CN104110258A - 一种矿山井下钻孔测井分析仪与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山井下钻孔测井分析仪与方法，该分析仪包括探头、推杆、连接电缆和控制箱；其中，控制箱包括箱体和箱体内设置的显示单元、数据存储单元、控制电路单元、电源单元以及深度计量模块；探头包括金属外壳及设置于金属外壳内依次相连的传输与控制单元、孔斜测量单元、自然伽玛单元和摄像单元和/或供电单元；该方法可以进行如下分析与计算：(1)钻孔指定剖面轨迹计算；(2)钻孔平面轨迹计算；(3)岩层岩性分层；(4)钻孔结构与富水性分析。本发明对井下各类钻孔进行探测包括分层岩性、岩层软硬程度、岩石孔隙、裂隙、出水点、顶板离层情况，计算出岩层真厚度、钻孔剖面轨迹、钻孔平面轨迹，进而可以绘制钻孔预测地质剖面图。

Description

一种矿山井下钻孔测井分析仪与方法

【技术领域】

本发明属于钻孔探测测井技术领域，涉及一种矿山井下钻孔测井分析仪与方法。

【背景技术】

目前，在地质勘探中对钻孔进行地层岩性探测常规做法主要是利用物探测井手段，并已经成为行业标准。常利用多种测井手段(如自然伽玛、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，对矿山井下环境钻孔(如锚索孔一般直径只有28mm、31mm)进行岩性探测而言，由于当前技术条件限制，绝大多数测井仪器设计尺寸不能设计到足够小(便于携带、在狭小环境使用)，功耗也不能降至足够低。上述多种参数综合测井确定岩性的探测方法就不能实现。

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，能够查明钻孔中岩层的裂隙发育程度、含水层富水性等。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(比如拍摄角度、光线、钻孔介质、钻孔存有混水)，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井下径钻孔进行岩性识别与分层是不可靠的。

井下钻孔常常会发生显著的孔斜现象，无论是在平面上还是在剖面上，钻孔轨迹与设计都会有偏差，尤其在设计倾角比较小的情况下会十分明显，这样会导致钻孔设计达不到目的，孔斜严重时导致地质现象无法解释。

【发明内容】

本发明解决的技术问题在于提供一种矿山井下钻孔测井分析仪与方法，其通过采集包括视频数据在内的多种数据，为综合判断地层岩性提供依据。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种矿山井下钻孔测井分析仪，包括探头、推杆、连接电缆和控制箱；其中，控制箱包括箱体和箱体内设置的显示单元、数据存储单元、控制电路单元、电源单元以及深度计量模块；控制电路单元具有探头传输来数据的输入接口，并具有对探头、数据存储单元、电源单元和深度计量模块的控制件；显示单元与控制电路单元相连，用于显示钻孔深度数据、视频数据、自然伽玛数据和孔斜测量数据；电源单元与控制电路单元相连，用于为控制箱和/或探头提供所需的电能；数据存储单元与控制电路单元相连，用于对视频数据、深度数据、自然伽玛数据、孔斜测量数据的进一步处理与存储，并设有数据导出接口；深度计量模块与控制电路单元相连，其采用光电编码器为核心部件，通过计量连接线缆的延伸长度获取钻孔探测深度数据；

探头包括金属外壳及设置于金属外壳内依次相连的传输与控制单元、孔斜测量单元、自然伽玛单元和摄像单元；自然伽玛单元、孔斜测量单元分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元进行调理，调理后的数据由传输与控制单元进行存储或发送至控制箱中的控制电路单元进行存储和/或显示；摄像单元采集的影像数据通过连接电缆发送至控制箱中的控制电路单元或传送至传输与控制单元处理后再传输给控制箱中的控制电路单元；传输与控制单元上还设有对摄像单元、自然伽玛单元和孔斜测量单元进行操作的控制件；摄像单元包括设置于探头顶部的微型摄像头，微型摄像头周边设置有LED光源；摄像单元采用连续的帧数据采集模式，将其采集的视频数据，经传输电缆发送给控制箱的控制电路单元进行数据处理，再传输给显示单元进行显示和数据存储单元进行存储；

