方位电磁波仪器PeriSc...水平井煤岩边界探测特性研究_张意.pdf

方位电磁波仪器 PeriScope 水平井煤岩边界探测特性研究张意1，康正明2，冯宏1，李飞2，李新3，韩雪4（1.中煤科工集团西安研究院（集团）有限公司,陕西西安710054；2.西安石油大学电子工程学院,陕西西安710065；3.中国石化石油工程技术研究院,北京100101；4.中国石油集团测井有限公司,陕西西安710077）摘要：在煤矿生产中，预先、精准识别煤岩界面能够提高采出率、降低开采风险，是实现煤炭智能化开采的卡脖子技术之一。方位电磁波测井仪器具有较大探测深度和方位分辨能力，其在煤岩界面测井方法中具有一定优势，为了研究油田方位电磁波仪器 PeriScope 在煤田测井中的适用性，建立了煤矿测井水平分层地层模型，使用广义反射系数法和有限元数值模拟方法，以方位电磁波仪器 Peri-Scope 为例，考察了其对煤层边界的探测特性。应用 PeriScope 仪器的发射频率和源距组合，设置其仪器半径为煤矿钻杆的常用半径，模拟结果显示，地质信号在界面处的响应符合典型特征，地质信号随仪器旋转角变化具有周期性响应规律，频率和探边距离非简单正相关关系，源距和探边距离具有正相关关系，地质信号幅值随煤层层厚的增加而增加，但层厚增加到一定值后地质信号不再随层厚变化，偏心距较大时地质信号受偏心距影响，方位电磁波测量响应能够反映采空区的电阻率变化。结果表明，地质信号对煤岩边界的探测能力受频率、源距、电阻率对比度、层厚等多种因素影响，方位电磁波仪器 PeriScope 的地质信号具有方位分辨能力，能够用于探测模型设置的煤岩分界面和识别采空区，但对于围岩和煤层电阻率均较高的情况，需要增加仪器的源距或选取合适的发射频率，以满足测量信号强度要求。关键词：方位电磁波测井；煤岩界面识别；水平井；正演；煤矿智能化中图分类号：P631文献标志码：A文章编号：02532336（2023）06015810Exploration characteristics of coal and rock boundary in horizontal well withAzimuth electromagnetic wave instrument PeriScopeZHANGYi1,KANGZhengming2,FENGHong1,LIFei2,LIXin3,HANXue4（1.Xian Research Institute of China Coal Technology&Engineering Group Corp，Xian 710054，China;2.School of Electronic Engineering,Xian ShiyouUniversity,Xian 710065,China;3.SINOPEC Petroleum Engineering Technology Research Institute,Beijing 100101,China;4.China Petroleum Grouplogging Co.Ltd,Xian 710077,China）Abstract:Incoalmineproduction,advanceandpreciseidentificationofcoal-rockinterfacecanimproverecoveryandreduceminingrisk,whichisoneofthebottlenecktechnologiestorealizeintelligentcoalmining.Azimuthelectromagneticwavelogginginstrumenthaslargerdetectingdepthandtheazimuthresolutionability,whichhasacertainadvantageincoal-rockinterfacedetection,inordertostudytheoiltheapplicabilityoftheazimuthelectromagneticwaveinstrumentPeriscopeincoalfieldwelllogging,coalloglevellayeredformationmod-elwasestablished,usingthegeneralizedreflectioncoefficientmethodandfiniteelementnumericalsimulationmethod,TakingPeriscopeasanexample,thedetectioncharacteristicsofcoalseamboundaryareinvestigated.ApplicationofPeriscopeinstrumenttransmittingfre-quencyandspacing,setitsinstrumentradiusdrillpiperadiusofthecommonlyusedforcoalmine,thesimulationresultsshowthatthegeologicalresponseinlinewiththetypicalcharacteristicsofsignalsintheinterface,geologicalsignalchangewithinstrumentrotation收稿日期：20220609责任编辑：常琛DOI：10.13199/ki.cst.2021-1089基金项目：陕西省秦创原引用高层次创新创业人才资助项目（QCYRCXM-2022-260）；陕西省教育厅重点科学研究计划资助项目（22JY053）；陕西省重点研发计划资助项目（2023-YBGY-111）作者简介：张意(1986)，男，新疆伊宁人，工程师，博士研究生。E-mail：通讯作者：康正明(1989)，男，陕西靖边人，讲师，博士。