一種超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法
2023-10-24 18:16:37 3
專利名稱：一種超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法
技術領域：
本發明涉及一種超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法，應用於利用超小口徑工程鑽孔進行巖性探測的各類場合，如煤礦井下錨網支護、地面隧道錨索施工中的各類錨索孔等， 以定量判別小口徑鑽孔中地層分層厚度與基本巖性，為工程施工提供基本的地質依據。本方法也可應用於其它口徑鑽孔中。
背景技術：
近年來，隨著井巷施工技術的發展，錨網支護技術已被廣泛應用於煤礦巷道、地面隧道施工中。施工圍巖巖性直接影響著錨網支護措施的制定，對施工安全、施工成本及施工效率起到決定性的作用。如果能利用錨索孔之類的小口徑鑽孔(隨巷道施工在巷道頂部， 一般孔徑^mm或32mm，深度8m_20m)對不斷變化的巷道頂部巖性進行探測，可以節省施工專門探測鑽孔(需布置專門的供電供水設備、施工鑽窩、孔徑大於45mm、造價高)的成本及避免由此產生的對正常巷道施工的影響，對於工程施工有著重要實際意義，也是多年來尚未解決的技術難題。目前，在地質勘探中對常規鑽孔進行地層巖性探測常規做法一是利用物探測井手段，並已經成為行業標準。常規地質鑽孔的孔徑一般大於45mm，由於其孔徑較大可以利用多種測井手段(如自然伽馬、自然電位、密度、視電阻率、雙收時差、井徑等)探測，通常規定必須四種以上參數才能準確判斷地層巖性。然而，對超小口徑鑽孔(孔徑小於36mm)進行巖性探測而言，由於當前技術條件限制，絕大多數測井參數的儀器設計尺寸不能設計到足夠小型化，上述多種參數綜合測井確定巖性的探測方法就不能實現。另一種鑽孔巖性探測方法是在鑽孔施工時鑽頭加裝巖芯管取巖芯(成本高、受採取率限制)，這對於超小口徑鑽孔而言巖芯管直徑還不能小到如此程度，也不能用此方式實現對其探測。視頻攝像技術在鑽孔探測方面是一種新型技術，具有可視化、直觀特點。隨著攝像解析度提高和攝像設備的微型化，視頻攝像技術的已經能夠在超小口徑孔中使用。但在巖層巖性識別方面有明顯不足之處(1)受人眼識別能力與鑽孔施工質量影響大(井壁光滑度、巖層軟硬等)，僅憑照片或視頻不能很好地區分相近巖性，如粉砂巖、泥巖。( 受拍攝條件限制(拍攝角度、光線、鑽孔介質、鑽孔淋滴水)，視頻或照片的判讀差異會很大。由於受上述限制，只根據視頻攝像技術對小口徑鑽孔進行巖性識別與厚度定量精確分層不能實現。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法，採用自然伽馬物探測井技術採集巖層核放射特性，並使用電子視頻攝像技術進行孔壁視頻錄像與拍攝照片，進行鑽孔深度同步數據處理，進而這些數據進行綜合判斷實現對超小口徑鑽孔巖性識別與巖層厚度的定量劃分，為井巷工程及其它利用超小口徑鑽孔進行地層巖性探測的應用提供技術手段。
為實現上述目的，本發明採用以下技術手段—種超小口徑鑽孔巖性探測系統，包括鑽孔數據採集模塊，所述鑽孔數據採集模塊包括金屬外殼探頭及設置於金屬外殼探頭內的攝像單元和自然伽馬單元；所述攝像單元設置於金屬外殼探頭的頂部；所述攝像單元包括設置於金屬外殼探頭頂部的垂向攝像頭或設置於金屬外殼探頭側壁的側向攝像頭或者二者結合。所述金屬外殼探頭的直徑小於或等於^mm。所述探測系統還包括深度計數與機械傳送模塊，用於完成時間與深度同步數據的採集，以及完成對鑽孔數據採集模塊的機械輸送；數據處理與巖性判別模塊，完成視頻、 數字照片、自然伽馬原始數據的收集並與深度數據同步，通過對這些數據的判讀完成巖層巖性識別與厚度定量劃分，繪製、輸出鑽孔巖性柱狀圖。