推杆为长度可调推杆，其伸出端与探头连接，用于推送探头至钻孔中、从钻孔中拉出探头；

连接电缆采用多芯电缆，用于探头与控制箱之间的通讯和/或供电。

本发明进一步改进在于，控制箱还包括用于收放连接电缆的绕线轮，其设置于控制箱内部或控制箱外部。

本发明进一步改进在于，探头还包括供电单元，其为传输与控制单元、孔斜测量单元、自然伽玛单元和摄像单元供电或其中的部分供电。

本发明进一步改进在于，还包括设置于探头外侧的扶正器，其采用弧形金属弹片或金属支架加滚轮结构，扶正器在钻孔探测中用于保持探头处于钻孔断面的中央位置，并且根据测量钻孔的孔径能够拆卸、更换，金属弹片或金属支架加滚轮至少有三个，在断面上呈均匀布置，以保持仪器在探测过程中的平衡。

本发明进一步改进在于，推杆采用金属材质制成。

本发明进一步改进在于，探头内的自然伽玛单元，包括依次连接的闪烁晶体、光电倍增管、升压模块及数据调理电路；自然伽玛单元与传输与控制单元相连接，用于对岩层天然放射性元素的辐射计数和自然伽玛能谱数据的采集，并将其所采集的数据发送至传输与控制单元。

本发明进一步改进在于，孔斜测量单元包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路，用于测量钻孔的方位角、倾斜角，并将其采集的钻孔的方位角和倾斜角数据发送至传输与控制单元。

本发明进一步改进在于，控制箱内的显示单元包括液晶显示屏和/或数码管以及显示驱动电路；液晶显示屏用于显示视频数据、钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。

本发明进一步改进在于，控制箱还包括与数据存储单元相连接的数据处理分析模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据的下载，并进行数据的分析与处理。

一种矿山井下钻孔测井分析方法，包括以下步骤：

1)原始数据采集：将探头与控制箱通过连接电缆连接，用推杆推送探头，至钻孔孔口处，启动仪器开始工作，按照均匀的速度将探头送入钻孔中，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜数据及深度数据按照时间的同步采集，其中，视频数据采用按帧采集方式，自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据、深度数据采集方式为单位时间内均匀采集若干次的离散型数据采集方式；

2)数据初步处理：对步骤1)采集的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜、深度数据通过数据处理分析模块进行数据收集与处理，再利用深度数据对步骤1)采集的钻孔视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据进行深度、时间同步，即利用深度数据的离散值，按照单位时间采集的点数，计算出每个深度点的采集从开始采集数据至结束对应的时间点，将该深度数据的时间点与视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据相同时间点进行对应，即获得视频、自然伽玛、孔斜数据对应的深度值，此过程称之为深度刻度；

3)根据深度刻度后的钻孔孔斜测量数据、钻孔视频与钻孔深度数据，进行如下分析与计算：

(1)钻孔指定剖面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照该线段与指定剖面方向的空间几何关系，计算出该线段投影到指定剖面的长度与在剖面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到剖面的长度与指定剖面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔指定剖面轨迹曲线；

(2)钻孔平面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照线段与水平面的空间几何关系，计算出线段投影到水平面的长度与在水平面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到水平面的长度与水平面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔平面轨迹曲线；

(3)岩层岩性分层：①将深度刻度后自然伽玛统计数据和/或自然伽玛能谱数据，按深度绘制测井曲线；②利用测井曲线，和/或结合钻孔视频数据按照两者同一采集深度进行视频、测井曲线的数据研判，进行岩性判别；如果根据测井曲线或者视频，能够判断出岩性，其中，自然伽玛为高异常的地层为泥岩；如果视频中岩层为黑色且有金属光泽，则为煤层，此种情况下直接划分出地层分层岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置；

