基于钻孔成像的煤层地质趋势面分析技术

孙米银

（平顶山天安煤业股份有限公司 十三矿，河南 平顶山 467000）

瓦斯地质信息在煤与瓦斯突出事故预防中具有重要的作用[1-4]。如何精准提取地质信息，实现煤层瓦斯地质趋势面的准确分析，是一项十分重要的工作。当前瓦斯地质信息提取与瓦斯地质方法主要有：综合地质信息分析法[5]、数码摄像与TLS点云数据融合[6]、前视电子钻孔窥视[7]、低温超导瞬变电磁法[8]、CT探测技术[9]、无线电波透视和槽波地震融合法[10]、GPS地质勘探等方法[11]。部分学者还开发了自动钻机在线监测地质数据软件[12]、钻井信息模型检索方法[13]、基于优化建模的新数据结构和算法的地质管理系统[14]等。以上的研究可以发现，地质探测方面的研究主要聚焦在地形、地貌等地质信息的探测[15]，而对于如何在复杂地质条件下精准提取钻孔地质信息的研究相对较少。因此，将钻孔成像技术应用到复杂地质条件下的钻孔地质信息提取方面。利用其视频成像、自然伽马、电阻率、自然电位等功能，确定瓦斯抽放孔、地质超前探孔、构造探煤孔、探放水钻孔、锚索孔的钻孔方位、倾斜度、钻孔深度等数据。基于这些地质信息，结合已有的地质信息，绘制煤厚等值线图、煤层底板等高线图、采面残值图等信息，最终实现对煤层瓦斯地质趋势面的分析。

1 钻孔地质信息提取

1.1 地质信息提取方法

该方法主要使用的YZD18.5矿用侧向电阻率视频成像测井仪对复杂地质条件下的地质信息进行提取和利用。该视频成像测井仪由测井仪主机、测井仪探管、线缆以及推杆等构成。

1）探头由高分辨率摄像头、自然伽玛、视电阻率、自然电位、激发电位1、2、钻孔轨迹测量及控制单元构成，在测量大口径钻孔时，扶正器可保证探测时探头位于钻孔中央。

2）主机控制部分由视频采集控制单元、数据采集控制单元、电缆及绕线装置等构成。

3）深度计数模块通过测量电缆的长度获取探测深度。

4）推杆每节长度1.0 m，互相可连接，末端与探头连接。

探管中的采集器对采集数据原位数字化并传输至测井仪主机，从而消除了模拟信号的传输，实现了真正意义上的地震勘探全数字化，同时探管中的摄像头把视频信号传回主机，由主机处理后进行存储和显示。在数据分析方面采用自然伽玛测井曲线与视频按照同深度进行同步数据分析，来判读岩性与分层，用GR曲线、视电阻率曲线、自然电位3条曲线来进行层位分析。绘制钻孔岩性柱状、分析钻孔的岩层结构，同时能够定向绘制钻孔轨迹平面图、自动生成钻孔地质剖面原型，并进行各种图形的CAD或图片输出。

1.2 地质信息提取指标

该方法主要对瓦斯钻孔的轨迹（方位角、倾角）钻孔的深度和终孔位置控制、钻孔内孔壁结构特征分析及分层为研究对象，以解决钻孔是否按照设计方向钻进、钻探终孔位置是否达到设计位置、钻孔内揭露的资料是否可以更详细与准确的描述等当前矿方钻探面临的重要难题。具体的研究内容包括：①钻孔轨迹（方位角、倾角）控制；②钻孔深度、终孔位置控制；③钻孔孔内视频拍摄；④钻孔孔壁结构特征评价；⑤钻孔柱状层位分析。

2 煤层趋势面分析数据采集及筛选

2.1 煤层趋势面分析

煤层趋势面分析的基本功能在于将数据中的区域性特征、局部性特征及随机干扰分离出来，以便从中找出隐蔽和被掩盖的地质信息。在同一层面利用钻孔成像技术，可以分别对局部防突措施孔、注水钻孔等钻孔进行地质数据的提取。在结合测量成果台账资料等资料，借助Surfer软件生成的煤厚等值线图、煤层顶（底）板等高线图、剖面图、偏差图等成果图件，实现了煤层趋势面分析。圈定地质异常，提高地质预测预报准确性，更好服务于煤矿瓦斯防治和安全生产。