所述探測系統還包括給攝像單元和自然伽馬單元供電的電源模塊。一種超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，包括以下步驟1)原始數據採集通過深度計數與機械傳送裝置將鑽孔數據採集模塊按照均勻的速度送入小口徑孔中，按照設定的同步採集時間設置，完成從孔口到孔底全部鑽孔深度的垂向視頻/照片、側向視頻/照片、自然伽馬及深度數據採集；2)數據初步處理對步驟1)採集的數據通過數據處理與巖性判別模塊C3)進行數據收集，利用深度數據對步驟1)採集的垂向視頻/照片、側向視頻/照片、自然伽馬數據進行深度、時間同步，使視頻、照片、自然伽馬與採集深度、時間對應；3)巖性與分層厚度確定(1)利用自然伽馬劃分出地層分層，並根據自然伽馬曲線與垂向視頻/照片、側向視頻/照片共同判斷其巖性，確定其厚度；(2)對判斷完成的分層結果，按照比例尺繪製鑽孔巖性柱狀。步驟幻還包括以下步驟(3)將巖性柱狀輸出成圖片或CAD格式。步驟幻中對每一個分層同步播放等深度的垂向、側向視頻/照片，同時利用垂向視頻井徑變化，結合自然伽馬和砂泥比曲線特徵，驗證分層巖性正確性。視頻中若顯示孔壁較為整齊、大顆粒突出不多或很少、有鑽頭鑽進時留下的黑色螺旋狀條帶、巖層細層很明顯，此時可以判斷為孔徑擴大，由此可以初步判斷為粉砂質泥巖、粉砂巖或泥巖；而當視頻出現明顯的凸凹不平、大顆粒狀物質出現較多時，可以判斷為孔徑在縮小，由此可以初步判斷為砂巖、石灰巖巖性。井壁不完整且呈黑色為煤層，井壁完整且呈灰色為石灰巖，井壁出現明顯顆粒狀且呈淺灰色或灰色為砂巖。就當前技術條件而言，本發明涉及的微型攝像與自然伽馬裝置測井儀器元器件的設計實現，已經能夠滿足超小口徑鑽孔探測的需要。本發明方法的基本原理如下首先，利用自然伽馬測井技術對鑽孔所揭露巖層的多數層位進行巖性確定，同時定量確定分層厚度。自然伽馬在地質勘探中是一種重要的測井方法，屬於放射性測井方法之一。放射性測井是唯一能夠確定巖石及其孔隙流體化學元素含量的測井方法。它根據巖石及其孔隙流體和井內介質的核物理性質，來確定巖石類型，研究鑽井地質剖面。自然伽馬既可在裸眼井又可在套管井內進行測量；測量結果不受井內介質的限制。對於沉積巖尤其是煤系地層來講，自然伽馬可以很好地用於區分巖性、地層分層厚度的準確定量劃分、計算地層的泥質含量(計算出「砂泥比」)。定量計算巖層厚度的理論依據是自然伽馬曲線具有如下特性1.上下圍巖的放射性含量相同時，曲線關於地層重點對稱；2.高放射性地層，對著地層中心曲線有一極大值，並隨地層厚度的增加而增大。厚度大於三倍的井徑時，極大值為常數，此時只與巖石的自然放射性強度成正比，且由曲線的半幅點確定的地層厚度為真厚度。其次，結合電子攝像技術，確定自然伽馬不能區分的其餘巖層巖性，並且二者相互驗證並彌補單一技術的不足。如前所述，依靠單一自然伽馬測井參數尚且不能區分一些物性相近的巖層巖性(但可以準確分層、確定層厚)，這些巖層主要是砂巖、煤層、石灰巖它們在曲線特徵上都具有低自然伽馬，憑藉自然伽馬三者不能區分，需要配合其他手段進一步確定。本發明利用電子攝像技術與自然伽馬測井配合，可以區分三者之間的物性差別，從而分辨巖性。電子攝像技術的具體應用機理為1)利用具備微距效果的高解析度微型攝像頭(或攝像機)，在鑽孔內拍攝沿鑽孔方向(稱之為「垂向視頻」)和垂直鑽孔方向(稱之為「側向視頻」或「側向照片」)的孔壁視頻和照片。採用多於一個方向的拍攝可以有效避免因為拍攝角度、淋滴水導致的對識別效果的影響。2)利用「深度計數與機械傳送模塊」採集的深度數據，對視頻和照片進行深度、時間數據標識處理，如在視頻、照片上標識出當前鑽孔深度。