如果单一的曲线或视频不能直接判断岩性，此时采用视频与自然伽玛在同一深度处的数据进行综合判断，其中，在相同深度的自然伽玛为低异常处的视频中如果岩层为黑色、且有金属光泽，此时判断出岩性为煤层；如果视频中的颜色为浅灰色、灰色、层理发育且具有颗粒感，则判断该层岩性为砂岩；如果颜色为灰色、孔壁细腻光滑、无明显颗粒感，则判断该层岩性为灰岩；至于其他的砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等过渡粒度的岩性，同样结合视频、测井曲线的相对异常值的高低，进行判断；上述过程能够划分出全部钻孔深度的岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置，从而能够按照深度绘制出岩性柱状图；

在上述基础上进一步进行岩层分层真厚度计算：根据步骤(3)确定的分层位置，①针对每一个分层对应深度范围的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，结合用户给出的岩层产状数据，按照线段与岩层的空间几何关系，计算出线段穿越的岩层真厚度，其中，岩层产状包括走向、倾向和倾角；③对岩层分层中相邻线段对应计算出的真厚度进行求和，即近似得出该岩层分层的真厚度；

按照计算出的岩层分层真厚度和岩性判断，能够绘制出钻孔柱状图；

在计算钻孔剖面轨迹、平面轨迹、钻孔真厚度计算时均要考虑磁偏角的影响，磁偏角的影响在步骤1)中直接去除，或者在步骤2)或步骤3)中的计算时去除，即将磁方位角直接减去当地的磁偏角得到地理方位角；

(4)钻孔结构与富水性分析：通过视频数据查看钻孔孔壁岩层的裂隙、孔隙的发育程度，如果有出水点能够观察到出水点的特征、出水量的情况，以此作为分析成果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的矿山井下钻孔测井分析仪与方法，使用电子视频摄像技术进行孔壁视频录像，同时采集钻孔的孔斜数据，包括钻孔的孔段的方位角、倾斜角，并进一步采用自然伽玛物探测井技术采集岩层自然核放射特性，进而利用这些数据进行综合判断实现对矿山井下钻孔岩性识别与岩层厚度的定量划分、裂隙发育程度、含水层富水性，为井巷工程及其它相关钻孔进行地层岩性探测的应用提供技术手段。

本发明提供的矿山井下钻孔测井分析仪与方法，一方面本发明可以同步获取钻孔视频、钻孔方位角、倾斜角及地层的自然伽玛统计数据和/或自然伽玛能谱数据；另一方面单就本发明对矿山井下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。

本发明提供的矿山井下钻孔测井分析仪与方法，其所涉及的微型摄像、自然伽玛、孔斜测量元器件，已经能够满足矿山井下小尺寸、低功耗的需要。

【附图说明】

图1为本发明矿山井下钻孔测井分析仪的结构示意图；

图2为本发明矿山井下测井分析方法的具体实施步骤示意图。

其中：1为摄像单元，2为自然伽玛单元，3为孔斜测量单元，4为传输与控制单元，5为供电单元，6为连接电缆，7为推杆，8为扶正器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参见图1，一种矿山井下钻孔测井分析仪，包括探头、推杆7、连接电缆6和控制箱。

其中，探头包括金属外壳及设置于金属外壳内依次相连的传输与控制单元4、孔斜测量单元3、自然伽玛单元2和摄像单元1；自然伽玛单元2、孔斜测量单元3分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元4进行调理，调理后的数据由传输与控制单元4进行存储或发送至控制箱中的控制电路单元进行存储和/或显示；摄像单元1采集的影像数据通过连接电缆6发送至控制箱中的控制电路单元或传送至传输与控制单元4处理后再传输给控制箱中的控制电路单元；传输与控制单元4上还设有对摄像单元1、自然伽玛单元2和孔斜测量单元3进行操作的控制件；摄像单元1包括设置于探头顶部的微型摄像头，微型摄像头周边设置有LED光源；摄像单元采用连续的帧数据采集模式，将其采集的视频数据，经传输电缆发送给控制箱的控制电路单元进行数据处理，再传输给显示单元进行显示和数据存储单元进行存储。进一步地，探头还包括供电单元5，其为传输与控制单元4、孔斜测量单元3、自然伽玛单元2和摄像单元1供电或其中的部分供电。