2.2 数据采集

煤层趋势面的分析除了采用钻孔成像技术获得的钻孔数据外，还包括：井下工程实揭数据，测量数据，构造数据，视频、测井、测斜、物探数据，共5类。

为了高趋势面分析的准确性，在进行数据收集时，要多渠道收集数据。数据来源应包括：高、低位抽采巷防突穿层钻孔数据，局部防突措施、注水钻孔，地质超前探测钻孔，井下探煤孔，测量成果台账地质资料，井下工程实揭地质资料，井上井下各类勘探钻孔资料，视频、测井、测斜、物探资料。

数据在采集过程中主要分为：直接测量、间接测量2种。直接测量包括：①罗盘、地质编录仪；②全站仪；③激光测距仪、皮尺、钢尺，进行数据采集。间接测量包括：开孔定向仪、钻孔轨迹仪、视频成像仪。

2.3 数据筛选与评判

对于各种来源的钻孔数据和地质资料要进行筛选和评判。①有技术装备检验的钻孔和实揭地质资料，直接利用；②无技术装备检验的高、低位抽采巷穿层钻孔和超前探煤钻孔，应根据评判结果取舍利用；③异常钻孔应使用成像测井仪进行校验。

3 工程应用

2019年4月15日至7月1日，该技术方法在平煤十三矿进行了应用，对己15-17-11110中191个瓦斯抽放孔进行探测，探查上部己15-17煤层赋存情况及构造情况，从而达到采面透明化开采的目的。部分钻孔信息数据探测结果对比分析见表1。

表1 探测结果对比分析Table 1 Comparative analysis of detection results

3.1 钻孔地质信息分析

采用的视频成像技术可以详细提取到复杂地质条件下的瓦斯地质信息。以部分钻孔为例，做详细的钻孔信息分析。

1）钻孔轨迹分析。通过对钻孔信息进行不间断的提取，可以得到钻孔的实际钻孔轨迹，进而可以对钻孔轨迹的方位角、倾角等钻孔信息进行分析。以冲Z4-4-6钻孔为例，钻孔轨迹图可以清晰的显示从轨迹的1/4处开始，钻孔开始发生偏移，偏移随着钻孔深度增加而偏移现象越明显，在接近孔底位置，偏移位移达到最大值。从钻孔方位图可以看出，设计方位为222°，而实测方位为231°，方位角偏差达到了9°。从钻孔倾角图可以看出，设计倾角为17°，而实际倾角为25°，倾角偏差达到了8°。

2）钻孔柱状图。采用自然伽玛测井曲线与视频按照同深度进行同步数据分析，来判读岩性与分层，用伽马曲线、视电阻率曲线、自然电位3条曲线来进行层位分析，从而得到钻孔的综合柱状图。ZK5钻孔综合柱状图显示：钻孔深度为12.28 m，在0～7.57 m为砂质泥岩，厚度为7.57 m。在7.57～9.95 m为泥岩，厚度为2.38 m。在9.95～12.28 m为煤，厚度为2.33 m。

3）煤层起止位置。不间断的对钻孔进行视频拍摄，可以对煤层起止点进行截图分析，从而确定煤(岩)层的起止位置，以及孔内的钻探情况。

4）煤层上下岩层测井曲线特征。通过测井数据库与实测相结合的曲线分类，初步断定勘查区的地层和岩性变化情况。平煤十三矿各类岩性测井特征见表2。

表2 平煤十三矿各类岩性测井特征Table 2 Various lithologic logging characteristics in Pingmei No.13 Mine

3.2 煤层趋势面分析

利用钻孔成像得到的地质信息，结合测量成果台账资料等资料，通过surfer软件可以绘制煤层趋势面分析图。通过对191个瓦斯抽放钻孔探测综合分析得到2条断层延伸区域、1个煤层相对变薄区和1个煤层相对增厚区。

1）煤厚等值线图。以11110采面钻孔成像提取到的信息为基础，绘制了该采面的煤厚等值线图。在等值线图中，发现了赋存于该采面内部的2个煤层较厚的煤厚异常区（煤厚大于7.0 m），并较为直观的反应了煤厚异常区的延伸方向和范围。该煤厚异常区的位置大致在A9′-A10测点附近，经过地测部门在该采面切眼的实际探煤厚资料验证，在图示范围确实探测到了煤厚的急剧增厚变化，与图纸资料较为吻合。

