CN111997585B - 一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，首先收集前期勘探的煤层分布和底抽巷的资料，然后设计煤矿井下底抽巷的钻孔分布，根据设计的钻孔位置打钻，现场测井；处理分析测井数据得到分层曲线进而得到岩性曲线，联合钻孔轨迹得到目标层顶底界面数据集；提取各钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集；根据测井数据，计算各钻孔中目标层段的孔隙度、渗透率、含水量和含气量，结合钻孔轨迹数据得到孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集；根据所得数据集，绘制三维空间的分布。方法利用煤矿井下穿层孔的测井信息构建透明工作面，为煤矿智能开采提供高精度的地质模型。
Description
技术领域
本发明属于煤田地球物理测井技术领域，具体涉及一种基于煤矿井下穿层孔测井技术的透明工作面构建方法。
背景技术
随着煤矿智能化开采技术的发展，要求构建煤矿井下透明工作面，为智能开采提供精准的地质模型。目前透明工作面的探测方法有地面三维地震、工作面电磁波透视、工作面槽波层析成像以及井下钻探等，测井探测精度高但是探测深度浅，在煤矿透明工作面构建中尚未受到重视。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，通过该方法可以利用煤矿井下穿层孔的测井信息构建透明工作面，为煤矿智能开采提供高精度的地质模型。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，收集前期勘探的煤层分布和底抽巷的资料，然后设计煤矿井下底抽巷的钻孔分布，根据设计的钻孔位置打钻，现场测井；
步骤2，对获得的测井数据进行处理与分析得到分层曲线进而得到岩性曲线，将岩性曲线与钻孔轨迹联合得到目标层顶底界面数据集；
步骤3，对前期勘探得到的目标层内的构造分布区域的钻孔的测井曲线进行构造识别，在分层的基础上，提取各钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集；
步骤4，根据测井数据，计算各钻孔中目标层段的孔隙度、渗透率、含水量和含气量，结合钻孔的轨迹数据得到孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集；
步骤5，根据所述目标层顶底界面数据集、构造的数据集以及孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集，绘制三维空间的分布。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述步骤1包括：
步骤1.1，收集目标区域以及底抽巷的资料，包括目标区域的：前期勘探的煤层的分布，煤层的厚度Hq、宽度Wq、长度Lq、陷落柱和断层的位置坐标集Sg(x,y,z)，设计的底抽巷分布位置数据集Sh(x,y,z)，底抽巷巷道的数量M，各底抽巷巷道的长度Lhi、宽度Whi、高度Hhi、顶部距煤层的距离Hji以及方位角AZIMhi；
步骤1.2，设计各个巷道内的钻孔数量、开孔点和钻孔的轨迹，测井系统的探测半径为d，一个钻孔能探测的面积为d2，根据建立目标层透明工作面的长度Lq和宽度Wq，目标层的面积为Sq，一个巷道对应探测的目标层的长度为Lqh，宽度为Wqh，需要的钻孔的数量总数Psum最大值：
一个钻孔群内的钻孔数量P的最大值为Pmax：
钻孔群数量N的最大值Nmax为：
巷道数量M的最大值Mmax为：
相邻两个钻孔之间的距离Dpi满足2d≤Dpi≤3d，钻孔群之间的距离Dzkq：
上式中，构造区域为所述步骤1.1中陷落柱和断层区域；变化相对平缓区域为没有陷落柱和断层区域；
钻孔群的数量N：
一个钻孔群内的钻孔数量P：
巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度为θ，在钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角DEVIp1为：
第一个钻孔的深度dp1：
上式中，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；
第i个钻孔的倾角DEVIpi为：
上式中，DEVIpi为第i个钻孔的倾角，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；dp1为第一个钻孔的深度；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；Dpi为钻孔群内相邻钻孔在穿出目标层位置的距离；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