其中，探头内的自然伽玛单元2，包括依次连接的闪烁晶体、光电倍增管、升压模块及数据调理电路；自然伽玛单元2与传输与控制单元4相连接，用于对岩层天然放射性元素的辐射计数和自然伽玛能谱数据的采集，并将其所采集的数据发送至传输与控制单元4。孔斜测量单元3包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路，用于测量钻孔的方位角、倾斜角，并将其采集的钻孔的方位角和倾斜角数据发送至传输与控制单元4。

推杆7采用金属材质制成，如不锈钢薄壁管，推杆7为长度可调推杆，其伸出端与探头连接，用于推送探头至钻孔中、从钻孔中拉出探头。

控制箱包括箱体和箱体内设置的显示单元、数据存储单元、控制电路单元、电源单元以及深度计量模块；控制电路单元具有探头传输来数据的输入接口，并具有对探头、数据存储单元、电源单元和深度计量模块的控制件；显示单元与控制电路单元相连，用于显示钻孔深度数据、视频数据、自然伽玛数据和孔斜测量数据；电源单元与控制电路单元相连，用于为控制箱和探头提供提供所需的电能；数据存储单元与控制电路单元相连，用于对视频数据、深度数据、自然伽玛数据、孔斜测量数据的进一步处理与存储，并设有数据导出接口；深度计量模块包括滚轮、光电编码器和电缆，电缆通过滚轮做相对运动时会带动滚轮做相应的旋转，滚轮链接的同轴光电编码器测量出滚轮的转速，通过滚轮的半径和转速计算出电缆的相对位移即深度，深度计量模块与控制电路单元相连，其采用光电编码器为核心部件，通过计量连接线缆的延伸长度获取钻孔探测深度数据。

其中，控制箱内的显示单元包括液晶显示屏、数码管以及显示驱动电路；液晶显示屏用于显示视频数据、钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。控制箱还包括与数据存储单元相连接的数据处理分析模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据的下载，并进行数据的分析与处理。

连接电缆6采用多芯电缆用于探头与控制箱之间的通讯和供电，用绕线轮进行收放，绕线轮可置于控制箱内部或位于控制箱外部。

进一步地，该分析仪还包括设置于探头外侧的扶正器8，其采用弧形金属弹片或金属支架加滚轮结构，扶正器8在钻孔探测中用于保持探头处于钻孔断面的中央位置，并且根据测量钻孔的孔径能够拆卸、更换，金属弹片或金属支架加滚轮至少有三个，在断面上呈均匀布置，以保持仪器在探测过程中的平衡。

就当前技术条件而言，本发明涉及的微型摄像、自然伽玛、孔斜测量元器件，已经能够满足矿山井下小尺寸、低功耗的需要。为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做如下说明：

首先，利用钻孔孔斜测量技术、自然伽玛测井技术对钻孔所揭露岩层的大多数层位进行岩性确定，同时定量确定分层厚度。钻孔孔斜测量获取钻孔真实的方位角、倾斜角，进而结合岩层的产状(地层走向、倾向、倾角)进行计算能够对上述自然伽玛曲线确定的岩层厚度进行校正，得到真正的岩层厚度。

自然伽玛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。自然伽玛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，自然伽玛可以很好地用于区分岩性、地层分层厚度的定量划分。

定量计算岩层厚度的理论依据是自然伽玛曲线具有如下特性：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地层厚度。

