方位电磁波仪器PeriSc...水平井煤岩边界探测特性研究_张意.pdf
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1、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
2、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
3、、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 w
4、ave 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 I
5、nstitute,Beijing 100101,China;4.China Petroleum Grouplogging Co.Ltd,Xian 710077,China)Abstract:Incoalmineproduction,advanceandpreciseidentificationofcoal-rockinterfacecanimproverecoveryandreduceminingrisk,whichisoneofthebottlenecktechnologiestorealizeintelligentcoalmining.Azimuthelectromagneticwavel
6、ogginginstrumenthaslargerdetectingdepthandtheazimuthresolutionability,whichhasacertainadvantageincoal-rockinterfacedetection,inordertostudytheoiltheapplicabilityoftheazimuthelectromagneticwaveinstrumentPeriscopeincoalfieldwelllogging,coalloglevellayeredformationmod-elwasestablished,usingthegeneraliz
7、edreflectioncoefficientmethodandfiniteelementnumericalsimulationmethod,TakingPeriscopeasanexample,thedetectioncharacteristicsofcoalseamboundaryareinvestigated.ApplicationofPeriscopeinstrumenttransmittingfre-quencyandspacing,setitsinstrumentradiusdrillpiperadiusofthecommonlyusedforcoalmine,thesimulat
8、ionresultsshowthatthegeologicalresponseinlinewiththetypicalcharacteristicsofsignalsintheinterface,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(
9、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 wel
10、l with Azimuth electromagnetic wave instrument PeriScopeJ.Coal Science and Technology,2023,51(6):158167.158Anglewithperiodicresponse,frequencyanddelineationofdistanceisnotasimplepositivecorrelation,spacedandoffsetdistancehavepositivecorrelation,Thegeologicalsignalamplitudeincreaseswiththeincreaseofc
11、oallayerthickness,butwhenthethicknessincreasestoacertainvalue,thegeologicalsignaldoesnotchangewiththethickness.Whentheeccentricityislarge,thegeologicalsignalisaffectedbytheeccentricity,andtheazimuthelectromagneticwavemeasurementresponsecanreflecttheresistivitychangeofthegoaf.Resultsshowthatthegeolog
12、icalsignaldetectionabilityofthecoalrockboundarybyfrequencyresistivitycontrast,layerthickness,spacing,andavari-etyoffactors,suchaselectromagneticwaveinstrumentPeriscopebearinggeologicalsignalhastheazimuthresolution,canbeusedtosetofcoalrockinterfacedetectionmodelandidentificationofmined-outarea,butint
13、hecaseofsurroundingrockandcoalseamresistivityarehigh,Itisnecessarytoincreasethesourcedistanceoftheinstrumentorselecttheappropriatetransmissionfrequencytomeettherequire-mentsofthemeasurementsignalintensity.Key words:azimuthalelectromagneticlogging;identificationofcoal-rockinterface;horizontalwell;for
14、ward;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
