矿用钻孔伽马测井仪工作原理及其试验应用

贾若辰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

地球物理测井是地质勘探领域的一门技术科学，通过使用地球物理探测技术方法来研究钻孔的地质剖面、解决地下部分地质问题以及钻探技术问题。使用测井技术可以较为准确地划分钻井剖面(即甄别地下地质煤层、岩层和含水层，以确定它们的深度、厚度以及一些特定的物理或化学性质)。测井技术在煤田地质勘探领域主要用来配合进行无岩心钻探，极大地提高了勘探效率。随着煤田测井技术的不断进步，勘探速度加快的同时，又降低了勘探成本，这对于提升煤田地质勘探工作的质量发挥了重要的作用。当前，煤田测井资料的地质成果解释也已成为开发矿井所需的重要资料以及其他资料的重要依据[1-2]。

目前煤田测井方法主要包括人工伽马、自然伽马、自然电位法、激发电位法和视电阻率法等。自然伽马测井曲线是油气勘探开发过程中的一条必测曲线，同时也是最基本、最重要的曲线之一。其在煤矿井下近水平钻孔岩性划分方面也有着十分重要的意义，近些年随着煤矿井下的实际需求，也逐渐开始被广泛应用[3-7]。

矿用钻孔伽马测井仪是一款集钻孔轨迹测量与钻孔周围地层自然伽马参数测量于一体的钻机推送存储式测井仪器。该测井仪适用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔、超前勘探孔等钻孔。主要用于钻孔的自然伽马、钻孔的倾角以及钻孔的方位角等参数的测量，待测量工作完成后经无线WiFi将测量数据上传至防爆安卓终端进行数据预处理与曲线绘制，可快速形成钻孔的轨迹曲线以及钻孔的自然伽马曲线。地面PC端数据处理与解释软件可对数据进行更为详尽的解释，由此判断钻孔空间位置及所钻地层岩性，数据处理结果可为后续设计布孔与钻进施工提供指导和依据。

1 系统组成

矿用钻孔伽马测井仪系统由三大部分组成，系统组成框图如图1所示。包括地面部分的PC端数据处理与解释软件、井下部分的测井仪探管与防爆安卓终端。

图1 系统组成框图

地面PC端数据处理与解释软件主要是用来实现井下采集的有效数据的详细处理及解释，最终形成解释结果图及岩性对照表。测井仪探管则由测斜电路板、伽马探测器、数据采集与控制板、电池与本安电路以及电源控制与指示板组成。其中，测斜电路板可通过倾角、方位角传感器测量的数据计算得出钻孔的位置信息(包括倾角、方位角、工具面向角)；伽马探测器由碘化钠晶体以及配套的光电倍增管组成，可用于接收地层岩石中因自然衰变而产生的伽马射线，探测器通过接收伽马射线中的能量来实现外光电效应的激发，进而产生电子流输出负脉冲信号给数据采集与控制板；数据采集与控制板用于对测斜、伽马探测的控制、数据的存储以及传输；电池与本安电路用于给探管提供安全电流电压；电源控制与指示板用于控制探管采集功能以及WIFI通信功能的开关。防爆安卓终端是指基于安卓平台的便携式防爆终端及其配套的数据采集软件，主要实现测量前的配置参数下发、测量过程中有效数据的标记以及测量完成后测量探管内原始数据的导出及同步匹配、成图展示。

2 工作原理

地层岩石中含有包括铀、钍、钾40等天然放射性元素。通常岩石中的这些放射性元素会在自然衰变的过程中释放出α粒子束、β粒子以及伽马射线等。相较于这些射线，只有伽马射线在岩石中具有较强的穿透能力可被有效探测到，因此选择探测伽马射线进行测井工作[8]。自然伽马测井其实质就是测量井中地层岩石包含的各类天然放射性元素所放射出的伽马射线强度。由于不同种类的岩石在生成过程中所处的物理化学环境不同，导致岩石中的成分不同，因而所含放射性元素的种类和浓度也会不同，这就是使用自然伽马测井法的依据。矿用钻孔伽马测井仪在接收到天然放射性元素所放射出的伽马射线时，会将这些伽马射线转换成负的电脉冲信号，而产生的电脉冲数量与测井仪当前所处位置的伽马射线强度是成正比的。通过计算单位时间内的电脉冲数量，可以分析得出被测孔段岩层的岩性差异[9-11]。

