煤矿井下无缆测井系统的改进及应用

2023-02-13

在井下利用钻孔进行无缆测井的方法提前勘探地质构造是一种非常准确而且省时、省力、经济的物探方法。但是传统的测井系统必须分别用两套仪器、取送两次探管, 才能取得所需的选择伽玛、自然伽玛、测斜等测井参数。因此将原有的仪器进行改进和更新, 应用先进的单片机技术、使同步机和探管时间同步、分别存储及通讯技术, 利用钻杆送取探管的方法, 并通过在测井同步机上增加自动测深装置和将选择伽玛、自然伽玛、测斜等探管进行组合, 由原来的7根探管改为3根探管, 一次就可取得所需测井参数。减轻劳动强度, 缩短工作时间, 使系统小型化、轻便化、自动化、多用化, 同时降低了井下测井仪器成本。

1 煤矿井下无缆测井系统的组成

该系统由多功能无缆测井系统同步机、测深装置和自然伽玛、选择伽玛、全方位测斜仪组合探管等几部分组成。该系统不用电缆, 采用钻杆取送探管, 利用同步机和探管时间同步的的方法进行无缆测井。

1.1 系统的功能与操作流程

系统采用组合探管对钻孔数据定时采样, 同步机定时对测深装置的正转、反转、停止等数据跟踪采样, 并确定采样点的有效性, 从而完成无缆测量工作。同步机控制探管的复位、延时、数据采集、存贮及通信。测量时首先把同步机与探管用连线连接, 使同步机与探管同步工作;再根据所测钻孔的深度, 确定所需延时时间, 按下同步机的延时键。拆开连线, 用钻杆把探管送入钻孔需测的位置;延时到后, 探管开始采集、存贮钻孔测量数据, 由同步机记录测点的有效性;测量完毕, 把探管中存贮的测量数据通信传输到同步机, 再由同步机将数据通讯传输到计算机, 进行深度数据处理和测井数据的深度对齐, 绘出测井曲线。

1.2 系统的结构设计

系统结构设计中重点是探管的设计。为了井下测井携带方便, 将测井探管分为三节, 测斜探管为一节, 自然伽玛为一节, 选择伽玛为一节。实际测井时将三节探管连为一体。

1.3 系统的电路设计

系统以单片机为核心, 实现系统的控制、数据采集、存贮、通信、数值计算以及结果显示。为降低功耗, 保证系统工作时间, 不采集信号时不给传感器及电路供电。同步机主要由键盘、显示器、单片机电路、数据存储器、程序存储器、通信接口 (与探管、与计算机通信) 等组成。测斜探管包括电源电路、磁通门电路、重力加速度计电路、A/D转换电路、单片机采集控制电路、通信电路等;选择伽玛探管包括信号处理电路;自然伽玛探管除信号处理电路外, 还包含单片机采集控制电路、通信电路数据存储电路、电池、电源电路等。

1.4 系统参数

1.4.1 测井仪同步机

测量参数:可达10种;存贮容量:1024k;采样计数时间:1.0s或可选择;每道计数 (测量) 范围:0~65536cps。

1.4.2 测井探管

测量参数:自然伽玛、选择伽玛、倾角、方位角。

1.4.3 仪器技术要求

测井深度:≤800m;▲工作时间:不少于8 h。

1.4.4 测量精度

煤与岩层的分辨率:≤10cm;深度误差:≤10cm;倾角测量范围及精度:±600 (均方差±0.40) ;方位角测量范围及精度:0~3600 (均方差±40) 。

1.4.5 适应工作环境条件

环境温度:0~40℃;相对温度:96%;探管耐压:8MPa。

2 井下实地测量的结果及相关分析

下面以新汶煤业集团鲁庄矿井下的实测结果为例介绍采用更新后的煤矿井下无缆测井系统应用结果。在鲁庄矿井下实测的是一口垂直钻孔, 测井的目的是为了确定和验证136m左右煤层垂直深度与厚度。根据任务, 利用更新的测井系统采样灵活的特点, 选定测井曲线连续时间采样, 倾角、方位角每5m一个采样点的测井方法。

