基于方位伽马的煤岩界面探测数值模拟研究

陈刚，陈 龙，李泉新，刘志毅

(1.兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000；2.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

随着钻进工艺和技术的不断提升，水平井和大斜度井等定向钻进中能够有效控制轨迹向煤层气藏的富集区域钻进[1-2]。定向钻进对实现探放水作业、及煤层气高效开发有重要意义。传统测井方法已不能满足定向井钻进，为适应钻进实时测量需求，近年来煤矿井下孔中随钻测量技术发展迅速。在煤矿区使用随钻方位伽马能够实时探测钻进煤岩层的自然放射性，测量的伽马数据具有方位，能够实现煤层顶底板探测应用，对煤岩层伽马数据进行方位成像处理，并与其他测井仪器组合使用可达到顺煤层钻进地质导向目的[3-5]。

在地面煤层气开发中，通常由于顶底板岩性天然放射性与煤层差异较大，因此，随钻方位伽马测井可用于煤层顶底板识别。在国内随钻方位伽马测井研究也有近十年时间，相比国外先进技术，国内仪器研究发展较慢。随着煤层气大规模开发，面临着煤层厚度不稳定、构造复杂等难点，传统的随钻测量系统配伽马随钻仪器已不能满足现场施工要求。为达到煤层气L 型水平井水平段快速钻进的目的，后续开发了近钻头方位伽马仪器。

但在煤矿井下钻探中，煤层顶底板识别主要凭经验通过钻孔孔口反水、钻进参数变化的方法分辨地层，该方法技术落后、可靠性差，对于复杂煤层的适应性差，因此，亟需将随钻方位伽马测井移植到煤矿井下钻探中[6-7]。

但由于煤矿井下特殊施工条件限制，石油领域开发的自然伽马测量仪器不能用于煤矿井下定向钻进施工，主要原因为：仪器直径较大，不适用于煤矿井下小口径钻进；仪器长度较长，受煤矿井下巷道空间限制；仪器需要电流、电压较大，不满足防爆要求，因此，迫切需要具有自主知识产权的先进煤矿井下随钻装备。本文通过数值模拟研究围岩厚度和吸收系数不同情况下伽马射线强度响应值，分析伽马探测器在含放射性地层条件下，伽马测量值API 反映空间物理特征的差异性，在此基础上建立八扇区随钻方位伽马钻进煤、泥、灰岩3 层地质模型，模拟钻进煤层顶底板识别过程，为煤矿地质导向工程提供理论指导。

1 随钻方位伽马测量技术

1.1 基本原理

岩石中含天然放射性元素衰变时自发地放出伽马射线，闪烁晶体探测器接收到伽马射线后产生光电子，后经光电倍增管后变为电脉冲，经放大后将信号传送，不同地层岩性中放射性元素的含量不同，正是基于此，自然伽马测井可划分地层岩性、确定泥岩含量等[8-10]。与石油行业不同，煤矿井下随钻方位伽马测量探管电路设计既要达到防爆要求，又要满足测量特性。防爆设计主要针对仪器电源电路进行多重保护设计和减小仪器功耗。由于仪器尺寸小，需要压缩结构和电路布置空间。煤矿井下随钻方位伽马测量探管硬件设计包括碘化钠晶体探测器、脉冲整形电路、中央处理器电路、光电倍增管高压电源、非易失存储器、电流电压保护电路等几部分组成[11-16]，如图1 所示。

图1 随钻方位伽马测井仪原理框图Fig.1 LWD azimuth gamma logging instrument principle diagram

1.2 水平井放射性地层伽马射线强度计算

煤矿井下顺煤层随钻钻进时，多为水平井或者大斜度井，顺煤层随钻水平井的自然伽马分布规律及解释模型的理论研究与垂直井煤岩层钻进相比并不完善，水平井中沿井轴的自然伽马分布规律有很大差别[16-19]。