其次，结合电子摄像技术，确定自然伽玛不能区分的其余岩层岩性，并且二者相互配合来弥补单一参数测井技术的不足。如前所述，依靠单一自然伽玛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玛特征，凭借自然伽玛三者不能区分，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玛测井配合，可以区分三者之间的物性差别，从而分辨岩性。

利用视频摄像技术与自然伽玛探测技术相结合的方式可以基本解决井下钻孔探测问题。它是在利用自然伽玛、钻孔孔斜数据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。

图1矿山井下钻孔测井分析仪还包括有与存储控制模块相连接的数据处理模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据下载，并进行处理。

具体的，数据采集模块：集成电子摄像单元1、自然伽玛单元2、孔斜测量单元3、传输与控制单元4、电源单元(可选，可以与存储控制模块共用电源)，将其放置在一个直径足以进入矿山井下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，用于用于对钻孔井壁视频、孔斜数据及地层自然伽玛数据的采集。此模块进一步说明如下：

1)探头直径一般要小于钻孔直径3mm以上，以便可以顺利进出；

2)摄像单元1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存储控制模块中。

3)自然伽玛单元2用于采集地层自然伽玛放射性数据。与传输与控制单元4相连接，采集数据可以单独存储也可与上述视频数据统一存储。

4)孔斜测量单元3用于连续或分段采集钻孔的方位角、倾斜角，采用磁阻传感器、加速度传感器或者二者的集成传感器为核心器件。

5)传输与控制单元4读取摄像单元1的影像数据、自然伽玛单元2调理数据及孔斜测量单元3所测量到的方位角与倾角调理数据，获得视频、自然伽玛数据、方位角、仰俯角和侧滚角，并发送至深度计量与存储控制单元，在需要时保存；用于对整个探头操作的电路控制，如总电源开关、数据采集、调理、传输等。

6)电源模块负责给探头部分的电路供电，电源也可与存储控制模块中共享，通过连接线缆为探头供电。

深度计量单元，采用光电编码器，连续计量线缆长度，获取钻孔探测深度数据；显示单元与控制电路单元相连，包括液晶显示屏、数码管(可选)、显示驱动电路，用于显示数据采集模块摄像单元1的视频数据，还可以同时显示钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据；数据存储单元用于存储视频、自然伽玛、方位角、倾斜角的数据；控制电路单元，实现整个系统开启、工作、停止、数据存储的控制；所述电源单元用于对所述存储控制模块、数据采集模块的供电。

数据处理分析模块：通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据的下载，比如USB接口，并进行数据的分析与处理，该模块可以在PC机上进行。具体来说，数据处理分析模块用于对视频、数字照片、自然伽玛原始数据的收集、孔斜测量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、孔斜剖面图、孔斜平面图等功能。

所述数据采集模块与存储控制模块间采用传输线缆连接、探头设有用于人工推送数据采集模块的金属推送杆。推送杆直径一般不超过20mm，每节长度以100mm为适宜，采用两端采用丝扣或其他方式相连。

如图2所示，本发明一种矿山井下钻孔测井分析方法析，包括以下步骤：

1)井下现场数据采集：将探头与控制箱通过连接电缆6连接，用推杆7推送探头，至钻孔孔口处，启动仪器开始工作，按照均匀的速度将探头送入钻孔中，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜数据及深度数据按照时间的同步采集，其中，视频数据采用按帧采集方式，自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据、深度数据采集方式为单位时间内均匀采集若干次的离散型数据采集方式。

2)数据初步处理：对步骤1)采集的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜、深度数据通过数据处理分析模块进行数据收集与处理，再利用深度数据对步骤1)采集的钻孔视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据进行深度、时间同步，即利用深度数据的离散值，按照单位时间采集的点数，计算出每个深度点的采集从开始采集数据至结束对应的时间点，将该深度数据的时间点与视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据相同时间点进行对应，即获得视频、自然伽玛、孔斜数据对应的深度值，此过程称之为深度刻度；