E-mail：第51卷第6期煤炭科学技术Vol.51No.62023年6月CoalScienceandTechnologyJun.2023张意，康正明，冯宏，等.方位电磁波仪器 PeriScope 水平井煤岩边界探测特性研究J.煤炭科学技术，2023，51（6）：158167.ZHANGYi，KANGZhengming，FENGHong，et al.Explorationcharacteristicsofcoalandrockboundaryinhori-zontal well with Azimuth electromagnetic wave instrument PeriScopeJ.Coal Science and Technology，2023，51（6）：158167.158Anglewithperiodicresponse,frequencyanddelineationofdistanceisnotasimplepositivecorrelation,spacedandoffsetdistancehavepositivecorrelation,Thegeologicalsignalamplitudeincreaseswiththeincreaseofcoallayerthickness,butwhenthethicknessincreasestoacertainvalue,thegeologicalsignaldoesnotchangewiththethickness.Whentheeccentricityislarge,thegeologicalsignalisaffectedbytheeccentricity,andtheazimuthelectromagneticwavemeasurementresponsecanreflecttheresistivitychangeofthegoaf.Resultsshowthatthegeologicalsignaldetectionabilityofthecoalrockboundarybyfrequencyresistivitycontrast,layerthickness,spacing,andavari-etyoffactors,suchaselectromagneticwaveinstrumentPeriscopebearinggeologicalsignalhastheazimuthresolution,canbeusedtosetofcoalrockinterfacedetectionmodelandidentificationofmined-outarea,butinthecaseofsurroundingrockandcoalseamresistivityarehigh,Itisnecessarytoincreasethesourcedistanceoftheinstrumentorselecttheappropriatetransmissionfrequencytomeettherequire-mentsofthemeasurementsignalintensity.Key words:azimuthalelectromagneticlogging；identificationofcoal-rockinterface；horizontalwell；forward；intellectualizationofcoalmine0引言我国煤炭开采方法已经逐步普及自动化并进入智能化开采发展阶段1-2。近年来，我国煤炭开采工况条件和地质环境趋于复杂化，传统的记忆截割法已经无法满足煤层突变工况的开采需要，煤岩界面的预先、精准识别成为实现智能化开采，提高开采效率和降低成本的关键技术之一3-5。目前，“三机”（工作面采煤机、刮板输送机、液压支架）控制精度已达厘米级，但现有煤岩界面探测方法无法满足煤矿开采的精度要求6-7，而在煤岩界面的直接和间接探测方法中，钻孔测量方法由于能直接（穿层孔测量）或间接（顺层孔测量）探测煤岩分界面，且相对其它采前探测方法，测井方法的测量精度较高（能够达到厘米级的界面划分精度），其仪器发展和资料解释对煤岩识别意义重大8。方位电磁波电阻率测井仪在钻孔测量方法中具有一定优势。相对于自然伽马（探测范围浅，约50cm）、密度（对人体有一定的伤害，放射源安全管理复杂，使用不便）9、雷达（目前未发现具有方位分辨能力的孔中装备）、视频方法（测量孔必须穿过煤岩界面）、声波方法（存在声耦合问题，干孔中应用效果较差，且现有声波测井方法很难分辨岩性界面方位）等孔中探测方法，方位电磁波电阻率方法具有探测范围大（根据所使用的源距和频率，探测范围可达330m），能够分辨方位，探测岩性分界面和用于随钻工况环境，其在石油地质导向中取得较好应用效果，但针对煤矿测量环境的方位电磁波研究较少10-11，而相对于油田测量环境，煤田测量环境具有：煤层电阻率高、仪器直径较小、仪器作业的安全要求高等特点。因此，发展适用于煤田测量环境的方位电磁波仪器，能够利用超前钻孔、探放水孔和瓦斯抽放孔探明煤岩分界面，为采煤工作面的透明化提供有力勘探资料。同时能够减少瓦斯突出、水害等地质灾害的发生、提高生产效率和降低生成成本。方位电磁波仪器由常规电磁波仪器发展而来，常规电磁波电阻率仪器由 NL 公司率先提出，其发射和接收均为轴向线圈，不具有方位分辨能力12。2005 年，Schlumberger 公司率先提出了随钻方位电磁波测井仪器 PeriScope，仪器组合使用轴向线圈和倾斜线圈，具有方位分辨和岩性分界面探测能力13。随后各大油服公司也相继推出了各自的方位电磁波测井仪器，如 BakerHughes 公司的 AziTrak，Hallibur-ton 公司的ADR 和Weatherford 公司的GUIDEWAVE等14-18，尽管仪器参数有所不同，但岩性边界探测能力大致相同19。笔者针对煤层电阻率的情况，使用广义反射系数法，以 PeriScope 仪器为基础，分