第i个钻孔的深度dpi为：
上式中，dpi为第i个钻孔的深度；Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；DEVIpi为第i个钻孔的倾角，θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
方位角AZIMpi以与巷道的走向的方位角垂直作为其方位，因此AZIMpi为：
上式中，AZIMpi为第i个钻孔的方位角，AZIMhj是第j个巷道的方位角；
步骤1.3，现场根据设计的钻孔位置、钻孔的轨迹进行打钻，一个一个钻孔群打钻；
步骤1.4，在完成一个钻孔群的打钻之后，进行现场测井，获得测井数据。
具体的，所述步骤2包括：
步骤2.1，测井数据预处理，在完成打钻以及获得测井数据后，首先进行测井数据预处理，预处理包括对不同的测井仪器进行深度校正、无效数据剔除和数据的平滑处理；
步骤2.2，提取岩性分层特征，测井曲线经过预处理后，分析目标层与其他岩层的差异性特征，根据自然伽马测井、电阻率测井、孔隙度测井在不同岩性中表现的特征集 F(GR，RT，DEN)；然后进行测井数据的处理，处理测井曲线，建立分层曲线；
步骤2.3，进行钻孔的分层并形成顶底界面的数据集，根据步骤2.2的分层曲线，结合测井特征值数据集F(GR，RT，DEN)对各个层进行测井数据的对比，并且形成岩性曲线Lith，然后利用测斜测量的倾角和方位角计算钻孔三维空间轨迹Trj(N，E，D)：
上式中，D、N和E分别为钻孔中第c个测点的海拔、纬度和经度；
其中：
上式中，ΔD、ΔN和ΔE分别为钻孔中第c个测点和c-1个测点之间的垂深增量(即海拔增量)海拔差、坐标北方向增量(纬度增量)和坐标东方向增量(经度增量)；Rc 是校正系数；
上式中，Rc校正系数；DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，单位是弧度；MDc 是第c个测点的孔深；
DLAC＝arccos[cos(DEVIC-1)cos(DEVIC)+sin(DEVIC-1)sin(DEVIC)cos(AZIMC-AZIMC-1)] (20)
上式中，DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，DEVIc为该钻孔第c个测点的测量的倾角，AZIMc为该钻孔第c个测点的测量的方位角；
将岩性曲线与三维轨迹联合，提取所有钻孔的目标层的界面分层点的坐标形成底界面的数据集SLb(N，E，D)和顶界面数据集SLt(N，E，D)。
具体的，所述步骤3包括：
构造识别并构建构造的数据集，对于前期勘探收集得到的目标层内的构造分布区域，在这些区域的钻孔的测井曲线上进行构造识别，在分层的基础上，分析小层内的测井曲线的变化，然后进行人机交互识别构造，并提取各个钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集SG(N,E,D)。
具体的，所述步骤4包括：
孔隙度、渗透率、含水量、含气量的计算并构建数据集，在前面分层、构造的建立基础上，计算目标层的孔隙度、渗透率、含水量、含气量的曲线，孔隙度Ф的计算公式为：
式中：Ф为孔隙度，小数；ρma＝2.65kg/m3；ρf＝1kg/m3；ρb为密度测井仪测得的密度值，kg/m3,；
渗透率Perm的计算公式为：
式中Perm为渗透率，mD；系数a1和b1根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；
含水饱和度Sw的计算公式为：
式中Sw为含水饱和度，小数；系数a2、b2、m’、n’根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；Rw为该地区的地层水的电阻率，Rt为电阻率测井测得的视电阻率；
含水量Qw的计算公式为：
式中，Qw为煤层的含水量，单位m3/t；ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数；
含气量Qg的计算包括游离气Q1和吸附气Q2的两个部分，游离气的含量Q1计算公式为：
式中，Q1为游离气含量，单位m3/t,ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数.
吸附气的含量Q2计算公式为：
式中：Q2—吸附气含量,m3/t；Vl一干煤无灰兰氏含气量,m3/t；Va一含灰量；Vw—含水量；b—兰氏常数,1/Pa；p—压力,Pa/m2；
目标层煤层的含气量Qg为：
Qg＝Q1+Q2 (27)
将各个孔计算的孔隙度、渗透率、含水量、含气量与该孔的三维轨迹坐标联系起来，形成孔隙度SФ、渗透率Sperm、含水量SQw、含气量SQg的数据集。
具体的，所述步骤5包括：
