煤炭地质探测雷达与探地雷达有什么不同吗

地质探测仪。

地质探测仪是一种用于土木建筑工程领域的仪器，于2014年04月11日启用。

主要用于市政管线探测及非开挖探测等方面。也用于建筑、公路、铁路、市政、地质、考古、电力、石化、煤炭、军事与安全、环保等行业

李松臣 刘全民 牛志刚 李增建 孟予萍

（河南省煤炭地质勘察研究院 河南郑州 450052）

作者简介：李松臣，1963年生，男，测井工程师，长期从事煤田测井、煤层气测井工作。

摘要 近年来，随着煤田测井仪器的发展和测井技术的提高，煤田测井队伍进入煤层气勘探开发领域的时机已经成熟。通过在山西某煤层气勘探开发项目的实际应用，煤田测井仪器能够满足煤层气测井的工程技术要求，而且测井时间较短、工作效率高、成本低。

关键词 煤田测井仪器 煤层气 地质成果

Applications of Coalfield Logging in CBM Exploration a nd Development

Li Songchen，Liu Quanmin，Niu Zhigang，Li Zengjian，Meng Yuping

（Henan coal geological surveying ＆research institute，He'nan zhengzhou 450052）

Abstract：In recent years，with development of logging technology and improvement of coalfield logging units，it is right time for the coalfield survey teams to be involved in the field of CBMexploration and development now.The practical applications in Shanxi certain exploration projects showed that coalfield logging can meet the engineering requirements，and logging time is shorter，its efficiency is high，and its cost is low.

Keywords：coalfield logging equipment；CBM；geological effects

引言

在煤矿开采过程中，瓦斯（煤层气）灾害是需要耗费大量的人力、物力进行预防的地质灾害，而且其无效的排放也污染了环境，增加了大气的温室效应。从另一方面来讲，[1]煤层气则是一种洁净能源，其开发利用可以弥补常规能源的不足，因而煤层气的开发利用越来越受到我国政府和企业的重视。

在煤层气的勘探与开发过程中，测井作为一种有效的测试手段亦日趋成熟与完善。[2]煤田测井经过几十年的发展形成了以核、声、电三种测井系列为主的诸多测井方法，解决了煤炭勘查中煤、岩层的定性、定厚问题，同时在孔隙度的解释与利用等方面也取得了较好的成果。但煤田测井仪器能否适应煤层气测井的要求呢？通过在山西某煤层气勘探开发项目的实际应用，不仅能够达到煤层气孔测井的技术要求，而且其效率、效益相对较高。

1 煤层气测井现状

石油系统在天然气的勘探与开发过程中，逐渐形成了较为完善的施工工艺。因而，最初煤层气的勘探与开发，在钻探、测井、固井、压裂、射孔等方面基本参照天然气勘探与开发的工艺技术，在煤层气测井方面，要求获取的参数、资料处理、报告编制亦按照石油测井模式进行。

近年来，随着煤层气勘探开发技术的发展，要求对煤层结构进行精细的划分，天然气测井的一些手段已不能完全满足煤层气测井的要求。在参照石油系统天然气测井技术基础上，煤田测井仪器在煤层气勘探与开发逐步得到了应用和发展，并形成了既不同于常规的煤田测井，又有别于石油天然气测井的技术风格，取得了良好地质效果。

2 煤层气测井技术要求

煤层气的勘探与开发既要求获得煤层本身的地质资料，同时亦要求获得有关煤层气的地质资料。因而，煤层气测井不能等同于煤田地质测井，除严格按照《煤田地球物理测井规范》执行外，又有其特殊性，主要表现在：