3)根据深度刻度后的钻孔孔斜测量数据、钻孔视频与钻孔深度数据，进行如下分析与计算：

(1)钻孔指定剖面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照该线段与指定剖面方向的空间几何关系，计算出该线段投影到指定剖面的长度与在剖面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到剖面的长度与指定剖面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔指定剖面轨迹曲线；

(2)钻孔平面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照线段与水平面的空间几何关系，计算出线段投影到水平面的长度与在水平面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到水平面的长度与水平面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔平面轨迹曲线；

(3)岩层岩性分层：①将深度刻度后自然伽玛统计数据和/或自然伽玛能谱数据，按深度绘制测井曲线；②利用测井曲线，和/或结合钻孔视频数据按照两者同一采集深度进行视频、测井曲线的数据研判，进行岩性判别；如果根据测井曲线或者视频，能够判断出岩性，其中，自然伽玛为高异常的地层为泥岩；如果视频中岩层为黑色且有金属光泽，则为煤层，此种情况下直接划分出地层分层岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置；

岩性识别与分层厚度计算过程如下：(1)利用自然伽玛，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视频，结合曲线特征，验证分层岩性正确性。(2)在确定岩性分层后正确判断后，根据测井数据的离散采集点的深度、方位角、倾斜角，计算出这些点的空间坐标，然后按照相邻两个坐标点的线段长度，根据岩层产状计算出其真厚度。(3)对上述分段计算完成的真厚度，进行累加，计算出与岩性分层对应的分层的真厚度。

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。根据孔斜数据，绘制生成孔斜剖面图、孔斜平面图，如有需要可以输出成图片(位图、jpg、PNG)保存或输出CAD格式。

如果单一的曲线或视频不能直接判断岩性，此时采用视频与自然伽玛在同一深度处的数据进行综合判断，其中，在相同深度的自然伽玛为低异常处的视频中如果岩层为黑色、且有金属光泽，此时判断出岩性为煤层；如果视频中的颜色为浅灰色、灰色、层理发育且具有颗粒感，则判断该层岩性为砂岩；如果颜色为灰色、孔壁细腻光滑、无明显颗粒感，则判断该层岩性为灰岩；至于其他的砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等过渡粒度的岩性，同样结合视频、测井曲线的相对异常值的高低，进行判断；上述过程能够划分出全部钻孔深度的岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置，从而能够按照深度绘制出岩性柱状图；

在上述基础上进一步进行岩层分层真厚度计算：根据步骤(3)确定的分层位置，①针对每一个分层对应深度范围的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，结合用户给出的岩层产状数据，按照线段与岩层的空间几何关系，计算出线段穿越的岩层真厚度，其中，岩层产状包括走向、倾向和倾角；③对岩层分层中相邻线段对应计算出的真厚度进行求和，即近似得出该岩层分层的真厚度；

按照计算出的岩层分层真厚度和岩性判断，能够绘制出钻孔柱状图；

在计算钻孔剖面轨迹、平面轨迹、钻孔真厚度计算时均要考虑磁偏角的影响，磁偏角的影响在步骤1)中直接去除，或者在步骤2)或步骤3)中的计算时去除，即将磁方位角直接减去当地的磁偏角得到地理方位角；

(4)钻孔结构与富水性分析：通过视频数据查看钻孔孔壁岩层的裂隙、孔隙的发育程度，如果有出水点能够观察到出水点的特征、出水量的情况，以此作为分析成果。

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 (10)