三维成图，构建透明工作面；将上述获得的各个数据集输入三维绘图的软件中，先加载各个数据集的坐标位置，然后利用克里金插值，实现钻孔区域间空白部分的充填。
具体的，所述步骤2.1中，测井数据预处理包括：
深度校正：各测井仪器串联进入孔内进行测量，第一个测井仪器的深度测量点与测井系统的深度基准点重合，第二个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d2，第三个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d3，第四个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d4；测井系统的深度基准点的深度为deppi，各个测井仪器的测井深度分别记为dep1pi、dep2pi、dep3pi、dep4pi，因此各个测井仪器的深度校正如下：
无效数据剔除：在将各个测井仪器测量数据的深度进行归位之后，进行各个测井仪器的数据的检查，根据各个测井仪器的无效数据标记，剔除无效数据；
数据的平滑处理：放射性测井原始数据由于统计的涨落会有毛刺，测井仪器还有自身的记录数据的波动性会产生毛刺，因此需要进行平滑处理，消除这些影响；采用滑动窗的平滑处理办法，假设对窗长(2t+1)个相邻点进行平滑，测井的数据点为Tk，相邻的点为Tk-t、Tk-t+1…Tk+t,平滑公式为：
具体的，所述步骤2.2中，分层曲线Layerlog的建立方法为：各个测井曲线共有N个采样点，X1A、X2A分别为这两层第A点的测井值，若分层界面在B，B+1采样点间，则两层的层内差方和S为：
式中，
然后再求取S与Q的极值，S'＝0，Q'(B)＝0时的A值为分层点，形成分层曲线Layerlog，并且对于各个层的测井值求其层内的平均值作为该层段的测井值。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明测井探测精度高，在底抽巷或顶抽巷内，布局多个钻孔群，在高瓦斯矿井抽采瓦斯的同时，可利用测井精细探测煤层界面、煤层内部的构造(陷落柱、断层等)，亦可探测煤层的孔隙度、渗透率、瓦斯含量以及水的含量等，构建透明工作面，为智能开采提供精细探测的数据。
附图说明
图1是本发明基于穿层孔测井的透明工作面构建的流程图；
图2是本发明煤矿井下底抽巷道与目标层及设计钻孔的切面示意图；
图3是本发明其中一个巷道方向的目标层与穿层孔的关系俯视图；
图4是本发明目标层与其中一个巷道及钻孔群的侧面示意图；
图5是本发明各测井仪器与深度测量标准点的关系示意图；
图6是本发明基于穿层孔构建的透明工作面的示意图；
附图标号含义：
图2中，2-1-目标层(煤层)；2.1-该钻孔群内第一个钻孔，2.2-第二个钻孔，2.3-第三个钻孔，2.i-第i个钻孔，2.p-2-第p-2个钻孔，2.p-1-第p-1个钻孔，2.p-第p个钻孔， p-该钻孔群的钻孔总数；2-3-钻孔群内相邻钻孔在穿出目标层位置的距离Dpi；2-4-目标层的厚度Hq；2-5-各个巷道顶部距离目标层的距离Hj(j为第j个巷道)；2-6-巷道的高度Hhj(h巷道，j是第j个巷道)；2-7-巷道的宽度Whj；2-8-巷道顶端弧形部分的弧度角θj；2-9-巷道；2-10-钻孔的倾角αi；2-11-钻孔的深度dpi。
图3中，3-1-目标层(煤层)；3-2-目标层长度Lq；3-3-目标层的宽度Wq；3-4-该巷道内的第1个钻孔群；3-5-该巷道内第2个钻孔群；3-6-该巷道内的第I’个钻孔群；3-7- 该巷道内的第n-1个钻孔群；3-8-相邻钻孔群之间的距离Dzkq；3-9-该巷道内的第n个钻孔群；3-10-钻孔群内相邻钻孔在穿出目标层位置的距离Dpi；3-11-钻孔群内钻孔示意。
图4中，4-1-目标层(煤层)；4-2-煤层厚度Hq；4-3-巷道顶部与目标层之间的距离Hj；4-4-巷道高度Hhj；4-5-巷道(侧面)；4-6-巷道长度Lhj；4-7-钻孔群示意。
图5中，5-1-深度测量基准点；5-2-位于测井系统前端的第一个测井仪(测斜仪)；5-3-位于测井系统的第二个测井仪(自然伽马测井仪)；5-4-位于测井系统的第三个测井仪(电阻率测井仪)；5-5-位于测井系统的第四个测井仪(孔隙度测井仪)；5-6-第四个测井仪与深度测量基准点的距离d4；5-7-第三个测井仪与深度测量基准点的距离d3；5-8- 第二个测井仪与深度测量基准点的距离d2。
图6中，6-1-目标层的顶界面示意图，6-2-目标层底界面示意图，6-3-钻孔示意图，6-4-巷道示意图，6-5-绘图的框架示意；6-6-坐标角度示意。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明所设计的基于穿层孔测井的透明工作面构建方法，包括测井钻孔布置设计、基于单孔的煤层顶底板测井解释方法、基于多孔测井的断层解释方法以及基于多孔测井的透明工作面构建方法。
