CN102400672B - 一种超小口径钻孔岩性探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超小口径钻孔岩性探测方法，该探测***包括钻孔数据采集模块，所述钻孔数据采集模块包括金属外壳探头及设置于金属外壳探头内的摄像单元和自然伽马单元；所述摄像单元设置于金属外壳探头的顶部；所述摄像单元包括设置于金属外壳探头顶部的垂向摄像头或设置于金属外壳探头侧壁的侧向摄像头或者二者结合。本发明对超小口径钻孔探测岩性与分层厚度，主要是针对常见的沉积岩地层而言，能够区分沉积地层的主要岩性如粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩、碳质泥岩、煤层、灰岩、火成岩等岩性及其分层厚度。

Description

一种超小口径钻孔岩性探测方法

技术领域

本发明涉及一种超小口径钻孔岩性探测***与方法，应用于利用超小口径工程钻孔进行岩性探测的各类场合，如煤矿井下锚网支护、地面隧道锚索施工中的各类锚索孔等，以定量判别小口径钻孔中地层分层厚度与基本岩性，为工程施工提供基本的地质依据。本方法也可应用于其它口径钻孔中。

背景技术

近年来，随着井巷施工技术的发展，锚网支护技术已被广泛应用于煤矿巷道、地面隧道施工中。施工围岩岩性直接影响着锚网支护措施的制定，对施工安全、施工成本及施工效率起到决定性的作用。如果能利用锚索孔之类的小口径钻孔（随巷道施工在巷道顶部，一般孔径28mm或32mm，深度8m-20m）对不断变化的巷道顶部岩性进行探测，可以节省施工专门探测钻孔（需布置专门的供电供水设备、施工钻窝、孔径大于45mm、造价高）的成本及避免由此产生的对正常巷道施工的影响，对于工程施工有着重要实际意义，也是多年来尚未解决的技术难题。

目前，在地质勘探中对常规钻孔进行地层岩性探测常规做法一是利用物探测井手段，并已经成为行业标准。常规地质钻孔的孔径一般大于45mm，由于其孔径较大可以利用多种测井手段（如自然伽马、自然电位、密度、视电阻率、双收时差、井径等）探测，通常规定必须四种以上参数才能准确判断地层岩性。然而，对超小口径钻孔（孔径小于36mm）进行岩性探测而言，由于当前技术条件限制，绝大多数测井参数的仪器设计尺寸不能设计到足够小型化，上述多种参数综合测井确定岩性的探测方法就不能实现。另一种钻孔岩性探测方法是在钻孔施工时钻头加装岩芯管取岩芯（成本高、受采取率限制），这对于超小口径钻孔而言岩芯管直径还不能小到如此程度，也不能用此方式实现对其探测。

视频摄像技术在钻孔探测方面是一种新型技术，具有可视化、直观特点。随着摄像分辨率提高和摄像设备的微型化，视频摄像技术的已经能够在超小口径孔中使用。但在岩层岩性识别方面有明显不足之处：（1）受人眼识别能力与钻孔施工质量影响大（井壁光滑度、岩层软硬等），仅凭照片或视频不能很好地区分相近岩性，如粉砂岩、泥岩。（2）受拍摄条件限制（拍摄角度、光线、钻孔介质、钻孔淋滴水），视频或照片的判读差异会很大。由于受上述限制，只根据视频摄像技术对小口径钻孔进行岩性识别与厚度定量精确分层不能实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超小口径钻孔岩性探测方法，采用自然伽马物探测井技术采集岩层核放射特性，并使用电子视频摄像技术进行孔壁视频录像与拍摄照片，进行钻孔深度同步数据处理，进而这些数据进行综合判断实现对超小口径钻孔岩性识别与岩层厚度的定量划分，为井巷工程及其它利用超小口径钻孔进行地层岩性探测的应用提供技术手段。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，所述超小口径钻孔岩性探测***包括钻孔数据采集模块，用于完成时间与深度同步数据的采集以及完成对钻孔数据采集模块的机械输送的深度计数与机械传送模块，以及数据处理与岩性判别模块，所述数据处理与岩性判别模块完成视频、数字照片、自然伽马原始数据的收集并与深度数据同步，通过对这些数据的判读完成岩层岩性识别与厚度定量划分，绘制、输出钻孔岩性柱状图；所述钻孔数据采集模块包括金属外壳探头及设置于金属外壳探头内的摄像单元和自然伽马单元；所述摄像单元设置于金属外壳探头的顶部；所述摄像单元包括设置于金属外壳探头顶部的垂向摄像头或设置于金属外壳探头侧壁的侧向摄像头或者二者结合；所述方法包括以下步骤：