2.1 要求孔内结构测量精度高

在煤层气排采过程中，对施工钻孔的结构要求较高，同时要求准确掌握钻孔孔斜、方位以及孔径的变化情况，因而对孔内结构的测量精度要求较高。

2.2 要求检测固井质量

固井质量的高低直接影响着煤层气的排采，因而必须选择相应的测井方法对固井质量进行检测。

2.3 要求提交的地质成果较多

提交的煤层气测井成果，除煤炭地质勘查要求的内容外，同时还要求提交目的煤层的含气量、中子孔隙度及其顶、底板岩层的含水性、渗透性的分析与计算成果。

3 测井方法的选择

煤层气测井既不同于煤田地质钻孔测井，又有别于天然气钻孔测井。根据煤层气测井工程技术要求，选择合理有效的测井仪器和测井方法，获取准确、可靠的地层信息，有利于提高煤层气探采效果。

3.1 测井参数选择

根据煤层气测井工程技术要求和需要解决的地质问题，选择相应测量参数。

（1）在裸眼井中的测井项目有：视电阻率、侧向电阻率、自然电位、自然伽马、补偿密度、中子孔隙度、井径、井斜，根据地质设计要求进行井温测量。

（2）固井质量检测采用声幅测井。

3.2 选择小极距测井探管

采用小极距的测井探管更有利于解决煤层气勘探与开发所需的地质资料，这是因为：

（1）煤层气钻孔施工中，泥浆在孔壁上形成浸入带很小，浸入带对测井参数的影响较小，因而测井仪器井下探测部分的极距排列不需要很大的尺寸。

（2）煤层气施工钻孔所揭露的地层大部分为二叠、石炭系含煤地层，一般情况下煤层结构较为复杂，煤层气测井的主要目的是为了控制目的煤层的深度、厚度和结构。小极距（源距）测井更能精细地解释煤层深度、厚度和结构，有利于指导探采孔施工，提高目的煤层的出气效率。

4 地质成果

4.1 确定煤、岩层的深度、厚度和结构，计算煤层的单位含气量

利用密度、聚焦电阻率、自然伽马、中子孔隙度等测井参数进行综合分析解释，能够较好地完成钻孔剖面的煤、岩层定性、定厚解释。如图 1、3所示，煤层与顶、底板岩层的分层界面在测井曲线上反映清晰、陡直，深、厚度解释成果与钻探取心孔对比误差较小，符合煤层气测井的技术要求。

图1 煤层解释与分析图

利用获得的测井参数进行综合分析，获得的目的煤层单位含气量的预测计算结果与生产井最终排放气量对比，误差在±5%以内。

4.2 检测固井质量

固井质量检测是煤层气勘探开发过程中的一个重要技术环节。由于煤层气孔所揭露的含煤段是硬质基岩，套管外壁与孔壁间距在固井前后发生变化可能性较小。而且在地层裂隙不发育情况下，井液较难渗入地层。所以，采用获取声波首波幅度大小来判断固井质量优劣。如图2所示79m以上为自由套管，79m以下为固井段，固井段数据为15%以下，固井质量良好。

4.3 计算煤层的炭、灰、水含量和砂、泥岩层的砂、泥、水含量

利用密度、天然伽马、中子孔隙度等参数，采用体积模型进行分析计算，可以获得煤层中固定碳、灰分、水分的体积百分比含量（如图1）和砂、泥岩地层中的砂、泥、水体积百分比含量（如图3）。

4.4 确定钻孔的偏斜率和偏移距

依据测斜成果，准确计算钻孔偏斜率和偏移距，绘制钻孔平面投影图和剖面投影图（如图4所示），经实际验证，误差均在5%以内。

5 结语

综上所述，现有煤田测井仪器能够满足煤层气测井工程技术要求；仪器轻便、灵活、组合程度高，测试方法齐全，效率高；资料处理快捷、实用；小极距（小源距）测量方法更有利于解决煤层气勘探开发所需解决的地质问题。另外，国产煤田数字测井仪器生产成本低，可在一定程度上降低煤层气开发成本。