假设煤岩层水平井段放射性顶板厚度为h，且煤岩层为轴向有限厚、径向无限远，井内介质、围岩和地层的吸收系数都是μ，井眼半径为r0，伽马射线强度为J，地层密度为ρ，放射性物质的平均放射强度为q，体积为v，每秒钟伽马量子数为A，如图2 所示，在井孔任意点O(x,y,z)单位体积dv引起的伽马射线强度Jr为：

图2 水平井地层伽马射线沿井轴分布计算Fig.2 Calculation diagram of gamma ray distribution along well axis in horizontal well formation

式中：z0为任意点O到煤岩界面的垂直距离。

1.3 八扇区随钻方位伽马工作原理

多扇区随钻方位伽马仪器可以含有单个或多个伽马探测晶体传感器，本文采用单个伽马探测晶体传感器，旋转状态下通过屏蔽壳和方位传感器能够实现八扇区方位计算，受困于煤矿井下仪器尺寸限制探测晶体传感器安装钻铤中心，用以记录来自上下左右4 个方位、8 个象限的地层伽马射线。矿用八扇区随钻方位伽马测量分布如图3 所示，其能够对水平孔煤岩层轴向进行伽马成像。

图3 八扇区随钻方位伽马测量分布Fig.3 Distribution diagram of azimuth gamma measurement while drilling in eight sectors

2 自然伽马测井围岩影响数值模拟

仪器在钻孔中测量时除受目的层伽马射线正常影响外，围岩性及厚度和泥浆吸收系数不同时伽马测井曲线响应也不相同。通过数值计算，模拟分析厚度相同时围岩的吸收系数不同时伽马响应，以及不同层厚围岩、不同地层吸收系数时伽马响应。

2.1 围岩吸收系数影响模拟

在孔中围岩介质厚度相同、吸收系数不同情况下，模拟吸收系数分别为0.080、0.085、0.090、0.100 时伽马射线强度变化，吸收系数的设置主要选用常见岩性和水的经验值，如图4 所示。由图4 可知，自然伽马射线强度随着吸收系数的减小而增大。

图4 吸收系数不同围岩伽马射线强度变化模拟Fig.4 Variation of the absorption coefficient of different surrounding rock with different surrounding rock gamma ray intensity

2.2 围岩厚度对自然伽马影响模拟

假设孔中介质吸收系数均相同，目的层、围岩和泥浆吸收系数都为0.15 时，以及地层和泥浆的吸收系数为0.15，围岩的吸收系数为0.08 时，围岩厚度分别为1、3、6 m 的情况下模拟自然伽马测井响应，如图5所示。

图5 中实线为围岩与目的层和泥浆吸收系数相同、虚线为吸收系数不同，围岩厚度在1、3 和6 m 时响应变化。由图可知，随着围岩吸收系数的减小，伽马射线强度增大；当吸收系数相同时，自然伽马曲线随围岩的增厚而变大。

图5 不同围岩厚度地层吸收系数变化模拟Fig.5 Simulation of 1 m,3 m,6 m and formation absorption coefficient in surrounding rock

3 八扇区随钻方位伽马钻进监测模拟

在煤矿井下瓦斯抽采中，随钻测井装备顺着煤层钻进，通常顶底板岩性天然放射性与煤层差异较大，当钻遇地层界面时，能够通过上下伽马幅度变换顺序及测斜数据，判别分界面，及时调整钻头方向，维持顺煤层钻进，如图6 所示。

图6 随钻方位伽马钻进Fig.6 Schematic diagram of the drilling azimuth gamma

结合随钻测斜数据利用随钻方位伽马测井可实现顺煤层钻进的动态监测，并且能够定量计算钻头到层界面钻遇距离，由下式可分别计算钻头到层界面的钻遇距离和垂直距离，仪器钻遇顶板距离计算模型如图7所示。

