煤層水平鉆孔探測陷落柱測井方法設(shè)計

馬火林,張澤宇,潘和平 (中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院,湖北武漢430074)

高志強(qiáng) (中國石油集團(tuán)測井有限公司華北事業(yè)部,河北任丘062552)

巖溶陷落柱屬于隱伏垂向構(gòu)造,其導(dǎo)致的突水具有隱蔽性、突發(fā)性。在陷落柱比較發(fā)育的地區(qū),煤系地層中的煤層及其周圍的巖石地層常遭到嚴(yán)重的破壞,給煤礦生產(chǎn)造成了很大困難。陷落柱常常貫穿于巖溶發(fā)育的奧灰和煤系地層之間,雖然陷落柱在天然條件下不導(dǎo)水,但開采活動對其導(dǎo)水性能的改造,導(dǎo)致陷落柱往往成為奧灰與煤系地層之間聯(lián)系的通道,井巷或采煤工作面一旦接近或揭露陷落柱時,則可能產(chǎn)生突水,且水量一般較大[1～3]。

地貌上陷落區(qū)的形狀一般為橢圓形或者是扁圓形的陷落盆地,常被不同地層的巖煤碎塊填充,無層序規(guī)則,混亂堆積,陷落柱與圍巖的接觸界面常呈現(xiàn)出鋸齒狀,界線明顯,接觸處的圍巖產(chǎn)狀基本正常,在陷落區(qū)的邊緣地帶有的干燥無水,有的有淋水頭和小細(xì)流[4]。

因此,生產(chǎn)中需要在采煤巷道內(nèi)開展水平鉆孔來探測陷落柱的分布情況和結(jié)構(gòu)特征。由于現(xiàn)有的裝備和技術(shù)不太適合上述水平鉆孔的測井工作條件,因而需要進(jìn)行新方法的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。新方法設(shè)計既要滿足進(jìn)行水平鉆孔的分段測量和相應(yīng)的溫度壓力、井孔流體電阻率和巖石含水性以及自然伽馬值等參數(shù)測量的要求,又要考慮儀器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)保存及合成等。為此,筆者針對上述條件進(jìn)行了方法研究與設(shè)計。

1 測井方法設(shè)計

1.1 設(shè)計目的

測井方法的設(shè)計目的主要包括3個方面:①識別煤礦巷道水平鉆孔中的巖石類型,如煤 (完好與破碎)、泥巖、陷落柱 (具體的砂巖、泥巖、膠結(jié)不好的堆積物等);②判識各類巖石的含水性。具體包括陷落柱的含水性與導(dǎo)水點(diǎn) (利用風(fēng)鉆技術(shù))、煤層內(nèi)部的含水飽和度等;③識別煤層內(nèi)部常見的干濕分帶的寬度與位置,如果無水則應(yīng)防范煤層瓦斯,有水則可以快速通過。

1.2 方法設(shè)計及相應(yīng)的測井響應(yīng)特征

當(dāng)煤層頂?shù)装鍘r層內(nèi)斷層、裂隙和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時,無論其含水與否,都將打破地層電性在縱向和橫向上的變化規(guī)律。含水陷落柱的電阻率值比煤層的電阻率值低得多,電性有明顯差異,陷落柱往往導(dǎo)致臨近煤層的產(chǎn)狀變化和裂隙發(fā)育,使周圍煤層及頂?shù)装辶严栋l(fā)育并大量充水[5]。