图2 固井质量检测成果图

图3 数学测井综合成果图

图4 钻孔平面投影图

参考文献

[1]苏现波，陈江峰，孙俊民等.2001.煤层气地质学与勘探开发[M].北京：科学出版杜

[2]刘全民.2004.煤成气砂岩储层的测井探测技术[J].焦作工学院学报，23（1）：23～25

给个好评！

磁探测法的实质是，煤层上覆岩石中一般含有大量的菱铁矿及黄铁矿结核，煤层自燃时，上覆岩石受到高温烘烤，其中铁质成分发生物理化学变化，形成磁性物质，并且保留有较强的磁性。烘烤后的上覆岩石的磁性随自燃温度升高而增强。早在60年代我国西北各省就用磁法结合电法勘探煤田火区，取得了一定成果。印度也利用此法确定Jharia煤田的自燃火灾区域范围，得到了十分满意的效果。俄罗斯、乌克兰也曾用此法确定煤田自燃火区范围。从这一方法的实质和目前应用的情况看，磁探测法主要用于煤田火区，而对于生产矿井自燃高温的探测应用较少，这主要是因为：①当自燃火源温度小于400℃时和烘烤时间短时，上覆岩石或煤层中就不能形成较高的磁性；且对于生产矿井而言，要处理的是煤自燃高温区域，自燃煤温较低和烘烤时间短，这样用磁法探测的效果并不理想；②对于生产矿井，井下高温区域周围铁性物质多,磁探测法则无法有效使用。③煤层顶底板和煤中分布的铁质结核不均匀，给磁测法探测自燃火区带来一定困难。

2.2 电阻率探测法〔2〕

正常情况下，埋藏于地下的煤层，沿走向（或其它方向）因其结构状态和含水性变化不大，电阻率基本保持不变。但当煤炭自然发火后，煤层的结构状态和含水性发生较大变化，从而引起煤层和周围岩石电阻率的变化。在自燃的初期，电阻率会下降；在自燃后期，由于煤较充分燃烧，其结构状态发生较大变化，水分基本蒸发掉，表现为较高的电阻率。因此，可根据观测结果比较未自燃区和自燃区的变化情况，判断自燃区域的位置，这就是电阻率法探测自燃发火区域位置的原理。由于煤在自燃的初期，煤电阻率的变化不明显，致使电阻率探测法的探测精度受限；加之井下杂散电流多，用于井下高温区域的探测比较困难，目前国内外多用于露天开采和煤层露头自燃火源的探测。

2.3 气体探测法

煤自燃在不同的温度，其产生的气体种类和浓度是不同的；故根据气体种类和浓度，依次判断煤的自燃温度，并据气体浓度梯度大致确定高温区域的范围。气体确定高温区域范围可在井下或地面进行。

2.3.1 井下气体探测法

通常称为气体分析法，是目前国内外广泛应用的煤炭自燃的预测预报方法。对某矿当煤质一定时，其煤自燃生成的气体组分与温度有一定规律，用仪器或束管监测系统检测煤自燃释放的气体，以确定煤的氧化温度和煤炭自燃区域的可能范围，但它无法知道煤炭自燃的位置和发展变化速度，并且易受井下通风因素的影响。

2.3.2 地面气体探测法

由于煤炭自燃火源区域与地面存在一定的压差和分子扩散，使自燃火源向地面有着气体流动，而在地表层中产生一些有代表性气体是从煤炭自燃点垂直方向放射的，据此在地面可布置测点测量，来判断火源点大致位置。这种方法对于煤层埋藏较深，气体不能扩散至地面，且气体向上运移发生物理化学变化时，就无法使用。

2.4 氡气探测法

氡气探测是一种放射性探测方法，它兼有物探和化探的特点。它的原理是煤层自燃后，随煤温升高，氡气浓度上升，在地面布置观测点，应用α卡法、210Po法等，收集并测量氡气浓度，依此判断火区位置。国内山西矿业学院用此法在地面探测煤矿地下火源，并在古交北沟矿、潞安矿务局石圪节矿进行了成功应用，从应用情况来看，这种方法目前只在地面使用，自燃温度一般超过200 ℃；且用氡气量值也无法判断自燃的燃烧程度及其温度。

