井下近钻头无线随钻测量技术研究及应用_中国煤炭行业知识服务平台

井下近钻头无线随钻测量技术研究及应用

题目：井下近钻头无线随钻测量技术研究及应用

作者：郝永军

作者单位：冀中能源峰峰集团有限公司

摘要：近钻头电磁波随钻测量技术在井下定向钻探过程中，可提供孔底附近岩层的自然伽马值，从而对钻孔揭露的煤层、煤层顶底板岩性以及陷落柱、裂隙等构造进行有效识别。本文针对峰峰矿区地质条件复杂、陷落柱和裂隙等构造隐伏且无规律，以及采掘作业安全需求与构造精度探查不足的问题，通过研究无线随钻伽马测量技术，结合近钻头电磁波技术，以孙庄矿126402工作面为例，优化了该技术在非取芯钻孔中的应用。研究过程中，在井下定向钻探中实时获取钻头位置信息，并对周围岩性进行精准判定。结果表明，该技术能够高效识别煤层、顶底板岩性及陷落柱、裂隙等构造，提高了井下地质、水文地质、瓦斯探查钻孔的钻探成果质量，提升了隐伏地质构造的预测预报能力，为煤炭安全高效开采提供了地质保障。

关键词：近钻头；无线；随钻测量；伽马技术；煤矿井下

引言

井下地质钻孔施工过程中，在遇复杂地质构造情况时，需要在钻进过程中实时了解钻头相对煤岩层位置以及钻孔轨迹信息。目前矿井钻孔随钻测量技术主要可提供钻孔的方位、倾角轨迹信息，尚不能对煤岩性质做出有效判断。

钻孔轨迹的基本要素包括钻孔的顶角、方位角和对应的钻孔孔深。该研究采用三轴高精度加速度计和三轴磁通门传感器，通过无线数据传输与钻孔长度测量值实时解算出钻孔井斜角、井斜方位角、工具面角等信息，绘制出轨迹曲线。随钻随测数据无线电磁波传输技术采用高度集成，并兼容主要仪器厂家的数据格式。无线数据传递发射机采用轴向电激励方式发射电磁信号，研究了信号发射频率与发射方式，研究煤矿井下低噪声信号接收技术，深化微弱信号检测与处理技术研究等措施，研究接收机程控放大与滤波电路，实现了uV级随钻信号接收，提高接收灵敏度，研究了井下电磁无线随钻信号的自适应滤波方法，提高了电磁无线随钻信号的提取能力，以提高电磁信号的传输距离，研究随钻轨迹传感器冗余解算算法，提高了近钻头姿态角精度，在上述钻孔随钻测量技术可提供钻孔的方位、倾角轨迹信息基础上，利用随钻伽马技术能够在钻孔钻进过程中，实时分析钻孔周围近距离的煤岩特征，研究适用于煤矿井下的随钻伽马测量技术和数据处理方法。

近钻头无线随钻测量技术研究

1.1 电磁波随钻传输技术

采用电磁波传输方式的随钻测量系统大量应用于石油天然气钻井，电磁波随钻测量EM-MWD具有数据传输速率较高、不受钻井介质影响、不需要循环钻井液便可传送数据、成本低等优点，成功弥补了泥浆脉冲MWD的不足。电磁波随钻测量系统利用钻杆作为天线实现电磁信号传输，在钻孔中裸露的导体钻杆两端激发出携带发送数据的极低频电流，穿过其周围地层形成电场或磁场，电场或磁场经长距离传输至地表，通过井口的接收电极可接收到经地层衰减后的电磁信号。

图1 地面接收的EM-MWD系统

1.2 无磁钻杆选型

无磁钻杆是定向钻进随钻测量的配套设备，具有减小外界对随钻测量技术的干扰、信号传输、输送孔底马达动力介质和钻机动力传递等作用，是煤矿井下定向随钻钻具的重要组成部分，具有导磁率低、抗拉强度高和抗扭性能好的特性，为孔内测量系统提供不受钻具磁性干扰的无磁环境，探管处的磁场与附近的大地磁场几乎相等，因而能够准确分辨钻孔的地磁方向，确保测量系统的测量精度。本项目针对峰峰矿区煤矿井下钻孔、钻杆尺寸的小体积定制了高标准无磁钻杆，其关键规格参数为具有无磁的特性，安全性能好，撞击和摩擦过程中不产生火花，具有高抗拉强度和抗扭性能，耐腐蚀，具有抗防腐性和井下环境适应性，可在硫化氢酸性高腐蚀环境里作业。

近钻头无线随钻测量技术应用

2.1 岩、煤层的定性相对解释

不同岩层有不同的物性特征，在钻孔自然伽马曲线上呈不同的幅值、形态反映，对岩层进行定性解释。岩、煤层的主要自然伽马反映特征见表1。

表1 岩、煤层的主要自然伽马反映特征

2.2 自然伽马井下随钻曲线

当上下岩石相同时曲线对称。在高放射性地层，曲线极大值出现在地层中心，且随着地层厚度增加而增加，当厚度大于3倍钻孔直径时，极大值为一常数。当厚度大于3倍钻孔直径时，曲线半幅点对应于地层上下界面。