1.一种矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，包括探头、推杆、连接电缆和控制箱；其中，

控制箱包括箱体和箱体内设置的显示单元、数据存储单元、控制电路单元、电源单元以及深度计量模块；控制电路单元具有探头传输来数据的输入接口，并具有对探头、数据存储单元、电源单元和深度计量模块的控制件；显示单元与控制电路单元相连，用于显示钻孔深度数据、视频数据、自然伽玛数据和孔斜测量数据；电源单元与控制电路单元相连，用于为控制箱和/或探头提供所需的电能；数据存储单元与控制电路单元相连，用于对视频数据、深度数据、自然伽玛数据、孔斜测量数据的进一步处理与存储，并设有数据导出接口；深度计量模块与控制电路单元相连，其采用光电编码器为核心部件，通过计量连接线缆的延伸长度获取钻孔探测深度数据；

探头包括金属外壳及设置于金属外壳内依次相连的传输与控制单元、孔斜测量单元、自然伽玛单元和摄像单元；自然伽玛单元、孔斜测量单元分别将其所采集的数据发送至传输与控制单元进行调理，调理后的数据由传输与控制单元进行存储或发送至控制箱中的控制电路单元进行存储和/或显示；摄像单元采集的影像数据通过连接电缆发送至控制箱中的控制电路单元或传送至传输与控制单元处理后再传输给控制箱中的控制电路单元；传输与控制单元上还设有对摄像单元、自然伽玛单元和孔斜测量单元进行操作的控制件；摄像单元包括设置于探头顶部的微型摄像头，微型摄像头周边设置有LED光源；摄像单元采用连续的帧数据采集模式，将其采集的视频数据，经传输电缆发送给控制箱的控制电路单元进行数据处理，再传输给显示单元进行显示和数据存储单元进行存储；

推杆为长度可调推杆，其伸出端与探头连接，用于推送探头至钻孔中、从钻孔中拉出探头；

连接电缆采用多芯电缆，用于探头与控制箱之间的通讯和/或供电。

2.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，控制箱还包括用于收放连接电缆的绕线轮，其设置于控制箱内部或控制箱外部。

3.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，探头还包括供电单元，其为传输与控制单元、孔斜测量单元、自然伽玛单元和摄像单元供电或其中的部分供电。

4.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，还包括设置于探头外侧的扶正器，其采用弧形金属弹片或金属支架加滚轮结构，扶正器在钻孔探测中用于保持探头处于钻孔断面的中央位置，并且根据测量钻孔的孔径能够拆卸、更换，金属弹片或金属支架加滚轮至少有三个，在断面上呈均匀布置，以保持仪器在探测过程中的平衡。

5.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，推杆采用金属材质制成。

6.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，探头内的自然伽玛单元，包括依次连接的闪烁晶体、光电倍增管、升压模块及数据调理电路；自然伽玛单元与传输与控制单元相连接，用于对岩层天然放射性元素的辐射计数和自然伽玛能谱数据的采集，并将其所采集的数据发送至传输与控制单元。

7.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，孔斜测量单元包括磁传感器、加速度传感器、A/D转换器及数据调理电路，用于测量钻孔的方位角、倾斜角，并将其采集的钻孔的方位角和倾斜角数据发送至传输与控制单元。

8.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，控制箱内的显示单元包括液晶显示屏和/或数码管以及显示驱动电路；液晶显示屏用于显示视频数据、钻孔深度、孔斜方位、倾斜数据，数码管用于显示深度数据。

9.如权利要求1所述的矿山井下钻孔测井分析仪，其特征在于，控制箱还包括与数据存储单元相连接的数据处理分析模块，通过数据存储单元对视频数据、自然伽玛、钻孔方位角、倾斜角数据的下载，并进行数据的分析与处理。

10.一种矿山井下钻孔测井分析方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至9中任一项所述的矿山井下钻孔测井分析仪，包括以下步骤：

1)原始数据采集：将探头与控制箱通过连接电缆连接，用推杆推送探头，至钻孔孔口处，启动仪器开始工作，按照均匀的速度将探头送入钻孔中，完成从孔口到孔底全部钻孔深度的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜数据及深度数据按照时间的同步采集，其中，视频数据采用按帧采集方式，自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据、深度数据采集方式为单位时间内均匀采集若干次的离散型数据采集方式；