1）原始数据采集：通过深度计数与机械传送装置将钻孔数据采集模块按照均匀的速度送入小口径孔中，按照设定的同步采集时间设置，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的垂向视频/照片、侧向视频/照片、自然伽马及深度数据采集；

2）数据初步处理：对步骤1）采集的数据通过数据处理与岩性判别模块（3）进行数据收集，利用深度数据对步骤1）采集的垂向视频/照片、侧向视频/照片、自然伽马数据进行深度、时间同步，使视频、照片、自然伽马与采集深度、时间对应；

3）岩性与分层厚度确定：（1）利用自然伽马划分出地层分层，并根据自然伽马曲线与垂向视频/照片、侧向视频/照片共同判断其岩性，确定其厚度；（2）对判断完成的分层结果，按照比例尺绘制钻孔岩性柱状。

步骤3）还包括以下步骤：（3）将岩性柱状输出成图片或CAD格式。

步骤3）中对每一个分层同步播放等深度的垂向、侧向视频/照片，同时利用垂向视频井径变化，结合自然伽马和砂泥比曲线特征，验证分层岩性正确性。

视频中若显示孔壁较为整齐、大颗粒突出不多或很少、有钻头钻进时留下的黑色螺旋状条带、岩层细层很明显，此时可以判断为孔径扩大，由此可以初步判断为粉砂质泥岩、粉砂岩或泥岩；而当视频出现明显的凸凹不平、大颗粒状物质出现较多时，可以判断为孔径在缩小，由此可以初步判断为砂岩、石灰岩岩性。

井壁不完整且呈黑色为煤层，井壁完整且呈灰色为石灰岩，井壁出现明显颗粒状且呈浅灰色或灰色为砂岩。

就当前技术条件而言，本发明涉及的***与自然伽马装置测井仪器元器件的设计实现，已经能够满足超小口径钻孔探测的需要。本发明方法的基本原理如下：

首先，利用自然伽马测井技术对钻孔所揭露岩层的多数层位进行岩性确定，同时定量确定分层厚度。自然伽马在地质勘探中是一种重要的测井方法，属于放射性测井方法之一。放射性测井是唯一能够确定岩石及其孔隙流体化学元素含量的测井方法。它根据岩石及其孔隙流体和井内介质的核物理性质，来确定岩石类型，研究钻井地质剖面。自然伽马既可在裸眼井又可在套管井内进行测量；测量结果不受井内介质的限制。对于沉积岩尤其是煤系地层来讲，自然伽马可以很好地用于区分岩性、地层分层厚度的准确定量划分、计算地层的泥质含量（计算出“砂泥比”）。定量计算岩层厚度的理论依据是自然伽马曲线具有如下特性：1.上下围岩的放射性含量相同时，曲线关于地层重点对称；2.高放射性地层，对着地层中心曲线有一极大值，并随地层厚度的增加而增大。厚度大于三倍的井径时，极大值为常数，此时只与岩石的自然放射性强度成正比，且由曲线的半幅点确定的地层厚度为真厚度。

其次，结合电子摄像技术，确定自然伽马不能区分的其余岩层岩性，并且二者相互验证并弥补单一技术的不足。如前所述，依靠单一自然伽马测井参数尚且不能区分一些物性相近的岩层岩性（但可以准确分层、确定层厚），这些岩层主要是砂岩、煤层、石灰岩它们在曲线特征上都具有低自然伽马，凭借自然伽马三者不能区分，需要配合其他手段进一步确定。本发明利用电子摄像技术与自然伽马测井配合，可以区分三者之间的物性差别，从而分辨岩性。电子摄像技术的具体应用机理为：

1）利用具备微距效果的高分辨率***头（或摄像机），在钻孔内拍摄沿钻孔方向（称之为“垂向视频”）和垂直钻孔方向（称之为“侧向视频”或“侧向照片”）的孔壁视频和照片。采用多于一个方向的拍摄可以有效避免因为拍摄角度、淋滴水导致的对识别效果的影响。

2）利用“深度计数与机械传送模块”采集的深度数据，对视频和照片进行深度、时间数据标识处理，如在视频、照片上标识出当前钻孔深度。

3）将视频/照片与自然伽马曲线同深度数据进行对比：对于自然伽马确定的层位岩性可以在视频或照片上进行进一步确认和验证；对上述三种不易区分的岩性的区分可以在测井曲线上可能的煤层、石灰岩、砂岩层位观察同深度的视频或照片，三者有着明显的视觉差异：煤层呈黑色且井壁不完整，石灰岩呈灰色且井壁完整，砂岩呈浅灰色或灰色且井壁出现明显颗粒状。从而可以分辨出自然伽马不能识别的部分岩性。在确定岩性的基础上，利用自然伽马准确划分出岩层厚度。