2.3 测井曲线影响因素

（1）地层厚度的影响。地层变薄，使高放射性地层曲线值下降，低放射性地层的曲线值上升。

（2）钻孔的影响。钻孔直径变大，探测曲线值变小。

（3）放射性涨落的影响。由于放射性元素衰变随机独立，导致每次测量结果都不同，曲线成“小锯齿”形。

现场实测

选取孙庄矿126402工作面地面区域治理效果检验运输巷第三钻场位于运输巷53号点前48 m处钻窝内，钻窝底板标高-139.2 m，下距大青含水层灰岩顶面38 m。钻孔开孔层位为山青煤底板。该区域山青煤下距伏青煤7.4 m，伏青灰岩含水层为伏青煤层的直接顶板，深灰色石灰岩，含有黑色燧石条带，裂隙发育，平均厚度4.6 m。伏青煤下距小青煤15.9 m，小青灰岩含水层为小青煤的直接顶板，深灰色，裂隙发育，平均厚度1.1 m，分布不稳定，有时相变为砂页岩。小青煤下距大青煤20.2 m，大青灰岩含水层为大青煤层的直接顶板，深灰色微晶质石灰岩，含有黑色燧石条带，裂隙发育,平均厚度5.5 m。

钻孔结构：开孔φ130 mm，钻进24 m或钻进超过伏青煤层3.0 m后停钻，下不少于22 m、φ108 mm孔口管，再以φ75 mm钻至大青煤底板终孔。本次试验对2号孔进行测试，2号孔方位321°，倾角-13°，预计86 m见大青灰岩，孔深99 m见大青煤后终孔。

3.1试验孔设计参数

试验孔设计参数见表2。

表2 试验孔设计参数

3.2 轨迹对比

试验孔轨迹对比如图2所示。

（ a ）水平投影

（ b ）垂直剖面

（ c ）垂直投影

（ d ）三维轨迹

图2 试验孔轨迹对比

3.3 自然伽马响应

分析现场试验的自然伽马响应之前，根据孙庄矿试验钻场的工作面掘进地质说明书、孙庄矿矿井地质报告及综合柱状图进行综合分析，推测钻场处地层情况，对岩性变化、岩层厚度有基本认知。试验钻场处推测地层情况如图3所示。

图3 试验钻场处地层推测柱状

根据该钻孔自然伽马响应原始数据极值、每米平均值变化规律，预计底板方向见煤点在钻进前方46～49 m，截取钻孔见小青煤前后15 m左右范围自然伽马响应曲线（图4），结合钻场处推测地层柱状图分析如下。

图4 试验钻孔见煤段局部自然伽马响应曲线

钻遇岩层在小青煤附近主要为砂岩、砂质页岩，在煤层顶板存在一层薄灰岩标志层。自然伽马响应曲线在煤层上部粉砂岩段有所增大；在灰岩及煤层段急剧减小，呈现极小值；在煤层底板粉砂泥岩中呈现极大值；之后左右对称，变化不大。

对比轨迹记录，钻孔测量全程平均方位角约-19°，推测小青煤厚约1 m；整个见煤段局部自然伽马响应正常，符合地层物性特征；对煤层、煤层顶板灰岩、煤层底板砂泥岩有明显分辨能力。

结论

（1）通过研究钻孔电磁波传输理论，结合矿井生产实际，通过分析总结、规程参数、数值模拟，最终研制出小体积随钻探管，满足生产需求和井下施工条件。

（2）研究伽马随钻处理算法、传感器冗余解算算法，提高探测精度。通过实验室测试，随钻测量系统工作稳定，轨迹精度高，采集到不同介质的自然伽马值分辨率高。

（3）小体积随钻测量系统在峰峰矿区进行现场试验，轨迹精度高，对煤岩分解面自然伽马值有明显分辨能力。

（4）该技术峰峰矿区地质条件复杂的掘进工作面应用后，成功进行了采掘工作面的安全性排疑，有效指导了巷道的掘进以及地质预报作业，提升了峰峰集团隐伏地质构造预测预报能力，针对性的布置矿井掘进工程，确保采掘活动的安全进行，节省大量的钻探费用和掘进工程量。

根据目前矿井物探研究最新发展动态，地面三维地震结合钻孔资料，基本可以对较大型的构造进行探测识别，但是对占有较高比例的小构造却无法精确探测。然而在地质钻孔超前探查过程中，在常规矿井钻孔随钻测量技术可提供钻孔的方位、倾角轨迹信息基础上，利用随钻伽马技术能够在钻孔钻进过程中，实时分析钻孔周围近距离的煤岩特征，研究适用于煤矿井下的随钻伽马测量技术，实现在煤矿井下特有的复杂地质条件进行岩性的有效解释，为煤炭安全高效开采提供了技术保障。

链接网址：

井下近钻头无线随钻测量技术研究及应用 http://www.mtyhg.com.cn/CN/abstract/abstract6591.shtml

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关于联合开展“深部开采水害防治征文”的通知

为深入贯彻落实习近平总书记关于安全生产的重要指示精神，按照国家应急管理部、国家矿山安全监察局工作部署，冀中能源集团承担了“深部开采底板高承压水地面区域治理+微震监测技术攻关试验”任务。

为确保工程试验的顺利实施，推进我国煤矿水害防治技术进步与发展，形成一套有效、普适、可复制、易推广的带压开采技术和标准，加快深部煤炭资源开采新质生产力的形成，矿井水害探测与防控国家矿山安全监察局重点实验室联合《煤炭与化工》杂志社，共同举办“深部开采水害防治征文”征文活动。

征文时间为2025年1月1日-2026年12月31日。录用稿件将在《煤炭与化工》“深部开采水害防治征文”专栏刊发。

对于优秀来稿，可参与年度优秀论文评选，由重点实验室与《煤炭与化工》共同颁发“优秀论文”证书，并在矿井水害探测与防控国家矿山安全监察局重点实验室年度学术交流会上进行会议交流。同时，优秀来稿有机会被录入《深部开采水害防治工程试验成果汇编》，进行重点宣传推广。对于录入《深部开采水害防治工程试验成果汇编》的优秀来稿，征文方将给予一定奖励。

征稿主题

深部开采煤矿突水机理及水害探测、预警、防控等

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