图7 仪器钻遇顶板距离计算模型Fig.7 Calculation model of distance between instrument and roof

式中：L为沿钻进方向钻头到煤岩层界面的距离；Lc为钻头到垂直煤岩层界面的距离；d为孔口处仪器探测器距顶板距离；α为层界面与仪器的夹角；Lac为探测器到钻头的距离。

d与α可由下式表示：

式中：dn为第n次测量时，探测器距顶板距离；Δh为深度采样间隔；α1为地层视倾角；θn为第n测点处仪器倾斜角度。

建立3 层地质模型，煤层厚度h=3 m，上层围岩为80 API 的灰岩；目的层为20 API 的煤岩；下部围岩为120 API 的泥岩；钻头到探测器的距离分别为1、3、7 m。模拟随钻方位伽马在3 层地质模型煤岩层小角度钻进，如图8 所示。由于煤矿井下使用主要用于判断穿越煤岩界面，因此，为增强单晶体探测响应信号，本文计算时将图3 中的1、2、7、8 象限值合并记为上伽马，3、4、5、6 象限值合并记为下伽马。

由图8 可以发现，当从煤层钻进到顶板灰岩时，上下伽马曲线幅值均变大且上伽马先增大，指示钻遇顶板，钻头与顶板的距离计算先减小，钻出界面后增大；当回到煤层钻进到底板泥岩时，上下伽马曲线幅值明显变大且下伽马先增大，指示钻遇底板。虽然模拟顺煤层钻进时上下伽马的变化幅度可以直观地判断钻遇岩性变化，但是随着钻头到探测器的距离的增大，延迟了上下伽马的差异变化响应。当探测器到钻头的距离分别为1、3、7 m 时，可指示钻遇距离分别为8、6、2 m。

图8 随钻方位伽马煤岩层钻进监测模拟Fig.8 LWD azimuth gamma coal seam drilling monitoring simulation

4 八扇区随钻方位伽马钻进放射性地层模拟测量

为测试八扇区随钻方位伽马仪器在钻进放射性地层时响应特征，设计旋转台模拟钻进，并在仪器周围放置不同放射性材料，模拟煤层泥岩顶底板。测试时八扇区随钻方位伽马仪器探管下方放置250 API 的放射性材料，空置之后替换为150 API 的放射性材料，空置之后取走下方放射性材料改为上方放置(250+150) API的放射性材料。

实验中8 个扇区接收伽马数值显示稳定、正常，能够表现出方位特性。图9 为伽马二维成像处理结果，颜色越红表示伽马值越大，方位成像结果显示稳定、正常，能够呈现出方位特性，180°代表下伽马，0 和360°代表上伽马。当下方放置放射性材料，下伽马值较大；当上方放置放射性材料，上伽马值较大；因此，符合仪器屏蔽壳开窗方位特性。如图9 中虚线所示，图中下伽马值先变大、上伽马值后变大，为典型穿出底板泥岩层特征，图像可用于判断穿层。

图9 八扇区随钻方位伽马二维成像处理结果Fig.9 Processing results of eight sector azimuth gamma imaging while drilling

5 结论

a.利用数值计算模拟分析可知：当围岩厚度相同而吸收系数不同时，伽马强度随着吸收系数的增大响应减弱；在吸收系数相同条件下，伽马曲线关于地层中心对称；在围岩吸收系数不同时，曲线的最大值向吸收系数小的方向偏移，当岩层吸收系数由0.08 变为0.10时伽马射线强度减小一半。

b.模拟八扇区随钻方位伽马在三层地质模型煤岩层钻进，正演得到伽马测井曲线的幅值与上下伽马变化顺序同层界面放射性相符合。当小角度穿层时，探测器到钻头的距离分别为1、3、7 m 时，能够监测前方钻进8、6、2 m 地层物性的变化。

c.当从煤层钻进到顶板灰岩时，上下伽马曲线幅值均变大且上伽马先增大；当回到煤层钻进到底板泥岩时，上下伽马曲线幅值明显变大且下伽马先增大，可指示钻遇底板，通过方位成像显示结果能够用于判断穿出或穿入煤岩层，实时获取地质信息可减少无效钻进，为顺煤层钻进过程中岩性监测、及时调整钻头钻进提供依据。