4）垂向视频能够反映钻孔“井径”变化。与常规钻孔类似，超小口径钻孔施工中，当钻头钻进到硬质岩层（如砂岩、石灰岩、火成岩）时，孔径会缩小；而当钻头遇到软岩层（如泥岩、粉砂质泥岩、煤层）时，孔径就会变大；在岩性变化处往往井径会发生变化。

5）判断“井径”变化，视频中若显示孔壁较为整齐、大颗粒突出不多或很少、有钻头钻进时留下的黑色螺旋状条带、岩层细层很明显，此时可以判断为孔径扩大（视觉也可感受到孔径在扩大），由此可以初步判断为粉砂质泥岩、粉砂岩或泥岩；而当视频出现明显的凸凹不平、大颗粒状物质出现较多时，可以判断为孔径在缩小（视觉也可感受到孔径在缩小），由此可以初步判断为砂岩、石灰岩岩性。这样，与自然伽马曲线配合相互验证和弥补技术手段上的不足，可以基本解决超小口径钻孔岩性探测问题。

利用视频摄像技术与常规主要测井技术之一的自然伽马探测技术相结合的方式可以基本解决小口径钻孔岩性探测问题。它是在利用自然伽马来定量划分岩层厚度、区分主要岩性（砂岩类、泥岩类）结合视频摄像技术的可视化、直观性来共同实现岩层岩性的定量识别。

本发明超小口径钻孔岩性探测***与方法至少具有以下优点：本发明对超小口径钻孔探测岩性与分层厚度，主要是针对常见的沉积岩地层而言，能够区分沉积地层的主要岩性如粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩、泥岩、铝土泥岩、碳质泥岩、煤层、灰岩、火成岩等岩性及其分层厚度。如果能配合一个临近区域的地质勘查钻孔（取芯，孔径大于45mm）或已揭露的地层资料作为岩性识别的标准参考，将可以区分更多的岩层岩性，效果也将更准确。

附图说明

图1为本发明探测***的结构示意图；

图2为本发明探测***的探测方法的具体实施步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明超小口径钻孔岩性探测***与方法做详细描述：

本发明探测***结构设计可以参考常规测井仪器的机理，总体设计可以采用“存储式”（在采集数据时仪器不对数据进行处理和显示，数据在采集完成后另有专门程序处理）、“直读式”（仪器同时具备采集和处理原始数据功能，在现场能看到结果）或二者混合模式。本发明在此给出的***图是“存储式”的，如图1所示，***包括：钻孔数据采集模块1、深度计数与机械传送模块2、数据处理与岩性判别模块3三部分组成。其中：

钻孔数据采集模块1：集成了电子视频摄像单元11、自然伽马采集单元13、控制单元15、电源单元17（各单元的放置顺序可以根据需要调整），设计在一个直径足以进入超小口径钻孔的金属外壳探头（探测锚索孔的探头直径一般小于26mm）中，用于完成对钻孔井壁视频、数字照片及地层自然伽马数据的采集。此模块进一步说明如下：

1）探测超小口径钻孔的探头直径一般要小于超小口径钻孔直径2mm以上，以便可以顺利进出；

2）摄像单元一般采用垂向、侧向两路设计（至少一路视频）。垂向视频可以全方位观测井壁岩性情况，反映“井径”变化。采集数据可以集中存储到一个存储器或分别存储。如果采用“直读式”或复合设计，在探头中可以只安装摄像头，摄像与显示控制电路可以放置到深度计数与机械传送模块2中。

3）只有一路垂向拍摄功能设计容易受到钻孔中滴水影响而达不到预期效果，另一方面垂向拍摄的视频或照片拍摄角度，不符合人的视觉观察习惯。

4）侧向视频则可以有效防止钻孔中滴水影响，并且直观反映井壁岩性变化，符合人的视觉习惯。侧向视频采集也可以换成侧向数字照片拍摄，二者选一。

5）自然伽马单元用于采集地层自然伽马放射性数据。采集数据可以单独存储也可与上述视频数据统一存储。

6）控制单元用于对整个探头操作的电路控制，如总电源开关等。如果采用“直读式”或复合设计，控制单元可以综合设计在深度计数与机械传送模块2中。

7）电源模块负责给探头部分的电路供电，如果采用“直读式”或复合设计，电源可以设计在深度计数与机械传送模块2中。

深度计数与机械传送模块2：使用成熟的深度数据采集技术（如马盘计数器）完成时间与深度同步数据的采集，以及完成对数据采集模块的机械输送；如果采用“直读式”或复合设计，本模块可以集成数据显示（如显示视频/照片）、总体控制电路单元（如开始、复位等）、集中存储单元、集中供电单元等功能。