2）煤层底板等高线图。利用相关资料，通过surfer软件绘制了己15-17-13050机巷煤层底板等高线图。在底板等高线图D21测点附近，等高线出现了走向、间距、倾角的急剧变化。经机巷低抽巷实揭资料和地质超前探资料分析为构造发育。后期在机巷实际掘进中在该点附近发现了2条正断层的存在，断层产状为345°∠45°H=2.0 m和350°∠85°H=3.0 m。

3）采面残值图。利用11080采面中抽巷瓦斯治理穿层钻孔资料以及11080采面风机巷及切眼实际揭露煤厚资料，可以得到煤厚偏差图和底板等高线偏差图。在11080采面底板等高线偏差图Z15测点附近发现了残值的正负变化，由-1增长为+1。而在距离较近的切眼附近实际揭露1条逆断层，断层产状为188°∠36°H=7.0 m。经初步分析可能为该断层影响导致。

在11080采面煤厚等值线偏差图中G4-G5测点上部出现了较大的煤厚偏差，由0增长为+1，显现存在煤厚异常区。由于附近机巷及中抽巷掘进过程中均未揭露断层。经初步分析可能为煤层赋存不稳定导致。

4 钻孔偏移规律

4.1 顺层钻孔与穿层钻孔偏移规律

顺层钻孔和穿层钻孔在打钻过程中发生轨迹偏移是常见的现象，其主要呈现以下的规律：

1）顺层钻孔由风巷向机巷打孔多向下飘，而顺层钻孔机巷向风巷打孔倾角多向上飘，钻孔倾角均会变大。

2）当顺层钻孔角度与煤层倾角越接近，在煤层中穿行的距离越长钻孔倾角越容易发生变化。

3）设计倾角0°～40°的穿层钻孔，钻孔倾角受钻杆自重影响一般容易向下偏移；倾角50°～90°钻孔同样受钻杆自重影响，根据受力分析，钻孔倾角偏移相对较小。

4）不论是穿层钻孔还是顺层钻孔，其方位的偏差主要受钻机钻进速度、钻进压力、钻进扭矩及岩层的倾向的影响发生变化，不再详细赘述。

4.2 顺层钻孔与穿层钻孔轨迹偏斜原因

钻孔轨迹偏斜情况是普遍存在的，在平面和剖面上均呈现明显的偏斜现象，导致钻孔弯曲的原因多种多样，主要有以下几点：

1）地层因素。由于地层较为复杂，岩石的各向异性，软、硬岩层变化频繁，当钻进以锐角透过软硬岩石界面，从软岩层进入到硬岩层时，由于软硬部分抗破碎阻力不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。整体轨迹向下偏移，偏移较大位置集中在套管底端和海相泥岩与石灰岩交界处。

2）钻进规程参数。钻压过大，会引起钻杆甚至岩心管弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角达到最大，并且钻具的摩擦阻力也会增加，随着摩擦阻力的增大，钻具围绕孔轴线回转的频数下降，甚至只围绕自身轴线自传，此时钻具倾斜或弯曲平面具有固定的方向，从而导致钻孔弯曲。

转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧了钻具的横向震动和扩壁作用，结果孔壁间隙增大，钻孔弯曲。冲洗液量过大，特别是在较软岩层中冲洗液会冲刷、破坏井壁造成“大肚子”孔段，这些都会使孔壁间隙增加，为钻具偏道、钻孔弯曲创造条件。

5 结 语

应用的钻孔成像技术，利用其视频成像、自然伽马、电阻率、自然电位等功能，可以精准的实现钻孔轨迹（方位角、倾角）控制，钻孔深度、终孔位置控制，钻孔孔内视频拍摄，钻孔柱状层位分析等钻孔信息的提取。获取的钻孔数据结合井下工程实揭数据，测量数据，构造数据，视频、测井、测斜、物探数据，借助Surfer软件生成的煤厚等值线图、煤层顶（底）板等高线图、剖面图、偏差图等成果图件，实现了煤层趋势面的精准分析。在平煤十三矿对己15-17-11110中191个瓦斯抽放孔进行探测，初步得到平煤十三矿各类岩性测井特征，综合分析得到2条断层延伸区域、1个煤层相对变薄区和1个煤层相对增厚区。顺层钻孔和穿层钻孔偏移呈现一定的规律性，其受地层因素和钻进规程参数的影响。