2)数据初步处理：对步骤1)采集的视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜、深度数据通过数据处理分析模块进行数据收集与处理，再利用深度数据对步骤1)采集的钻孔视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据进行深度、时间同步，即利用深度数据的离散值，按照单位时间采集的点数，计算出每个深度点的采集从开始采集数据至结束对应的时间点，将该深度数据的时间点与视频、自然伽玛和/或自然伽玛能谱、孔斜测量数据相同时间点进行对应，即获得视频、自然伽玛、孔斜数据对应的深度值，此过程称之为深度刻度；

3)根据深度刻度后的钻孔孔斜测量数据、钻孔视频与钻孔深度数据，进行如下分析与计算：

(1)钻孔指定剖面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照该线段与指定剖面方向的空间几何关系，计算出该线段投影到指定剖面的长度与在剖面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到剖面的长度与指定剖面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔指定剖面轨迹曲线；

(2)钻孔平面轨迹计算：①针对两个相邻深度点的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，按照线段与水平面的空间几何关系，计算出线段投影到水平面的长度与在水平面上的位置；③对整个钻孔深度范围内的相邻离散点深度线段分别计算出投影到水平面的长度与水平面上的位置，将各段投影后的线段相连接即可得到整个钻孔平面轨迹曲线；

(3)岩层岩性分层：①将深度刻度后自然伽玛统计数据和/或自然伽玛能谱数据，按深度绘制测井曲线；②利用测井曲线，和/或结合钻孔视频数据按照两者同一采集深度进行视频、测井曲线的数据研判，进行岩性判别；如果根据测井曲线或者视频，能够判断出岩性，其中，自然伽玛为高异常的地层为泥岩；如果视频中岩层为黑色且有金属光泽，则为煤层，此种情况下直接划分出地层分层岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置；

如果单一的曲线或视频不能直接判断岩性，此时采用视频与自然伽玛在同一深度处的数据进行综合判断，其中，在相同深度的自然伽玛为低异常处的视频中如果岩层为黑色、且有金属光泽，此时判断出岩性为煤层；如果视频中的颜色为浅灰色、灰色、层理发育且具有颗粒感，则判断该层岩性为砂岩；如果颜色为灰色、孔壁细腻光滑、无明显颗粒感，则判断该层岩性为灰岩；至于其他的砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩等过渡粒度的岩性，同样结合视频、测井曲线的相对异常值的高低，进行判断；上述过程能够划分出全部钻孔深度的岩性，并确定出其分层对应于深度的分层点的位置，从而能够按照深度绘制出岩性柱状图；

在上述基础上进一步进行岩层分层真厚度计算：根据步骤(3)确定的分层位置，①针对每一个分层对应深度范围的数据离散值，按照对应同深度的方位角、倾斜角计算出各离散点的空间坐标；②按照每相邻两个深度数据对应的离散点的连线为一个线段，结合用户给出的岩层产状数据，按照线段与岩层的空间几何关系，计算出线段穿越的岩层真厚度，其中，岩层产状包括走向、倾向和倾角；③对岩层分层中相邻线段对应计算出的真厚度进行求和，即近似得出该岩层分层的真厚度；

按照计算出的岩层分层真厚度和岩性判断，能够绘制出钻孔柱状图；

在计算钻孔剖面轨迹、平面轨迹、钻孔真厚度计算时均要考虑磁偏角的影响，磁偏角的影响在步骤1)中直接去除，或者在步骤2)或步骤3)中的计算时去除，即将磁方位角直接减去当地的磁偏角得到地理方位角；

(4)钻孔结构与富水性分析：通过视频数据查看钻孔孔壁岩层的裂隙、孔隙的发育程度，如果有出水点能够观察到出水点的特征、出水量的情况，以此作为分析成果。