2.1 测量结果

2.1.1 测斜原始数据

为了便于对比, 将各岩层、煤层的分界面参数列于表1中。由于每隔5m对倾角、方位角取一次样, 而各岩层的分界面不一定正好和倾角、方位角的采样点重合, 这种情况下, 岩层的分界面处的倾角、方位角数据用邻近的上层与下层数据的中间插值代替。由于是采用刚性的钻杆取送探管进行测量, 在5m之内不会产生较大偏角, 由此带来的误差很小, 可以忽略不计。

2.2 测量数据处理及结果分析

2.2.1 数据处理

相对孔口平面垂直深度h的计算公式如下:h=hi×conα (1) ;相对孔口平行线的水平距离x, 则计算公式为:x=hi×sinα (2) ;将表1中各层位交界处 (层底部) 的测量深度、倾角带入公式 (1) 即可求出相对孔口的垂直和水平距离: (见表2所示)

真厚度d的计算公式:

式 (3) 中h底表示层位底部相对孔口的平面垂直深度;h顶表示层位顶部相对孔口的平面垂直深度;在计算时取绝对值。将由公式 (1) 计算出各层位交界处的距孔口垂直距离 (h) 代入 (3) 式, 即可求出各层位的真厚度d (计算结果见表3所示) 。

2.2.2 测量结果分析

现就钻探取芯资料 (柱状图) 中的两煤层进行分析如下。

煤层:由表1可以看出102m测点处 (煤层位顶部) 的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;同样, 表1中102.90m处 (煤层位底部) 相对孔口平行线的水平距离为x=hi×sinα=102.00×sin3.39°=6.03m;由表1可以看出102.90m测点处的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;由表4可看出 (5) 煤层真厚度为0.9m。

煤层:由表1可以看出103.75m (煤层位顶部) 的方位角为136.95° (即偏向东北方向136.95°) ;同样, 表1中105.41m处 (煤层位底部) 相对孔口平行线的水平距离为x=hi×

表4实测结果与钻探取芯对照表注 (表中的厚度误差是相对伪厚度)

sinα=105.41×sin3.40°=6.25m;由表1可以看出105.41m测点处的方位角为137.10° (即偏向东北方向137.10°) ;由表4可看出 (7) 煤层真厚度为1.65m。

如图1所示。

2.3 实测结果与钻探取芯对比

钻探取芯资料和用更新后的井下无缆测井系统实测结果对照表4所示。

由表4可以看出取芯资料和仪器实测资料各层厚度误差≤10cm, 同时也说明测井时对煤层与岩层的分辨率≤10cm。其中钻探取芯资料中没有 (3) 煤层, 经分析是因为此煤层太薄 (软) 没取上芯, 用更新后的井下无缆测井系统进行测井的目的就是为了验证钻探取芯和地质分析资料的正确与否。测斜的目的是为了确定和计算出煤层和岩层的真厚度以及所处的位置。根据实测数据并通过计算获得的结果与鲁庄矿原来的测井资料及钻探取芯资料进行对比, 表明井下无缆测井系统性能稳定、测量结果可靠, 能够达到实用要求。

3 结语

a系统应用单片机技术, 采用无缆测量方式进行工作。能准确地测量出倾角和方位角, 极大提高了仪器的耐冲击性, 解决了测斜仪的可靠性问题, 适应井下工作环境。b该矿井无缆测井系统轻便、操作简单, 自动化程度高, 提高了测井效率, 使测斜仪达到了实用要求。c该系统在工艺、软件上有待进一步的完善与提高, 但已经展示出较好的应用前景。d随着井下资源探测规程的出台, 需要研究增加测井系统的声波、电阻率等测量参数。另外, 还要不断更新电子元器件, 如采用半导体元件替代光电倍增管, 采用电子放射性源替代天然放射性源等, 以尽可能降低成本和危害, 增加系统的可靠性。

摘要：传统的无缆测井系统在钻孔中取得选择伽玛、自然伽玛及测斜资料等结果, 必须分别用测井仪和测斜仪两套仪器进行测量, 而改进后的测井系统使二者统一起来, 可以一次取得所需结果。本文即对此进行详细介绍, 并通过工程实地测量验证其实际应用效果。

关键词：测井,测斜,自然伽玛,选择伽玛