测井钻孔布置是指煤矿井下巷道内钻孔布置设计，即煤矿井下巷道内钻孔布置的设计。
煤矿井下巷道内钻孔布置设计是指煤层底板中底抽巷内的钻孔设计，底抽巷内钻孔主要是高瓦斯矿井在煤层开采前，沿煤层底板施工岩巷并在巷道内打孔，将其上部煤层中的瓦斯安全抽出。本发明利用底抽巷内钻孔进行测井，获取地层信息，构建透明工作面，底抽巷内钻孔设计一是根据前期瓦斯分布的资料，结合巷道的位置设计钻孔群的位置，二是根据测井构建透明工作面的要求设计钻孔群内钻孔的开孔位置及轨迹。
单孔测井解释方法为井下钻孔测井之后进行的处理解释方法，处理解释的主要目标是在沿钻孔轨迹方向区分钻孔钻遇地层的岩性，将岩性进行层位归一，为透明工作面的构建做准备。
基于测井的断层解释方法为根据相邻钻孔测井数据的差异，判断断层的位置，根据多个钻孔岩性的变化，确定断层的大小及分布特征。
基于测井的透明工作面的构建方法为根据穿层孔的测井解释结果、断层的分布位置等，将各个钻孔解释的结果通过特定的方法，构建一个透明的三维地质体。
一种基于测井的透明工作面构建方法，包括如下的步骤：
设计煤矿井下底抽巷的钻孔分布，根据前期收集的资料，针对底抽巷巷道的分布、底抽巷与目标区域的相对位置关系，设计钻孔的分布。预计构建透明工作面区域的长 Lq，宽Wq，高Hq，底抽巷距离目标的煤层距离为Hj，巷道的长度为Lh，高度为Hh，巷道宽度为Wh，在底抽巷内有m个巷道，在各个巷道内设计n个钻孔群，各个钻孔群内设计p个钻孔，所采用的测井系统的探测半径为d，钻孔群的距离Dzkq根据前期勘探资料，在有构造的区域进行密集的设计，在相对较为平缓的区域，进行稀疏设计，Dzkq满足如下的公式：
上式中，构造区域为所述步骤1.1中陷落柱和断层区域；变化相对平缓区域为没有陷落柱和断层区域；
式中，d为测井系统的探测半径，m。
各个钻孔群内设计p个钻孔，钻孔的开孔位置为巷道顶部的弧形区域，如果在巷道的侧帮位置打穿层孔，孔深较大长不利于打钻，p个钻孔相互之间的距离Dpi在目标层位的穿层区域点的分布要满足2d≤Dpi≤3d，根据各个钻孔与顶部的目标层位的关系，设计各个钻孔群里各钻孔的轨迹(包括钻孔的倾角DEVIi、钻孔的方位角AZIMi、钻孔的长度dzi)。
对设计的钻孔在井下巷道进行标记，然后根据设计的钻孔位置以及钻孔的位置进行打钻，在每一个钻孔群打钻完成后，立即进行测井，测量钻孔的实际钻孔轨迹(钻孔的实际倾角、实际的方位角)，采集各个测井方法的探测数据log1、log2……logs。
根据获得的测井数据，进行测井数据的处理与分析。首先进行数据的预处理，包括深度校正(各个测井仪器的深度差校正)、测井数据的无效数据的剔除、测井数据的平滑处理。
然后进行数据的分析，提取不同岩性的测井参数，分析不同岩性的分层特征，然后根据测井参数，分析各个钻孔的数据中不同岩性的分界点，分析构造(断层、陷落柱) 的位置。结合钻孔的轨迹数据，进行各个特征的定位，将各个钻孔的穿层位置坐标提取出来Lb(N,E,D)和Lt(N,E,D)，形成目标层底界面的数据集和顶界面的数据集，以及根据测井系列提取出来区域内的构造的位置数据集(包括断层、陷落柱)。
根据测井数据，计算各个钻孔中目标层段的孔隙度、渗透率、含水量、含气量的大小，结合钻孔的轨迹数据进行位置的定位，形成目标区域内的孔隙度、渗透率、含水量和含气量的分布，形成孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集。
根据形成的数据集，绘制三维空间的分布。
需要注意的是：煤矿井下智能化开采透明工作面的构建，其首要任务是明确目的层 (煤层)高精度的顶底板界面、精确的构造位置，其次是煤层的含水和含气量的分布，以及煤层孔隙度、渗透率的大小等，因此测井仪器系统要求必须能测量钻孔的轨迹、自然伽马、其次是电阻率，有条件可以进行孔隙度测井(密度测井仪或中子测井仪)。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
如图1至图6所示，本实施例给出、一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，收集目标区域以及底抽巷的资料，包括目标区域(煤层)的前期勘探的煤层的分布，煤层的厚度Hq、煤层的宽度Wq、煤层的长度Lq、煤层中的陷落柱和断层的位置坐标集Sg(x,y,z)，设计的底抽巷分布位置数据集Sh(x,y,z)，底抽巷巷道的数量M、各个底抽巷巷道的长度Lhi、各个底抽巷巷道的宽度Whi、各个底抽巷巷道的高度Hhi、各个底抽巷巷道的顶部距煤层的距离Hji、各个底抽巷巷道的方位角AZIMhi；如图2、图3、图4所示的关于目标层和巷道标注信息；
