矿用电磁波随钻方位伽马测井系统的研究与实现

煤矿井下定向钻进是在螺杆马达和随钻测斜仪的配合下,按照预先设计轨迹进行钻进,不能根据实际的地层情况进行实时调整钻孔轨迹。矿用随钻方位伽马测井仪可实时测量地层放射性,实时依据地层放射性的变化判断钻孔轨迹是否在目的层中,为实时调整钻孔轨迹提供依据。从矿用电磁波随钻方位伽马测井系统（安标名称为YSDGC）的基本原理、关键技术设计、研制、试验设计等几个方面论述了该系统的研究与实现。该系统在煤矿井下的实际应用显示,系统在地层分界面处具有很好的方位伽马方位特性,为煤矿井下定向钻进根据地质情况调整钻进轨迹提供了依据。      

方位伽马在煤层气水平井中的应用

水平井作为煤层气开发的一种井型,施工难度相对较大,主要体现在安全着陆、钻遇率、储层保护、防塌防卡等,其中煤层钻遇率是提高产气量的重要指标。随着钻井技术和随钻仪器的不断发展,保障储层钻遇率的相关地质参数探管、短节和地质导向技术也相继应用在煤层气水平井施工中。现阶段在煤层气水平井中,伽马探管,特别是方位伽马探管的运用较广,利用伽马测井划分岩性、地层对比、计算地层视倾角的功能,为现场决策者提供井内地质参数,能够有效地为钻井服务。本文通过一口煤层气水平井的施工,介绍了方位伽马在煤层气水平井中的应用。     

矿用随钻动态方位伽马仪器的研制与应用

顺煤层瓦斯抽采钻孔是目前最直接最有效的瓦斯治理方法,自然伽马作为含煤地层识别常用的判识依据,可以根据地层放射性判断钻孔轨迹是否在目标层中。但现有的矿用伽马测井仪器只能进行滑动钻进测量,不适用于复合钻进及旋转导向钻进,无法满足伽马动态连续测量的工况。针对以上问题,在分析了煤矿井下随钻测量工况特点和伽马测井原理的基础上,通过低压直流载波双向通信技术进行孔底多扇区方位伽马数据的实时传输;采用屏蔽开窗的结构设计,实现单伽马晶体的8扇区分区测量;基于三轴MEMS加速度传感器和三轴MEMS陀螺仪不同的频率特性,采用互补滤波的动态测量方法,克服了回转钻进过程中振动和旋转对工具面向角测量的影响。通过地面性能测试和井下的工业性试验,验证了仪器在不同放射性地层分界面能正确反映出地层放射性变化规律。试验结果表明,仪器可以满足复合回转定向钻进时的地质导向测量要求,为煤矿井下顺煤层定向钻进提供了技术保障。      

随钻方位电磁波电阻率成像模拟及应用

随钻方位电磁波电阻率成像资料在地质导向中起着至关重要的作用。利用三维有限差分数值模拟方法计算随钻电阻率仪器激发的电磁场随仪器方位变化的规律,分析实现方位电阻率测量以及成像的原理及方法。数值模拟结果表明：在常规随钻电磁波仪器的基础上,增加倾斜或横向接收(发射)天线,可以实现地层方位的预测和判断,同时方位电磁波电阻率成像结果受相对井斜角、地层电导率对比以及地层地质构造的影响;利用方位电阻率成像以及定向信号成像结果可以预测和判断层界面、地层方位特征以及各向异性地层走向;幅度比电阻率成像效果优于相位差电阻率成像;在均匀各向异性介质中,线圈距和工作频率越大,视电阻率受垂向电阻率影响越大;线圈距越大,定向幅度信号越强,能预测的层界面的距离越大。     

顺煤层钻进随钻方位电磁波顶底板探测影响因素

针对煤矿井下水平井钻探中顶底板界面探测精度差、效率低等问题,进行煤矿井下防爆型随钻方位电磁波测井仪方案设计。为适合井下煤层工作环境,通过正演模拟获得源距、发射频率、线圈安装角度等仪器参数对信号响应影响的变化规律。研究结果表明:随钻方位电磁波仪器接收信号强度随发射频率、线圈距、地层电阻率对比度的增大而增强;线圈安装倾角约为45°时,既满足接收信号灵敏性,也满足信号的强度;仪器最佳工作频段为100 kHz~1 MHz。通过随钻方位电磁波测井仪响应模拟研究,为适用于煤矿井下仪器的参数优化设计提供选择依据,掌握了煤岩顶底板界面响应变化规律,该仪器的应用将提高顶底板探测精度和探测效率。      