針對巷道與煤層水平鉆孔的特殊性 (包括瓦斯、水平井和井中介質(zhì)為氣體等),必須將現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行防火防爆和可操作性改造,使之適應(yīng)于巷道與煤層鉆孔中信息的采集。主要涉及電源接頭密封和屏蔽、電源線屏蔽、采用鉆桿和測井儀器外殼連接輸送測井傳感器等技術(shù)。由于在巷道內(nèi)的水平鉆孔井況較差、井眼軌跡比較復(fù)雜,考慮到防爆和可操作性等因素,可以選擇以下方法開展煤層測井,即自然伽馬測井、深淺側(cè)向電阻率測井、井孔流體電阻率測井、巖石含水性測量和溫度壓力組合測井等。其響應(yīng)特征分別概述如下:①自然伽馬測井反映井孔中巖性的放射性強(qiáng)度,根據(jù)其測井值的變化劃分巖層巖性的變化。純煤層的自然伽馬值很低,且測井值均勻,粘土礦物的存在引起較高的讀數(shù)。在陷落柱附近由于巖性復(fù)雜,通常自然伽馬值起伏較大、變化明顯。②深淺側(cè)向電阻率測井反映井孔中巖層的電阻率變化,煤系地層的沉積序列比較清晰,有固定的變化規(guī)律。純煤的電阻率一般較高,但粘土 (灰成分)常常引起電阻率讀數(shù)低,另外水分的存在也會增加導(dǎo)電性。陷落柱附近的地層由于其含水性增加,其電阻率測井值則會明顯降低。③井孔流體電阻率測井測量井孔中流體等的電阻率大小,如果井孔鉆遇陷落柱附近,其井孔中可能會增加水的含量,則流體電阻率顯示水的特征,其值比較小;若無水則為空氣或巖石碎屑的電阻率值。由此可作為判斷水分的依據(jù)。④巖石含水性測井主要探測井孔中間的充水情況和水的含量多少,可分辨出巖石含水的定量情況,也是判斷地層出水的依據(jù)。⑤溫度壓力組合測井主要測量井孔內(nèi)的溫度、壓力及其梯度變化數(shù)據(jù)。如果陷落柱含水,其周圍會形成一個穩(wěn)定的低溫場,成為煤層溫度異常區(qū),以此來觀察井孔內(nèi)的異常。

針對巷道煤層水平鉆孔的建井模式,由于該類井的井眼直徑一般比常規(guī)井的井眼直徑小,通常在100mm以內(nèi),因而理想的儀器外徑為60mm左右,且長度控制在1.5m以內(nèi),并且可以通過鉆桿拖動儀器運(yùn)動。另外,測井儀器需要采用現(xiàn)場測井?dāng)?shù)據(jù)存儲在下井儀器內(nèi),待取回地面后再回放,因而應(yīng)該采取分段測量、整體數(shù)據(jù)融合后再進(jìn)行處理解釋的技術(shù)。根據(jù)上述要求,將溫度壓力組合測井、井孔流體電阻率測井和巖石含水性測井儀器組合成一個測量儀器短節(jié),將深淺側(cè)向電阻率測井和自然伽馬測井儀器組合成另一個測量儀器短節(jié)。每個儀器短節(jié)包括3～4個傳感器、數(shù)據(jù)采集記錄與回放的電路、統(tǒng)一供電單元等,且均裝在一根儀器外殼內(nèi),該外殼長度控制在1.5m以內(nèi),便于測井施工。同時為了準(zhǔn)確記錄儀器運(yùn)動軌跡,需要在井口附加一個鉆桿位移測量裝置 (地面深度時間記錄面板),以記錄每根鉆桿隨時間的準(zhǔn)確位移變化,作為對測井儀器記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合時的依據(jù)。整個裝置分2次下井測量完成施工任務(wù),然后回放得到測井?dāng)?shù)據(jù),再分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合轉(zhuǎn)換,得到測井信息隨井孔深度的變化關(guān)系,最后合成2次測井的數(shù)據(jù),利用處理解釋軟件對結(jié)果進(jìn)行評價分析并給出相關(guān)報告。

2 測井方法實(shí)現(xiàn)

為了滿足實(shí)際施工條件和防爆要求,可以利用存儲式測井儀器裝置,且采用鉆桿下放和提升儀器,儀器和鉆桿通過螺紋連接。下井儀器內(nèi)部由電池供電,數(shù)據(jù)記錄存儲在儀器中,待儀器提升到地面后再和筆記本的USB接口通訊來下載測井?dāng)?shù)據(jù)。整個裝備由下井儀器 (系列)、地面深度時間記錄面板、相關(guān)通訊軟件等組成。下井儀器包括上述測井參數(shù)儀器系列采用的相關(guān)探頭或電極模塊、信號調(diào)理電路、采集電路和控制記錄存儲電路、電池和電源電路、USB通訊接口等部分,完成井中數(shù)據(jù)的采集記錄;地面深度時間記錄面板包括同步時鐘、深度和時間記錄模塊、USB接口及電池;通訊軟件完成USB接口的數(shù)據(jù)下載、下井儀器采集數(shù)據(jù)和地面面板數(shù)據(jù)的融合及測井?dāng)?shù)據(jù)的顯示和回放等。