步骤2，设计各个巷道内的钻孔数量和钻孔的开孔点、钻孔的轨迹；在底抽巷设计钻孔，要求钻孔能将要求探测构建透明工作面的目标区域能通过孔中物探测井方法实现精细探测，因此底抽巷的巷道数量M、钻孔群数量N、一个钻孔群中钻孔的数量P和钻孔的分布与目标层的大小以及底抽巷的分布位置紧密联系在一起；测井系统的探测半径为d，一个钻孔可以探测的面积为d2，根据建立目标层透明工作面的长度Lq和宽度 Wq，目标层的面积为Sq，一个巷道对应探测的目标层的长度为Lqh，宽度为Wqh，需要的钻孔的数量总数Psum最大值：
一个钻孔群内的钻孔数量P的最大值为Pmax：
钻孔群数量N的最大值Nmax为：
巷道数量M的最大值Mmax为：
根据现场的实际情况，考虑打钻经济投入的问题，对于钻孔群数量、钻孔数量的设计需要根据实际的地质情况考虑，在地质变化相对平缓的区域钻孔的距离可以相对放宽，如图3所示钻孔与目标区域的关系示意图中的钻孔及钻孔群之间的距离、钻孔群内钻孔之间的距离，
钻孔相互之间的距离Dpi满足2d≤Dpi≤3d即可，钻孔群的距离也可以相对放宽，钻孔群之间的距离Dzkq：
上式中，构造区域为所述步骤1.1中陷落柱和断层区域；变化相对平缓区域为没有陷落柱和断层区域；
钻孔群的数量N：
一个钻孔群内的钻孔数量P：
各个钻孔的轨迹包括钻孔的深度、钻孔的倾角、方位角与钻孔所在巷道与目标区域的相对位置关系紧密相关，如图2所示的示意图，巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度为θ，在钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角DEVIp1为：
第一个钻孔的深度dp1：
上式中，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；
第i个钻孔的倾角DEVIpi为：
上式中，DEVIpi为第i个钻孔的倾角，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；dp1为第一个钻孔的深度；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；Dpi为钻孔群内相邻钻孔在穿出目标层位置的距离；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
第i个钻孔的深度dpi为：
上式中，dpi为第i个钻孔的深度；Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；DEVIpi为第i个钻孔的倾角，θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
各个钻孔的方位角AZIMpi以与巷道的走向的方位角垂直作为其方位，因此AZIMpi为：
上式中，AZIMpi为第i个钻孔的方位角，AZIMhj是第j个巷道的方位角；
步骤3，现场根据设计的钻孔位置、钻孔的轨迹进行打钻，一个一个钻孔群打钻；
步骤4，在完成一个钻孔群的打钻之后，进行现场测井，获得测井数据；
步骤5，测井数据预处理，在完成打钻以及获得测井数据后，首先进行测井数据预处理，预处理包括对不同的测井仪器进行深度校正、无效数据的剔除、数据的平滑处理；
深度校正：如图5所示，各个测井仪器串联进入孔内进行测量，与测井系统记录的深度基准点有一定的距离差，第一个测井仪器的深度测量点与测井系统的深度测量点重合，第二个测井仪器深度点与测井系统的深度测量点距离d2，第三个测井仪器深度点与测井系统的深度测量点距离d3，第四个测井仪器深度点与测井系统的深度测量点距离 d4，测井系统的深度测量记录的深度为deppi，各个测井仪器的测井深度分别记为dep1pi、 dep2pi、dep3pi、dep4pi，因此各个测井仪器的深度校正如下：
无效数据剔除：在测井过程中，可能会有一些无效数据需要剔除，在将各个测井仪器测量数据的深度进行归位之后，进行各个测井仪器的数据的检查，根据各个测井仪器的无效数据标记，剔除无效数据；
测井数据的平滑处理，放射性测井(自然伽马测井、孔隙度测井(密度测井))原始数据由于统计的涨落会有毛刺，测井仪器还有自身的记录数据的波动性会产生毛刺，因此需要进行平滑处理，消除这些影响；采用滑动窗的平滑处理办法，假设对窗长(2t+1) 个相邻点进行平滑，测井的数据点为Tk，相邻的点为Tk-t、Tk-t+1…Tk+t,平滑公式为：
步骤6，提取岩性分层特征，在测井曲线经过预处理之后，分析目标层(煤层)与其他岩层的差异性特征，根据自然伽马测井、电阻率测井、孔隙度测井在不同岩性中表现的特征集F(GR，RT，DEN)，并且将其加入地区数据库中，以便以后建立其他的透明工作面参考使用；然后进行测井数据的处理，处理测井曲线，建立分层曲线；分层曲线 Layerlog的建立方法为：各个测井曲线共有N个采样点，X1A、X2A分别为这两层第A 点的测井值，若分层界面在B，B+1采样点间，则两层的层内差方和S为：
式中，
然后再求取S与Q的极值，S'＝0，Q'(B)＝0时的A值为分层点，形成分层曲线Layerlog，并且对于各个层的测井值求其层内的平均值作为该层段的测井值；