3)將視頻/照片與自然伽馬曲線同深度數據進行對比對於自然伽馬確定的層位巖性可以在視頻或照片上進行進一步確認和驗證；對上述三種不易區分的巖性的區分可以在測井曲線上可能的煤層、石灰巖、砂巖層位觀察同深度的視頻或照片，三者有著明顯的視覺差異煤層呈黑色且井壁不完整，石灰巖呈灰色且井壁完整，砂巖呈淺灰色或灰色且井壁出現明顯顆粒狀。從而可以分辨出自然伽馬不能識別的部分巖性。在確定巖性的基礎上， 利用自然伽馬準確劃分出巖層厚度。4)垂向視頻能夠反映鑽孔「井徑」變化。與常規鑽孔類似，超小口徑鑽孔施工中， 當鑽頭鑽進到硬質巖層(如砂巖、石灰巖、火成巖)時，孔徑會縮小；而當鑽頭遇到軟巖層 (如泥巖、粉砂質泥巖、煤層)時，孔徑就會變大；在巖性變化處往往井徑會發生變化。5)判斷「井徑」變化，視頻中若顯示孔壁較為整齊、大顆粒突出不多或很少、有鑽頭鑽進時留下的黑色螺旋狀條帶、巖層細層很明顯，此時可以判斷為孔徑擴大(視覺也可感受到孔徑在擴大)，由此可以初步判斷為粉砂質泥巖、粉砂巖或泥巖；而當視頻出現明顯的凸凹不平、大顆粒狀物質出現較多時，可以判斷為孔徑在縮小(視覺也可感受到孔徑在縮小)，由此可以初步判斷為砂巖、石灰巖巖性。這樣，與自然伽馬曲線配合相互驗證和彌補技術手段上的不足，可以基本解決超小口徑鑽孔巖性探測問題。利用視頻攝像技術與常規主要測井技術之一的自然伽馬探測技術相結合的方式可以基本解決小口徑鑽孔巖性探測問題。它是在利用自然伽馬來定量劃分巖層厚度、區分主要巖性(砂巖類、泥巖類)結合視頻攝像技術的可視化、直觀性來共同實現巖層巖性的定量識別。本發明超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法至少具有以下優點本發明對超小口徑鑽孔探測巖性與分層厚度，主要是針對常見的沉積巖地層而言，能夠區分沉積地層的主要巖性如粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、鋁土泥巖、碳質泥巖、煤層、灰巖、 火成巖等巖性及其分層厚度。如果能配合一個臨近區域的地質勘查鑽孔(取芯，孔徑大於45mm)或已揭露的地層資料作為巖性識別的標準參考，將可以區分更多的巖層巖性，效果也將更準確。
圖1為本發明探測系統的結構示意圖；圖2為本發明探測系統的探測方法的具體實施步驟示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法做詳細描述本發明探測系統結構設計可以參考常規測井儀器的機理，總體設計可以採用「存儲式」(在採集數據時儀器不對數據進行處理和顯示，數據在採集完成後另有專門程序處理)、「直讀式」(儀器同時具備採集和處理原始數據功能，在現場能看到結果)或二者混合模式。本發明在此給出的系統圖是「存儲式」的，如圖1所示，系統包括鑽孔數據採集模塊 1、深度計數與機械傳送模塊2、數據處理與巖性判別模塊3三部分組成。其中鑽孔數據採集模塊1 集成了電子視頻攝像單元11、自然伽馬採集單元13、控制單元15、電源單元17 (各單元的放置順序可以根據需要調整)，設計在一個直徑足以進入超小口徑鑽孔的金屬外殼探頭(探測錨索孔的探頭直徑一般小於26mm)中，用於完成對鑽孔井壁視頻、數字照片及地層自然伽馬數據的採集。此模塊進一步說明如下1)探測超小口徑鑽孔的探頭直徑一般要小於超小口徑鑽孔直徑2mm以上，以便可以順利進出；2)攝像單元一般採用垂向、側向兩路設計(至少一路視頻)。垂向視頻可以全方位觀測井壁巖性情況，反映「井徑」變化。採集數據可以集中存儲到一個存儲器或分別存儲。 如果採用「直讀式」或複合設計，在探頭中可以只安裝攝像頭，攝像與顯示控制電路可以放置到深度計數與機械傳送模塊2中。