15、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
16、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
17、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,分析了其线圈系组合在煤田测量环境中受电阻率对比度、频率、源距、层厚等因素的影响;并使用有限元方法,分析了 Peri-Scope 仪器受煤田测井环境中的孔中流体的影响和仪器对采空区探测性能。1岩性边界探测
18、原理1.1方位电磁波探测原理R1R2VR1VR2PeriScope 方位电磁波电阻率仪器结构示意图如图 1 所示,仪器的两种线圈系能够测量地质信号(也即岩性分界面信号)和电阻率信号,通过计算电磁信号衰减来反应地层电阻率和岩性变化。其中电阻率信号由轴向发射线圈 T 和轴向接收线圈和组成,电磁波信号的衰减与地层电阻率有关,通过测量 2个接收处的电势和,将其转化为幅度比和相位差后可计算地层电阻率,计算公式如下:Att=20lgRe(VR1)2+Im(VR1)2Re(VR2)2+Im(VR2)2(1)PS=tan1Im(VR1)Re(VR1)tan1Im(VR2)Re(VR2)(2)张意等:方位电磁波
19、仪器 PeriScope 水平井煤岩边界探测特性研究2023年第6期159AttPSReIm式中:为幅度比,dB;为相位差,();为取电压的实部信号,V;为取电压的虚部信号,V。1212地质信号由轴向发射线圈 T 和倾斜/径向接收线圈 R 组成(例如图 1 中的 T5和 R4),测量时发射线圈中通以交变电流,交变电流在周围介质中产生交变电磁场,交变电磁场在岩性界面处产生积累电荷并形成附加电磁场,附加电场在接收线圈中产生感应电流从而能够被测量,且接收线圈在仪器沿轴线旋转到不同角度时的法相方向不同,其测量的附加电场的强度也不同,实现对地层界面方位的分辨。在使用倾斜线圈或径向线圈测量地质信号时,较为
20、常用的一种方法是测量倾斜线圈在仪器沿轴线转动到不同方位角和(或称工具面向角,和可取 0和 180)时的接收电动势,将其转化为幅度比和相位差地质信号,计算公式如下:AttGeo=20lgRe(V1)2+Im(V1)2Re(V2)2+Im(V2)2(3)PSGeo=tan1Im(V1)Re(V1)tan1Im(V2)Re(V2)(4)AttGeoPSGeo式中:为幅度比地质信号,dB;为相位差地质信号,()。1.2方位电磁波典型响应特征UCD为研究 PeriScope 仪器在煤层水平井中的探测特性,建立如图 2 所示的地层模型(其中,为井斜角,为顶板电阻率,为煤层电阻率,为底板电阻U=D=20C=
21、150=0,45=85率),并使用参数:发射匝数 NT=100 匝,接收匝数NR=100 匝,线圈半径 r=0.035m,发射频率 f=0.4MHz,顶底板电阻率m,煤层电阻率m。电阻率信号使用:井斜角,85 度,源距 LTR1=0.889m(35in)和 LTR2=1.0922m(43in);地质信号使用井斜角,源距 LTR=2.4384m(96in)(1in=0.0254m)。使用广义反射系数法计算的电阻率信号响应结果如图 3 所示,幅度比和相位差曲线在远离界面时为恒定值,且高阻煤层幅度比响应值小于低阻顶、底板,高阻煤层相位差响应绝对值小于低阻顶、底板;在井斜角较大时,相位差响应信号在界面
22、处出现“犄角”;井斜角对电阻率信号影响可以忽略不计。地质信号模拟结果如图 4 所示,远离界面位置的地质信TR1R2TR45电阻率信号地质信号井口方向43.5222234842245349612199.56131212229.5R4T4T2T6T2T1T1T3T5R374.59684单位:in(1 in=0.025 4 m)图1Periscope 仪器结构尺寸20Fig.1Periscopeinstrumentconstructiondimensions20煤层顶板底板UCD井眼轨迹图2三层地层模型Fig.2Three-layersstratigraphicmodel10505101520深度/
23、m10505101520深度/m5.355.365.375.385.395.405.415.425.43幅度比/dBD=20 mC=150 mU=20 mD=20 mC=150 mU=20 m=0=45=85=0=45=852.01.51.00.500.5相位差/()图3电阻率信号响应特征Fig.3Responsecharacteristicsofresistivitysignal2023年第6期煤炭科学技术第51卷160号幅度比和相位差响应值都接近 0,仪器越接近岩性分界面响应幅值越大,在仪器到达岩性分界面处时幅值达到最大值,且由低阻进入高阻时,幅度比和相位差响应值为正值,由高阻进入低阻时,
24、幅度比和相位差响应值为负值。可以根据地质信号的响应幅值大小,量化反演仪器与界面的距离。10505101520深度/m10505101520深度/mD=20 mC=150 mU=20 mD=20 mC=150 mU=20 m0.50.40.30.20.100.10.20.30.40.5幅度比/dB=85=8515105051015相位差/()图4地质信号响应特征Fig.4Responsecharacteristicsofgeologicalsignal2PeriScope 仪器探测性能分析目前,未发现针对煤田测井环境设计的商用方位电磁波电阻率测井仪器,为分析方位电磁波测井在煤田测量环境中的探测特
25、性,使用商用石油电磁波测井仪器 PeriScope 参数,在煤田测量环境中,分析不同影响因素对测量响应的影响,研究适合煤层使用的电磁测量仪器参数设计。2.1方位探测性能SCS=20C=150=如图 1 所示,PeriScope 方位电磁波仪器存在两种线圈系组合方式,为分析其对煤岩界面的方位分辨能力,建立如图 5 所示的两层地层模型,图中为围岩电阻率,为煤层电阻率,为井斜角,使用参数:发射匝数 NT=100 匝,接收匝数 NR=100 匝,线圈半径r=0.035m,发射频率 f=0.4MHz,围岩电阻率m,煤层电阻率m,井斜角0、45、85,仪器沿轴线旋转的方位角度(也称方位面向角)0360,电
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