礦用鉆孔伽馬測井儀工作原理及其試驗(yàn)應(yīng)用

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。自然伽馬測井曲線是油氣勘探開發(fā)過程中的一條必測曲線，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]。

礦用鉆孔伽馬測井儀是一款集鉆孔軌跡測量與鉆孔周圍地層自然伽馬參數(shù)測量于一體的鉆機(jī)推送存儲式測井儀器。該測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)的測量，待測量工作完成后經(jīng)無線WiFi將測量數(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)果圖及巖性對照表。測井儀探管則由測斜電路板、伽馬探測器、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，測斜電路板可通過傾角、方位角傳感器測量的數(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)脈沖信號給數(shù)據(jù)采集與控制板；數(shù)據(jù)采集與控制板用于對測斜、伽馬探測的控制、數(shù)據(jù)的存儲以及傳輸；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)測量前的配置參數(shù)下發(fā)、測量過程中有效數(shù)據(jù)的標(biāo)記以及測量完成后測量探管內(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到，因此選擇探測伽馬射線進(jìn)行測井工作[8]。自然伽馬測井其實(shí)質(zhì)就是測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不同，這就是使用自然伽馬測井法的依據(jù)。礦用鉆孔伽馬測井儀在接收到天然放射性元素所放射出的伽馬射線時(shí)，會將這些伽馬射線轉(zhuǎn)換成負(fù)的電脈沖信號，而產(chǎn)生的電脈沖數(shù)量與測井儀當(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，可以分析得出被測孔段巖層的巖性差異[9-11]。

在使用礦用鉆孔伽馬測井儀進(jìn)行探測時(shí)，當(dāng)伽馬射線進(jìn)入測井儀伽馬探測器的碘化鈉晶體后，經(jīng)過電離激發(fā)會產(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)脈沖信號經(jīng)過跟隨、濾波、放大、整形等信號處理后即轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)脈沖信號。數(shù)據(jù)采集與控制板中的STM32單片機(jī)則對該標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號進(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，因此測井儀通過測量及計(jì)算得出的計(jì)數(shù)率CPS也會不同[13-16]。測井儀的伽馬探測工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 伽馬探測工作原理示意圖

數(shù)據(jù)采集與控制板除了對伽馬探測器輸出的負(fù)脈沖信號進(jìn)行信號處理、計(jì)數(shù)及存儲外，同時(shí)還會將與脈沖計(jì)數(shù)相對應(yīng)的時(shí)鐘信息進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)采集與控制板會按照預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間間隔對輸入的脈沖信號進(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。脈沖信號采樣的間隔時(shí)間可依據(jù)使用現(xiàn)場實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整，但調(diào)整須在測量開始前進(jìn)行參數(shù)配置時(shí)完成。

將探管中存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入防爆安卓終端后，在井下鉆場即可通過防爆安卓終端的數(shù)據(jù)處理APP實(shí)現(xiàn)測量數(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，使得測井儀測得的伽馬測井曲線標(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)儲量約為3.3億t，設(shè)計(jì)可采儲量約為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)的地勢整體較為平坦，地貌類型相對單一，主要以河間平地為主，地勢大致呈西北高、東南低趨勢，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7-3#鉆孔，距離右9#鉆場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。

通過伽馬測井儀的實(shí)測數(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。通過對伽馬值分析可以發(fā)現(xiàn)，儀器處于相同地層時(shí)，測得的伽馬值比較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

此次在淮北某礦右7#鉆場3號鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果可以得出：伽馬測井儀在煤層與巖層中測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?。在本次試?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