步骤7，进行钻孔的分层并形成顶底界面的数据集，根据S6的分层曲线，结合S6 的测井特征值数据集F(GR，RT，DEN)对各个层进行测井数据的对比，并且形成岩性的曲线Lith，然后利用测斜测量的钻孔的倾角和方位计算钻孔三维空间轨迹Trj(N,E,D)：
上式中，D、N和E分别为钻孔中第c个测点的海拔、纬度和经度；
其中：
上式中，ΔD、ΔN和ΔE分别为钻孔中第c个测点和c-1个测点之间的垂深增量(即海拔增量)海拔差、坐标北方向增量(纬度增量)和坐标东方向增量(经度增量)；Rc 是校正系数；
上式中，Rc校正系数；DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，单位是弧度；MDc 是第c个测点的孔深；
DLAC＝arccos[cos(DEVIC-1)cos(DEVIC)+sin(DEVIC-1)sin(DEVIC)cos(AZIMC-AZIMC-1)] (20)
上式中，DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，DEVIc为该钻孔第c个测点的测量的倾角，AZIMc为该钻孔第c个测点的测量的方位角；
将岩性曲线与三维轨迹联合，提取所有钻孔的目标层的界面分层点的坐标形成底界面的数据集SLb(N，E，D)和顶界面分层点的坐标集SLt(N，E，D)；
步骤8，构造识别并构建构造的数据集，对于前期勘探收集的到的目标层内的构造分布区域，进行详细的解释，在这些区域的钻孔的测井曲线上进行构造识别，在分层的基础上，分析小层内的测井曲线的变化，然后进行人机交互识别构造，并提取各个钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集SG(N，E，D)；
步骤9，孔隙度、渗透率、含水量、含气量的计算并构建数据集，在前面分层、构造的建立基础上，计算目标层的孔隙度、渗透率、含水量、含气量的曲线，孔隙度Ф的计算公式为：
式中：Ф为孔隙度，小数；ρma＝2.65kg/m3；ρf＝1kg/m3；ρb为密度测井仪测得的密度值，kg/m3，；
渗透率Perm的计算公式为：
式中Perm为渗透率，mD；系数a1和b1根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；
含水饱和度Sw的计算公式为：
式中Sw为含水饱和度，小数；系数a2、b2、m’、n’根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；Rw为该地区的地层水的电阻率，Rt为电阻率测井测得的视电阻率；
含水量Qw的计算公式为：
式中，QW为煤层的含水量，单位m3/t；ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数；
含气量Qg的计算包括游离气Q1和吸附气Q2的两个部分，游离气的含量Q1计算公式为：
式中，Q1为游离气含量，单位m3/t,ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数.
吸附气的含量Q2计算公式为：
式中：Q2—吸附气含量,m3/t；Vl一干煤无灰兰氏含气量,m3/t；Va一含灰量；Vw—含水量；b—兰氏常数,1/Pa；p—压力,Pa/m2；
目标层煤层的含气量Qg为：
Qg＝Q1+Q2 (27)
将各个孔计算的孔隙度、渗透率、含水量、含气量与该孔的三维轨迹坐标联系起来，形成孔隙度SФ、渗透率Sperm、含水量SQw、含气量SQg的数据集；
步骤10，三维成图，构建透明工作面，如图6所示；将上述获得的各个数据集输入三维绘图的软件中，先加载各个数据集的坐标位置，然后利用克里金插值，实现钻孔区域间空白部分的充填。
需要注意的是：1)对于煤矿井下的开采煤层的透明工作面的构建首要任务是明确目的层(煤层)的精细的顶底界面、精确的构造位置，其次是煤层的含水和含气量的分布，以及煤层孔隙度、渗透率的大小，因此测井仪器系统要求必须能测量钻孔的轨迹、自然伽马测井、其次是电阻率测井，有条件可以进行孔隙度测井(密度测井仪或中子测井仪)。 2)根据现在的钻孔间距设置，钻孔之间尚存在一定的盲区，对于精度要求更高的地方，钻孔间距、钻孔群的间距可以适当缩小，以实现更精细的探测。
Claims (8)
1.一种基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，收集前期勘探的煤层分布和底抽巷的资料，然后设计煤矿井下底抽巷的钻孔分布，根据设计的钻孔位置打钻，现场测井；
步骤2，对获得的测井数据进行处理与分析得到分层曲线进而得到岩性曲线，将岩性曲线与钻孔轨迹联合得到目标层顶底界面数据集；
步骤3，对前期勘探得到的目标层内的构造分布区域的钻孔的测井曲线进行构造识别，在分层的基础上，提取各钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集；
