅度變換順序及測斜數(shù)據(jù)，判別分界面，及時調(diào)整鉆頭方向，維持順煤層鉆進(jìn)，如圖6 所示。

圖6 隨鉆方位伽馬鉆進(jìn)Fig.6 Schematic diagram of the drilling azimuth gamma

結(jié)合隨鉆測斜數(shù)據(jù)利用隨鉆方位伽馬測井可實現(xiàn)順煤層鉆進(jìn)的動態(tài)監(jiān)測，并且能夠定量計算鉆頭到層界面鉆遇距離，由下式可分別計算鉆頭到層界面的鉆遇距離和垂直距離，儀器鉆遇頂板距離計算模型如圖7所示。

圖7 儀器鉆遇頂板距離計算模型Fig.7 Calculation model of distance between instrument and roof

式中：L為沿鉆進(jìn)方向鉆頭到煤巖層界面的距離；Lc為鉆頭到垂直煤巖層界面的距離；d為孔口處儀器探測器距頂板距離；α為層界面與儀器的夾角；Lac為探測器到鉆頭的距離。

d與α可由下式表示：

式中：dn為第n次測量時，探測器距頂板距離；Δh為深度采樣間隔；α1為地層視傾角；θn為第n測點處儀器傾斜角度。

建立3 層地質(zhì)模型，煤層厚度h=3 m，上層圍巖為80 API 的灰?guī)r；目的層為20 API 的煤巖；下部圍巖為120 API 的泥巖；鉆頭到探測器的距離分別為1、3、7 m。模擬隨鉆方位伽馬在3 層地質(zhì)模型煤巖層小角度鉆進(jìn)，如圖8 所示。由于煤礦井下使用主要用于判斷穿越煤巖界面，因此，為增強(qiáng)單晶體探測響應(yīng)信號，本文計算時將圖3 中的1、2、7、8 象限值合并記為上伽馬，3、4、5、6 象限值合并記為下伽馬。

由圖8 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)從煤層鉆進(jìn)到頂板灰?guī)r時，上下伽馬曲線幅值均變大且上伽馬先增大，指示鉆遇頂板，鉆頭與頂板的距離計算先減小，鉆出界面后增大；當(dāng)回到煤層鉆進(jìn)到底板泥巖時，上下伽馬曲線幅值明顯變大且下伽馬先增大，指示鉆遇底板。雖然模擬順煤層鉆進(jìn)時上下伽馬的變化幅度可以直觀地判斷鉆遇巖性變化，但是隨著鉆頭到探測器的距離的增大，延遲了上下伽馬的差異變化響應(yīng)。當(dāng)探測器到鉆頭的距離分別為1、3、7 m 時，可指示鉆遇距離分別為8、6、2 m。

圖8 隨鉆方位伽馬煤巖層鉆進(jìn)監(jiān)測模擬Fig.8 LWD azimuth gamma coal seam drilling monitoring simulation

4 八扇區(qū)隨鉆方位伽馬鉆進(jìn)放射性地層模擬測量

為測試八扇區(qū)隨鉆方位伽馬儀器在鉆進(jìn)放射性地層時響應(yīng)特征，設(shè)計旋轉(zhuǎn)臺模擬鉆進(jìn)，并在儀器周圍放置不同放射性材料，模擬煤層泥巖頂?shù)装?。測試時八扇區(qū)隨鉆方位伽馬儀器探管下方放置250 API 的放射性材料，空置之后替換為150 API 的放射性材料，空置之后取走下方放射性材料改為上方放置(250+150) API的放射性材料。

實驗中8 個扇區(qū)接收伽馬數(shù)值顯示穩(wěn)定、正常，能夠表現(xiàn)出方位特性。圖9 為伽馬二維成像處理結(jié)果，顏色越紅表示伽馬值越大，方位成像結(jié)果顯示穩(wěn)定、正常，能夠呈現(xiàn)出方位特性，180°代表下伽馬，0 和360°代表上伽馬。當(dāng)下方放置放射性材料，下伽馬值較大；當(dāng)上方放置放射性材料，上伽馬值較大；因此，符合儀器屏蔽殼開窗方位特性。如圖9 中虛線所示，圖中下伽馬值先變大、上伽馬值后變大，為典型穿出底板泥巖層特征，圖像可用于判斷穿層。

圖9 八扇區(qū)隨鉆方位伽馬二維成像處理結(jié)果Fig.9 Processing results of eight sector azimuth gamma imaging while drilling

5 結(jié)論

a.利用數(shù)值計算模擬分析可知：當(dāng)圍巖厚度相同而吸收系數(shù)不同時，伽馬強(qiáng)度隨著吸收系數(shù)的增大響應(yīng)減弱；在吸收系數(shù)相同條件下，伽馬曲線關(guān)于地層中心對稱；在圍巖吸收系數(shù)不同時，曲線的最大值向吸收系數(shù)小的方向偏移，當(dāng)巖層吸收系數(shù)由0.08 變?yōu)?.10時伽馬射線強(qiáng)度減小一半。

b.模擬八扇區(qū)隨鉆方位伽馬在三層地質(zhì)模型煤巖層鉆進(jìn)，正演得到伽馬測井曲線的幅值與上下伽馬變化順序同層界面放射性相符合。當(dāng)小角度穿層時，探測器到鉆頭的距離分別為1、3、7 m 時，能夠監(jiān)測前方鉆進(jìn)8、6、2 m 地層物性的變化。

c.當(dāng)從煤層鉆進(jìn)到頂板灰?guī)r時，上下伽馬曲線幅值均變大且上伽馬先增大；當(dāng)回到煤層鉆進(jìn)到底板泥巖時，上下伽馬曲線幅值明顯變大且下伽馬先增大，可指示鉆遇底板，通過方位成像顯示結(jié)果能夠用于判斷穿出或穿入煤巖層，實時獲取地質(zhì)信息可減少無效鉆進(jìn)，為順煤層鉆進(jìn)過程中巖性監(jiān)測、及時調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)提供依據(jù)。