在使用矿用钻孔伽马测井仪进行探测时，当伽马射线进入测井仪伽马探测器的碘化钠晶体后，经过电离激发会产生荧光。而当光电倍增管的光电阴极表面受到光子的轰击时，则会激发形成光电效应进而产生一定数量的光电子，这些光电子经过光电倍增管的接收与倍增后会形成电流负脉冲，该电流负脉冲在光电阳极经由负载电阻转为电压负脉冲，而电压负脉冲信号经过跟随、滤波、放大、整形等信号处理后即转变为标准脉冲信号。数据采集与控制板中的STM32单片机则对该标准脉冲信号进行采集并计算出单位时间内的脉冲计数率CPS[12]。由于不同地层岩石中含有的放射性物质含量不同，所放射出的伽马射线总强度不同，因此测井仪通过测量及计算得出的计数率CPS也会不同[13-16]。测井仪的伽马探测工作原理示意图如图2所示。

图2 伽马探测工作原理示意图

数据采集与控制板除了对伽马探测器输出的负脉冲信号进行信号处理、计数及存储外，同时还会将与脉冲计数相对应的时钟信息进行存储。数据采集与控制板会按照预先设置好的时间间隔对输入的脉冲信号进行统计计数，并计算出单位时间内的脉冲计数率。脉冲信号采样的间隔时间可依据使用现场实际需求进行调整，但调整须在测量开始前进行参数配置时完成。

将探管中存储的数据导入防爆安卓终端后，在井下钻场即可通过防爆安卓终端的数据处理APP实现测量数据与孔外标记数据匹配、钻孔轨迹及伽马曲线绘制与显示，具有一定的实时性。通过伽马测井仪在刻度时得到的刻度系数，可通过将脉冲计数率转换为地层工程值API，使得测井仪测得的伽马测井曲线标准化[17]。升井后，全数据文件可导出至PC端处理软件，结合地质资料进一步解释与处理，为后续设计布孔与钻进施工提供指导与依据。

3 实际应用

3.1 矿井概况

本次试验的地点为淮北某煤矿，该矿位于安徽省淮北市濉溪县的南坪镇境内。该矿井的地质储量约为3.3亿t，设计可采储量约为1.9亿t，设计年生产能力240万t，服务年限60.2年，井深为724.2 m。矿井东以双堆断层及F22断层、西南坪断层为界；南以石炭系太原组顶部第一层灰岩露头线为界；北以27勘探线为界。南北边界的间距约为6.5 km，东西约为3～5 km。井田内的地势整体较为平坦，地貌类型相对单一，主要以河间平地为主，地势大致呈西北高、东南低趋势，地面标高范围从+20.50～+26.20 m，其中大部分标高约在+23.7 m[18]。区域地层从老到新发育有太古界-元古界，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系，新生界第三、四系[19]。

3.2 试验结果

本次试验地点为矿区7401底抽巷的右7钻场7-3#钻孔，距离右9#钻场200 m。根据矿方提供的资料，该地区的钻孔主要目的为7401底抽巷的72、82煤层的空间形态及其与巷道的空间关系。

通过伽马测井仪的实测数据计算分析并结合矿区的岩性柱状图得出沿钻孔的根据伽马曲线解释的岩性柱状图(见图3)。本次试验的实际测量孔深为124 m。钻孔的前5.92 m，计算出的伽马均值为86.76，判断仪器处于煤层；钻孔的5.92～84.89 m，计算出的伽马均值为267.57，判断仪器处于砂质泥岩；钻孔的84.89～93.1 m，计算出的伽马均值为114.47，判断仪器二次处于煤层；钻孔的93.1～98 m，计算出的伽马均值为257.59，判断仪器二次处于砂质泥岩；而在钻孔的98～124 m，计算出的伽马均值为227.82，判断仪器处于泥质砂岩。

图3 沿钻孔解释的岩性柱状图

本次试验的伽马解释成果表见表1。本次试验中仪器在煤层与岩层测得的伽马值差别明显，相较于岩层，煤层的伽马值小。同时，仪器在2次经过砂质泥岩时伽马值比较统一，而在2次经过煤层时，伽马值也基本一致。通过对伽马值分析可以发现，仪器处于相同地层时，测得的伽马值比较稳定。

4 结语

此次在淮北某矿右7#钻场3号钻孔的试验结果可以得出：伽马测井仪在煤层与岩层中测得的伽马值差别明显，易进行煤岩分界的判断。结合矿区的岩性柱状图分析，伽马曲线的变化与该矿区的岩性符合较好，较好地反应了岩性的变化。本次试验验证了使用钻孔伽马测井仪判断煤岩分层位置的有效性，基本达到了试验目的。在本次试验过程中，仪器工作稳定，同一地层中数据一致性好，下一步计划进行更多的钻孔内煤岩分界判断试验，进一步检验仪器性能。

表1 伽马解释成果表