3)只有一路垂向拍攝功能設計容易受到鑽孔中滴水影響而達不到預期效果，另一方面垂向拍攝的視頻或照片拍攝角度，不符合人的視覺觀察習慣。4)側向視頻則可以有效防止鑽孔中滴水影響，並且直觀反映井壁巖性變化，符合人的視覺習慣。側向視頻採集也可以換成側向數字照片拍攝，二者選一。5)自然伽馬單元用於採集地層自然伽馬放射性數據。採集數據可以單獨存儲也可與上述視頻數據統一存儲。6)控制單元用於對整個探頭操作的電路控制，如總電源開關等。如果採用「直讀式」或複合設計，控制單元可以綜合設計在深度計數與機械傳送模塊2中。7)電源模塊負責給探頭部分的電路供電，如果採用「直讀式」或複合設計，電源可以設計在深度計數與機械傳送模塊2中。深度計數與機械傳送模塊2 使用成熟的深度數據採集技術(如馬盤計數器)完成時間與深度同步數據的採集，以及完成對數據採集模塊的機械輸送；如果採用「直讀式」 或複合設計，本模塊可以集成數據顯示(如顯示視頻/照片)、總體控制電路單元(如開始、 復位等)、集中存儲單元、集中供電單元等功能。數據處理與巖性判別模塊3 完成視頻、數字照片、自然伽馬原始數據的收集並與深度數據同步，計算砂泥比，在此基礎上根據完成巖層巖性識別與厚度定量劃分，輸出鑽孔巖性柱狀圖功能。如圖2所示，本發明對超小口徑鑽孔巖性探測系統，包括如下步驟1)現場數據採集通過深度計數與機械傳送裝置2將鑽孔數據採集模塊1 (即儀器探頭)按照基本均勻的速度送入小口徑孔中，按照設定的同步採集時間設置，完成從孔口到孔底全部鑽孔深度的垂向視頻、側向視頻/照片、自然伽馬及深度數據採集；採集數據可以集中存儲到一個存儲單元，或分別進行存儲。2)數據初步處理對採集的數據通過數據處理與巖性判別模塊3進行數據收集， 需要處理的數據包括深度同步數據、側向/垂向視頻、側向數字照片、自然伽馬。處理內容包括利用深度數據對視頻/照片、自然伽馬進行深度時間同步(在測井技術中常稱之為 「數據刻度」)，使視頻、照片、自然伽馬與深度時間有精確的對應關係，視頻、照片必要時進行適當剪輯。如果側向拍攝獲取的是照片，可將每個深度刻度對應的照片進行拼接，生產一個完整的井壁長照片。3)巖性與分層厚度確定對上述處理完畢的數據首先利用自然伽馬數據生成自然伽馬曲線，利用該曲線並結合視頻進行綜合判別，繪製出巖性柱狀剖面。巖性與分層厚度判讀過程如下(1)利用自然伽馬，劃分出地層分層並初步判斷其巖性，對每一個分層同步播放等深度的垂向、側向視頻(照片)，同時利用垂向視頻可以判斷大致「井徑」變化，結合曲線特徵，驗證分層巖性正確性，在確定巖性正確判斷後，確定其厚度。(2)對上述判斷完成的分層厚度，按照比例尺(如1 200/1 500)繪製鑽孔巖性柱狀。(3)如有需要將巖性柱狀輸出成圖片(位圖、jpg)保存或輸出CAD格式。以上所述僅為本發明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案採取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種超小口徑鑽孔巖性探測系統，其特徵在於，包括鑽孔數據採集模塊(1)，所述鑽孔數據採集模塊(1)包括金屬外殼探頭及設置於金屬外殼探頭內的攝像單元和自然伽馬單元；所述攝像單元設置於金屬外殼探頭的頂部；所述攝像單元包括設置於金屬外殼探頭頂部的垂向攝像頭或設置於金屬外殼探頭側壁的側向攝像頭或者二者結合。
2.如權利要求1所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統，其特徵在於所述金屬外殼探頭的直徑小於或等於26mm。