在儀器下井前使下井儀器和地面面板保持時鐘同步,然后儀器下井。地面面板則記錄鉆桿的運(yùn)動狀態(tài)和實(shí)時時間,形成完整的記錄。下井儀器應(yīng)始終按照時間模式記錄測井?dāng)?shù)據(jù)。

在制作儀器時要考慮井眼結(jié)構(gòu)、施工工藝要求和環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)情況、金屬外殼和井壁摩擦等問題。電池采用鋰電池,由于其呈圓柱狀,可以放置到儀器鋼管筒里面,通過多節(jié)電池組合達(dá)到所需電壓。

圖1 下井儀器短節(jié)總體框圖

由溫度壓力組合、井孔流體電阻率和巖石含水性測井儀器組合成的測量儀器短節(jié)的設(shè)計圖如圖1所示。

1)下井儀器存儲的數(shù)據(jù)格式 在測井軟件設(shè)計中考慮0.1、0.2、0.5、1s等幾種時間采樣率,可以在下井前根據(jù)測井需要進(jìn)行設(shè)置,儀器在工作時根據(jù)表1所示的格式要求按二進(jìn)制保存測井?dāng)?shù)據(jù),對于測井參數(shù)1～n分別記錄數(shù)據(jù),可預(yù)先人為定義其表示的具體測井參數(shù)類型。

表1 下井儀器存儲的數(shù)據(jù)格式

2)時間同步問題 井口設(shè)置一個記錄深度和時間的裝置,即地面深度時間記錄面板,下井儀器進(jìn)入鉆孔前要和該面板進(jìn)行時間同步,另外該面板要同時記錄下每根鉆桿進(jìn)入水平鉆孔中的深度和時間,并保存為數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件可以采用如表2所示的數(shù)據(jù)格式。

3)數(shù)據(jù)合成 測井裝置分別采集的數(shù)據(jù)有下井儀器記錄的隨時間變化的井孔巖層測井值和地面深度時間記錄面板記錄的鉆桿隨時間變化的深度數(shù)據(jù)2個文件。根據(jù)預(yù)先進(jìn)行的文件格式定義和設(shè)計的數(shù)據(jù)處理軟件,在前述所測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,形成測井?dāng)?shù)據(jù)與鉆孔深度相對應(yīng)的合成數(shù)據(jù)文件。該數(shù)據(jù)文件的格式如表3所示。

表2 地面深度時間記錄數(shù)據(jù)格式

表3 數(shù)據(jù)融合后的測井?dāng)?shù)據(jù)格式

4)資料解釋評價 根據(jù)常規(guī)煤層測井解釋依據(jù),結(jié)合煤層水平鉆孔的結(jié)構(gòu)特征,建立煤層水平鉆孔測井解釋模型和解釋評價方法,設(shè)計相關(guān)測井解釋評價軟件,在所測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料形成解釋認(rèn)識,并給出評價報告。

另外,對由深淺側(cè)向電阻率和自然伽馬測井儀器組合成的測量儀器短節(jié)也可以進(jìn)行類似設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 語

根據(jù)工程實(shí)際開展巷道水平鉆孔是比較通用的施工方式。在施工中,筆者按照設(shè)計的測井儀器裝置可以較好地實(shí)時記錄鉆孔的溫度、壓力、流體電阻率和巖石含水性 (水分或濕度)等參數(shù),由此可分析鉆孔附近陷落柱的存在情況,若鉆孔中含水性較強(qiáng),則附近有陷落柱,否則不存在陷落柱。該研究的設(shè)計思路基于常規(guī)測井的模式,但又在結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)記錄及采集方式上與其有較大差異。根據(jù)該思路,在實(shí)際工作中可以擴(kuò)展應(yīng)用于不同探測目的的測井參數(shù)采集裝置,如果能夠和其他地球物理技術(shù) (如井間地震、井間電磁波和井間聲波等)相互結(jié)合利用,則能夠更好地進(jìn)行水平鉆孔的物性識別。

[1]李永軍,彭蘇萍.華北煤田巖溶陷落柱分類及其特征[J].煤田地質(zhì)與勘探,2006,34(4):53～57.

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[5]劉志新,劉樹才,于景邨.綜合礦井物探技術(shù)在探測陷落柱中的應(yīng)用 [J].物探與化探,2008,32(2):212～215.