随钻脉冲中子-伽马密度测井响应数值模拟

随钻过程中采用D-T可控中子源和2个NaI晶体探测器系统,记录两个探测器的非弹性散射和俘获伽马射线,采用俘获伽马计数比值进行含氢指数校正后,建立非弹性散射伽马计数比和地层密度的响应关系,从而实现脉冲中子-伽马密度测井.利用蒙特卡罗方法模拟地层条件下非弹性散射和俘获伽马分布,得到非弹伽马计数与地层密度和含氢指数都有关,但近、远探测器俘获伽马计数比反映含氢指数灵敏度高,利用其对含氢指数校正后就可以得到非弹伽马计数与地层密度的关系;通过二元回归方法得出地层密度校正后的响应公式,校正后视密度和真密度值相差很小.研究结果表明,在随钻过程中利用脉冲中子伽马测井方法可以确定地层密度.      

煤层水平井中随钻电磁波仪器影响因素分析及电阻率模拟计算

为掌握煤层水平井中随钻电磁波仪器探测影响因素,通过有限元数值模拟研究顶底板围岩电阻率、仪器偏心、煤层井眼垮塌和煤层厚度等因素对电阻率测量值的影响,分析高阻煤岩地层条件下幅度比和相位差计算的电阻率响应规律。在此基础上,建立三层地质数学模型,模拟不同发射频率情况下随钻电磁波仪器钻进煤层时,幅度比和相位差电阻率计算解析解和数值解的差异,以及煤层相对介电常数对幅度比和相位差计算的影响。模拟结果表明:幅度比和相位差计算的电阻率解析解和数值解符合度很高,但当电阻率大于100 Ω·m时,幅度比电阻率已经不能反映煤层的真实电阻率,所以在实际处理解释过程中用相位差电阻率要好些;高阻煤层不同发射频率情况下,电阻率数据主要对煤层电阻率敏感,对介电常数不敏感,只有在超高频时,介电常数才会对电磁波传播造成较大影响。      

围岩对自然伽马测井影响的数值模拟

自然伽马测井主要受地层中自然伽马射线强度的影响,但围岩的吸收系数也会对自然伽马测井曲线产生影响。运用数值积分的方法推导了在伽马光子能量恒定但吸收系数不同情况下有限厚放射性地层伽马射线沿井轴的分布,并据此开展了数值计算。得出了不同层厚条件下,围岩的吸收系数不同于地层吸收系数的情况以及厚度相同、围岩的吸收系数不同对应的理论曲线。直观地表示了它们对地球物理测井的影响,为进一步研究提供了有用的基础资料.     

矿用电磁随钻伽马测井仪标定与试验

为有效识别煤层及其顶底板,针对煤矿定向钻孔施工需求,开发了矿用电磁随钻伽马测井仪。通过自然伽马测井刻度获得仪器刻度系数,采用标准井测试及煤矿井下穿层孔试验,获得矿用电磁随钻伽马测井仪多种测量曲线。通过与标准井伽马曲线对比及穿层孔地质资料分析,验证了矿用电磁随钻伽马测井仪测量结果的准确性。山西伯方煤矿井下应用试验表明,矿用电磁随钻伽马测井仪在定向钻孔施工中不仅能进行钻孔轨迹测量同时可有效识别煤层顶底板界面,对于指导煤矿井下定向钻孔施工、提高目的层钻遇率具有重要意义。      

方位伽马随钻测量技术在土耳其天然碱溶采对接井中的应用

随着土耳其贝帕扎里碱矿进入开采的中后期,大量钻井只能在矿区边缘地带布井施工。由于边缘处地层具有矿层薄、起伏大的特点,在进行水平对接井连通施工过程中,普通伽马随钻测量系统已无法达到碱层钻遇率的要求,诸多井组在水溶开采过程中出现不同程度的堵井,甚至报废。研制的方位伽马随钻测量系统,在现有MWD随钻系统的基础上,串入聚焦伽马探管,通过记录不同的窗口角度和伽马计数值,获取特定方向的自然伽马,由脉冲信号将方位伽马数据传输至地面接收机,通过对上伽马值和下伽马值的变化进行解析,可判断出钻孔是穿出矿层进入矿层顶板还是底板,能为定向工程师及时提供定向依据,重新找回矿层,保证钻遇率。在水平对接连通井水溶采矿应用过程中,除对已堵井进行修复外,新施工水平井直接采用方位伽马测量系统,能保证水平钻孔在碱层内钻进,可大大降低堵井事故的发生。     