3.如權利要求1所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統，其特徵在於所述探測系統還包括深度計數與機械傳送模塊O)，用於完成時間與深度同步數據的採集，以及完成對鑽孔數據採集模塊(1)的機械輸送；數據處理與巖性判別模塊(3)，完成視頻、數字照片、自然伽馬原始數據的收集並與深度數據同步，通過對這些數據的判讀完成巖層巖性識別與厚度定量劃分，繪製、輸出鑽孔巖性柱狀圖。
4.如權利要求1所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統，其特徵在於所述探測系統還包括給攝像單元和自然伽馬單元供電的電源模塊。
5.如權利要求3所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，其特徵在於，包括以下步驟1)原始數據採集通過深度計數與機械傳送裝置( 將鑽孔數據採集模塊(1)按照均勻的速度送入小口徑孔中，按照設定的同步採集時間設置，完成從孔口到孔底全部鑽孔深度的垂向視頻/照片、側向視頻/照片、自然伽馬及深度數據採集；2)數據初步處理對步驟1)採集的數據通過數據處理與巖性判別模塊C3)進行數據收集，利用深度數據對步驟1)採集的垂向視頻/照片、側向視頻/照片、自然伽馬數據進行深度、時間同步，使視頻、照片、自然伽馬與採集深度、時間對應；3)巖性與分層厚度確定(1)利用自然伽馬劃分出地層分層，並根據自然伽馬曲線與垂向視頻/照片、側向視頻/照片共同判斷其巖性，確定其厚度；(2)對判斷完成的分層結果，按照比例尺繪製鑽孔巖性柱狀。
6.如權利要求5所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，其特徵在於，步驟3) 還包括以下步驟(3)將巖性柱狀輸出成圖片或CAD格式。
7.如權利要求5所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，其特徵在於，步驟3) 中對每一個分層同步播放等深度的垂向、側向視頻/照片，同時利用垂向視頻、側向視頻判讀井徑變化，結合自然伽馬，驗證分層巖性正確性。
8.如權利要求7所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，其特徵在於，視頻中若顯示孔壁較為整齊、大顆粒突出不多或很少、有鑽頭鑽進時留下的黑色螺旋狀條帶、巖層細層很明顯，此時可以判斷為孔徑擴大，由此可以初步判斷為粉砂質泥巖、粉砂巖或泥巖； 而當視頻出現明顯的凸凹不平、大顆粒狀物質出現較多時，可以判斷為孔徑在縮小，由此可以初步判斷為砂巖、石灰巖巖性。
9.如權利要求7所述的超小口徑鑽孔巖性探測系統的探測方法，其特徵在於，井壁不完整且呈黑色為煤層，井壁完整且呈灰色為石灰巖，井壁出現明顯顆粒狀且呈淺灰色或灰色為砂巖。
全文摘要
本發明提供了一種超小口徑鑽孔巖性探測系統與方法，該探測系統包括鑽孔數據採集模塊，所述鑽孔數據採集模塊包括金屬外殼探頭及設置於金屬外殼探頭內的攝像單元和自然伽馬單元；所述攝像單元設置於金屬外殼探頭的頂部；所述攝像單元包括設置於金屬外殼探頭頂部的垂向攝像頭或設置於金屬外殼探頭側壁的側向攝像頭或者二者結合。本發明對超小口徑鑽孔探測巖性與分層厚度，主要是針對常見的沉積巖地層而言，能夠區分沉積地層的主要巖性如粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖、泥巖、鋁土泥巖、碳質泥巖、煤層、灰巖、火成巖等巖性及其分層厚度。
文檔編號E21B47/002GK102400672SQ20111034388
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月3日 優先權日2011年11月3日
發明者姚頑強, 馬慶勳 申請人:西安科技大學