步骤4，根据测井数据，计算各钻孔中目标层段的孔隙度、渗透率、含水量和含气量，结合钻孔的轨迹数据得到孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集；
步骤5，根据所述目标层顶底界面数据集、构造的数据集以及孔隙度、渗透率、含水量和含气量的位置数据集，绘制三维空间的分布。
2.如权利要求1所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤1包括：
步骤1.1，收集目标区域以及底抽巷的资料，包括目标区域的：前期勘探的煤层的分布，煤层的厚度Hq、宽度Wq、长度Lq、陷落柱和断层的位置坐标集Sg(x,y,z)，设计的底抽巷分布位置数据集Sh(x,y,z)，底抽巷巷道的数量M，各底抽巷巷道的长度Lhi、宽度Whi、高度Hhi、顶部距煤层的距离Hji以及方位角AZIMhi；
步骤1.2，设计各个巷道内的钻孔数量、开孔点和钻孔的轨迹，测井系统的探测半径为d，一个钻孔能探测的面积为d2，根据建立目标层透明工作面的长度Lq和宽度Wq，目标层的面积为Sq，一个巷道对应探测的目标层的长度为Lqh，宽度为Wqh，需要的钻孔的数量总数Psum最大值：
一个钻孔群内的钻孔数量P的最大值为Pmax：
钻孔群数量N的最大值Nmax为：
巷道数量M的最大值Mmax为：
相邻两个钻孔之间的距离Dpi满足2d≤Dpi≤3d，钻孔群之间的距离Dzkq：
上式中，构造区域为所述步骤1.1中陷落柱和断层区域；变化相对平缓区域为没有陷落柱和断层区域；
钻孔群的数量N：
一个钻孔群内的钻孔数量P：
巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度为θ，在钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角DEVIp1为：
第一个钻孔的深度dp1：
上式中，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；
第i个钻孔的倾角DEVIpi为：
上式中，DEVIpi为第i个钻孔的倾角，Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；dp1为第一个钻孔的深度；DEVIp1为钻孔群中第一个钻孔的钻孔倾角；Dpi为钻孔群内相邻钻孔在穿出目标层位置的距离；θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
第i个钻孔的深度dpi为：
上式中，dpi为第i个钻孔的深度；Hq为目标层的厚度；Hj为第j个巷道的巷道顶部距离目标层的距离；Hhj为巷道的高度；Whj为巷道的宽度；DEVIpi为第i个钻孔的倾角，θ为巷道的顶部弧形部分的对应的扇形弧度角；
方位角AZIMpi以与巷道的走向的方位角垂直作为其方位，因此AZIMpi为：
上式中，AZIMpi为第i个钻孔的方位角，AZIMhj是第j个巷道的方位角；
步骤1.3，现场根据设计的钻孔位置、钻孔的轨迹进行打钻，一个一个钻孔群打钻；
步骤1.4，在完成一个钻孔群的打钻之后，进行现场测井，获得测井数据。
3.如权利要求2所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1，测井数据预处理，在完成打钻以及获得测井数据后，首先进行测井数据预处理，预处理包括对不同的测井仪器进行深度校正、无效数据剔除和数据的平滑处理；
步骤2.2，提取岩性分层特征，测井曲线经过预处理后，分析目标层与其他岩层的差异性特征，根据自然伽马测井、电阻率测井、孔隙度测井在不同岩性中表现的特征集F(GR，RT，DEN)；然后进行测井数据的处理，处理测井曲线，建立分层曲线；
步骤2.3，进行钻孔的分层并形成顶底界面的数据集，根据步骤2.2的分层曲线，结合测井特征值数据集F(GR，RT，DEN)对各个层进行测井数据的对比，并且形成岩性曲线Lith，然后利用测斜测量的倾角和方位角计算钻孔三维空间轨迹Trj(N,E,D)：
上式中，D、N和E分别为钻孔中第c个测点的海拔、纬度和经度；
其中：
上式中，ΔD、ΔN和ΔE分别为钻孔中第c个测点和c-1个测点之间的垂深增量海拔差、坐标北方向增量和坐标东方向增量；Rc是校正系数；
上式中，Rc校正系数；DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，单位是弧度；MDc是第c个测点的孔深；
DLAC＝arccos[cos(DEVIC-1)cos(DEVIC)+sin(DEVIC-1)sin(DEVIC)cos(AZIMC-AZIMC-1)] (20)
上式中，DLAc为钻孔中第c个测点的狗腿角，DEVIc为该钻孔第c个测点的测量的倾角，AZIMc为该钻孔第c个测点的测量的方位角；