测井曲线特征在贵州省兴达井田煤岩层对比中的应用

贵州兴达井田含煤9-17层,其中K1、K2、K3、K4四层煤较稳定,为主要可采煤层。依据钻孔资料,分析测井曲线形态与煤层顶底板以及上下标志层间的组合关系,对井田的煤岩层进行了对比。该井田K1煤层常分叉为K1上、K1下两个分层,其直接顶板高视电阻率异常,三叠系至K1煤层组间自上而下的缓坡状视电阻率曲线形态与自然伽马幅值相对较高的组合特征可作为二叠系含煤地层与三叠系地层划分依据;K2煤层位于龙潭组顶部,下距长兴组灰岩标志层10m左右,煤层本身高伽马异常;K3、K4煤层及其底板具较高的自然伽马特征。     

淮南刘庄煤矿定向水平井施工技术研究

刘庄煤矿的定向水平井,为首采工作面的沿煤层定向水平瓦斯抽排井,成井总进尺为1116.60m,终孔直径215.9mm。根据淮南矿区13-1煤层开采显现的三带岩移规律和瓦斯抽放效果的具体分析,该抽排井水平段的设计位置在内错风巷30m和13-1煤层顶板之上25m左右,基本上按照13-1煤层的走向延伸。施工后的实际结果为:水平方向,水平段内错上风巷最小19.88m,最大34.98m;垂直方向,水平段距13-1煤顶板最小距离20.79m,最大距离26.8m;与设计目标基本一致,后期瓦斯抽放效果良好。从介绍该井的井身结构和剖面设计入手,着重对该井在施工过程中的钻具组合、钻探施工、下管固井技术和定向技术进行了详细的说明,最后分析了该定向水平井施工技术取得的主要成效。     

地质导向技术在煤层气水平井施工中的应用

施工煤层气水平井时,运用地质录井资料、气测资料及伽马测量曲线等地质导向技术控制井眼轨迹在目标煤层中的延伸,能够保证煤层钻遇率符合设计要求。分析了地质导向技术在煤层气水平井水平段施工的导向措施,总结了地质录井、气测和伽马测量等方法的导向特点及作用。通过HCMS-2水平井应用实例,提出了综合运用地质导向技术施工煤层气水平井的具体方法和做好地质导向工作的认识。      

气动定向钻进技术在松软煤层条带瓦斯预抽中的应用

针对淮北矿区松软煤巷条带消突采用“底板巷—穿层钻孔”成本高且效率低现状,采用顺层气动定向钻进技术,按钻孔设计精准控制钻孔轨迹于预抽条带煤层中,通过钻孔抽采瓦斯实现煤巷条带消突。根据淮北矿区松软煤层特性,开展煤巷条带预抽瓦斯定向孔设计、气动定向钻进装备选型、软煤定向孔成孔与护孔工艺、抽采效果评价等研究。该技术成功应用于淮北某矿Ⅲ635工作面煤巷条带消突,试验7个孔深均大于300 m钻孔,且全程下筛管,创造两淮软煤矿区顺层钻孔372 m最深记录,成功保障煤巷掘进,减少底板巷和穿层钻孔,为软煤矿区煤巷条带瓦斯高效治理探索出新方法。      

大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟

为了防止透巷作业时地层水和钻井液沿钻孔突然涌入巷道,造成井下被困人员二次伤害,采用ABAQUS岩土数值模拟方法,以山西坪上煤矿3 号煤层巷道地面救援井为例建立模型,研究钻井动力扰动条件下巷道顶板围岩塑变特性规律,优化安全透巷距离。结果表明:动力扰动造成顶板围岩位移变形和塑性破坏,且以钻孔中心呈对称的锯齿形分布;轴向作用力对透巷顶板围岩的影响较大,安全透巷距离取值为16.53 m。模拟结果为优化安全的透巷距离提供了参考,实现了安全高效透巷的目的,为救生舱在救援井中安全下放、提升作业提供了保障。      

唐口煤矿3上煤层冲击地压形成机制及防治措施

通过对唐口煤矿地应力、3上煤层及顶板岩层冲击地压测试结果分析,认为3上煤层属强冲击倾向性煤层,3上煤层顶板属弱冲击倾向性岩层;在采深1000m条件下,随着地应力的增大,煤、岩层的冲击倾向性将会增大。因3上煤层为易碎煤,厚度较大,顶板弹性能易突然全部释放,形成冲击地压;3上煤顶板主要为中砂岩、细砂岩及泥岩,质地坚硬,在煤层开采过程中,煤壁附近出易现高应力集中带,在顶板中聚集的弹性能在自重力和采掘干扰下会突然释放,形成冲击地压。在生产过程中采取钻屑法、沿采煤工作面轨道顺槽安装顶板离层报警系统、合理开拓避免应力集中和叠加、对煤层进行注水,降低煤体弹性和强度、提高支护结构的承载能力等一系列措施,较好地预防了冲击地压的发生。