数据处理与岩性判别模块3：完成视频、数字照片、自然伽马原始数据的收集并与深度数据同步，计算砂泥比，在此基础上根据完成岩层岩性识别与厚度定量划分，输出钻孔岩性柱状图功能。

如图2所示，本发明对超小口径钻孔岩性探测***，包括如下步骤：

1）现场数据采集：通过深度计数与机械传送装置2将钻孔数据采集模块1（即仪器探头）按照基本均匀的速度送入小口径孔中，按照设定的同步采集时间设置，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的垂向视频、侧向视频/照片、自然伽马及深度数据采集；采集数据可以集中存储到一个存储单元，或分别进行存储。

2）数据初步处理：对采集的数据通过数据处理与岩性判别模块3进行数据收集，需要处理的数据包括深度同步数据、侧向/垂向视频、侧向数字照片、自然伽马。处理内容包括：利用深度数据对视频/照片、自然伽马进行深度时间同步（在测井技术中常称之为“数据刻度”），使视频、照片、自然伽马与深度时间有精确的对应关系，视频、照片必要时进行适当剪辑。如果侧向拍摄获取的是照片，可将每个深度刻度对应的照片进行拼接，生产一个完整的井壁长照片。

3）岩性与分层厚度确定：对上述处理完毕的数据首先利用自然伽马数据生成自然伽马曲线，利用该曲线并结合视频进行综合判别，绘制出岩性柱状剖面。岩性与分层厚度判读过程如下：（1）利用自然伽马，划分出地层分层并初步判断其岩性，对每一个分层同步播放等深度的垂向、侧向视频（照片），同时利用垂向视频可以判断大致“井径”变化，结合曲线特征，验证分层岩性正确性，在确定岩性正确判断后，确定其厚度。（2）对上述判断完成的分层厚度，按照比例尺（如1:200/1:500）绘制钻孔岩性柱状。（3）如有需要将岩性柱状输出成图片（位图、jpg）保存或输出CAD格式。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，所述超小口径钻孔岩性探测***包括钻孔数据采集模块(1)，用于完成时间与深度同步数据的采集以及完成对钻孔数据采集模块(1)的机械输送的深度计数与机械传送模块(2)，以及数据处理与岩性判别模块(3)，所述数据处理与岩性判别模块(3)完成视频、数字照片、自然伽马原始数据的收集并与深度数据同步，通过对这些数据的判读完成岩层岩性识别与厚度定量划分，绘制、输出钻孔岩性柱状图；所述钻孔数据采集模块(1)包括金属外壳探头及设置于金属外壳探头内的摄像单元和自然伽马单元；所述摄像单元设置于金属外壳探头的顶部；所述摄像单元包括设置于金属外壳探头顶部的垂向摄像头或设置于金属外壳探头侧壁的侧向摄像头或者二者结合；其特征在于，包括以下步骤：

1)原始数据采集：通过深度计数与机械传送模块(2)将钻孔数据采集模块(1)按照均匀的速度送入小口径孔中，按照设定的同步采集时间设置，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的垂向视频/照片、侧向视频/照片、自然伽马及深度数据采集；

2)数据初步处理：对步骤1)采集的数据通过数据处理与岩性判别模块(3)进行数据收集，利用深度数据对步骤1)采集的垂向视频/照片、侧向视频/照片、自然伽马数据进行深度、时间同步，使视频、照片、自然伽马与采集深度、时间对应；

3)岩性与分层厚度确定：(1)利用自然伽马划分出地层分层，并根据自然伽马曲线与垂向视频/照片、侧向视频/照片共同判断其岩性，确定其厚度；(2)对判断完成的分层结果，按照比例尺绘制钻孔岩性柱状。

2.如权利要求1所述的超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，其特征在于，步骤3)还包括以下步骤：将岩性柱状输出成图片或CAD格式。

3.如权利要求1所述的超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，其特征在于，步骤3)中对每一个分层同步播放等深度的垂向、侧向视频/照片，同时利用垂向视频、侧向视频判读井径变化，结合自然伽马，验证分层岩性正确性。

4.如权利要求3所述的超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，其特征在于，视频中若显示孔壁较为整齐、大颗粒突出不多或很少、有钻头钻进时留下的黑色螺旋状条带、岩层细层很明显，此时判断为孔径扩大，由此初步判断为粉砂质泥岩、粉砂岩或泥岩；而当视频出现明显的凸凹不平、大颗粒状物质出现较多时，判断为孔径在缩小，由此初步判断为砂岩、石灰岩岩性。

5.如权利要求3所述的超小口径钻孔岩性探测***的探测方法，其特征在于，井壁不完整且呈黑色为煤层，井壁完整且呈灰色为石灰岩，井壁出现明显颗粒状且呈浅灰色或灰色为砂岩。