将岩性曲线与三维轨迹联合，提取所有钻孔的目标层的界面分层点的坐标形成底界面的数据集SLb(N,E,D)和顶界面数据集SLt(N,E,D)。
4.如权利要求3所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤3包括：
构造识别并构建构造的数据集，对于前期勘探收集得到的目标层内的构造分布区域，在这些区域的钻孔的测井曲线上进行构造识别，在分层的基础上，分析小层内的测井曲线的变化，然后进行人机交互识别构造，并提取各个钻孔中测井曲线上构造的位置，将该区域内的构造进行联合，形成构造的数据集SG(N,E,D)。
5.如权利要求4所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤4包括：
孔隙度、渗透率、含水量、含气量的计算并构建数据集，在前面分层、构造的建立基础上，计算目标层的孔隙度、渗透率、含水量、含气量的曲线，孔隙度Ф的计算公式为：
式中：Ф为孔隙度，小数；ρma＝2.65kg/m3；ρf＝1kg/m3；ρb为密度测井仪测得的密度值，kg/m3,；
渗透率Perm的计算公式为：
式中Perm为渗透率，mD；系数a1和b1根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；
含水饱和度Sw的计算公式为：
式中Sw为含水饱和度，小数；系数a2、b2、m’、n’根据现场的实际情况来确定，Ф为孔隙度，小数；Rw为该地区的地层水的电阻率，Rt为电阻率测井测得的视电阻率；
含水量Qw的计算公式为：
式中，Qw为煤层的含水量，单位m3/t；ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数；
含气量Qg的计算包括游离气Q1和吸附气Q2的两个部分，游离气的含量Q1计算公式为：
式中，Q1为游离气含量，单位m3/t,ρ为目标层煤层的密度，单位为g/m3；Sw为含水饱和度，小数.
吸附气的含量Q2计算公式为：
式中：Q2—吸附气含量,m3/t；Vl一干煤无灰兰氏含气量,m3/t；Va一含灰量；Vw—含水量；b—兰氏常数,1/Pa；p—压力,Pa/m2；
目标层煤层的含气量Qg为：
Qg＝Q1+Q2 (27)
将各个孔计算的孔隙度、渗透率、含水量、含气量与该孔的三维轨迹坐标联系起来，形成孔隙度SФ、渗透率Sperm、含水量SQw、含气量SQg的数据集。
6.如权利要求5所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤5包括：
三维成图，构建透明工作面；将上述获得的各个数据集输入三维绘图的软件中，先加载各个数据集的坐标位置，然后利用克里金插值，实现钻孔区域间空白部分的充填。
7.如权利要求3所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤2.1中，测井数据预处理包括：
深度校正：各测井仪器串联进入孔内进行测量，第一个测井仪器的深度测量点与测井系统的深度基准点重合，第二个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d2，第三个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d3，第四个测井仪器深度点与测井系统的深度基准点距离d4；测井系统的深度基准点的深度为deppi，各个测井仪器的测井深度分别记为dep1pi、dep2pi、dep3pi、dep4pi，因此各个测井仪器的深度校正如下：
无效数据剔除：在将各个测井仪器测量数据的深度进行归位之后，进行各个测井仪器的数据的检查，根据各个测井仪器的无效数据标记，剔除无效数据；
数据的平滑处理：放射性测井原始数据由于统计的涨落会有毛刺，测井仪器还有自身的记录数据的波动性会产生毛刺，因此需要进行平滑处理，消除这些影响；采用滑动窗的平滑处理办法，假设对窗长(2t+1)个相邻点进行平滑，测井的数据点为Tk，相邻的点为Tk-t、Tk-t+1…Tk+t,平滑公式为：
8.如权利要求3所述的基于穿层孔测井的煤矿透明工作面构建方法，其特征在于，所述步骤2.2中，分层曲线Layerlog的建立方法为：各个测井曲线共有N个采样点，X1A、X2A分别为这两层第A点的测井值，若分层界面在B，B+1采样点间，则两层的层内差方和S为：
式中，
然后再求取S与Q的极值，S'＝0，Q'(B)＝0时的A值为分层点，形成分层曲线Layerlog，并且对于各个层的测井值求其层内的平均值作为该层段的测井值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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