2.5 煤炭自燃温度探测法

2.5.1 测温仪表与测温传感器联合测温法

这是目前国内外最为广泛应用的一种方法，兖州矿区东滩煤矿也采用此法测量煤温。据探测地点不同分为地面探测和井下探测。

（1）地面探测法〔3〕。在自燃火区的上部利用仪器探测热流量或利用布置在测温钻孔内的传感器测定温度，根据测取的温度场用温度反演法来确定自燃火区火源的位置。这种方法常用于火源埋藏深度浅、火源温度高，已燃烧较长时间的火区。波兰、俄罗斯曾应用此法探测煤层露头的自燃火区范围，探测深度在30～50 m。

（2） 井下探测法〔4〕。此种方法是把测温传感器预埋或通过钻孔布置在易自燃发火区域(采空区和煤层内)，根据传感器的温度变化来确定高温点的位置、发展变化速度，这种方法受外界干扰少，测定准确，煤温只要升高，传感器位置合适，就能有效探测。这是目前井下准确的探测方法。山东矿业学院已成功地开发了适于井下应用的MKT-Ⅰ，MKT-Ⅱ和MKT-Ⅲ（自动监控）电脑型测温仪，此仪器的最大特点是测定准确，和测定距离长度无关。东滩煤矿应用此法在井下进行了成功的探测。由于测温及时、准确，为高温点的消除起到了积极的作用。

（3） 测温仪表与测温传感器联合测温法的缺陷。尽管此种探测法测定准确、可靠，弥补了上述一些探测方法的不足，但它本身也存在一些问题值得研究：①传感器的布置是探测自燃高温区域的关键，数量、位置准确，就能有效控制自然区域高温点；但这些布置参数受煤体温度场传导速度的限制，由于煤的导温系数较小，要想测取煤体温度，控制自燃位置，就要布置一定数量的传感器；②测温钻孔：要测取煤体温度，就必须在煤体内布置测温传感器，因而就需要测温钻孔，增加了工作量。

2.5.2 红外探测法〔5，6〕

在国内外这一方法已较广泛用于地面煤堆自燃和井下煤炭自燃火源的探测。探测仪器有红外测温仪和红外热成像仪，应用最多的是红外测温仪。俄罗斯采用红外测温仪，美国采用红外测温仪和热成像仪探测煤壁和煤柱自燃温度；国内兖州、开滦、徐州等矿区采用红外测温仪测定井下煤壁温度。红外测温仪是测取点温，红外成像仪是扫描成像测取温度。在国内，红外热成像仪井下没见应用，而在煤田地质调查、地震预报、地下水探测、岩突、岩爆等方面得到了应用。隧道和巷道内由岩石的应力引起的表面0.2 ℃左右的温度变化就可被测到，从而可分析引起灾害的程度。

红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度(0 K)之上，都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式

E=εαT4 (1)

式中 ε——辐射系数，其值为0＜ε＜1，岩石和煤体一般为0.7～0.98，辐射系数受物体化学组 分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响；

α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-12 cm2.K4；

T——物体的绝对温度，K。

从式(1)可看出，物体的温度越高，辐射能量就越大，红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高，因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。

在通常情况下，自然界的红外辐射区域是362K(89℃)至207K(-66℃)，即波长在8～14 μm的大气窗口区域内。 红外技术是探测物体表面的红外辐射温度，它不同于物理温度，物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量(比热、热传导率、比重)等诸多因素；这些因素的任一项微小变化，都会引起红外辐射温度的变化。因此，在排除干扰因素后，提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。

红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场(25°×20°的景物)，通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上(单点扫描式、线阵或面阵排列),转换成电信号，经电路放大、模/数转换、记录并显示，当然还得有一套复杂的处理软件，其结果通常将其视为景物的温度图像，现以TVS-600热像仪为例，在热像仪距景物2 m时，摄得景物面积为：2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向)，在0.97 m×0.71 m内又有320×240个像点，每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm，就是说只要有7.84 mm2面积的热异常(大于0.15℃)就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙，微气孔的热传导、热对流和热扩散，使表面局部产生温度变化，从而观测到红外辐射温度异常，故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。

另外，非致冷的面阵探测器(红外敏感元件)是当今红外科学发展的新贡献，它给行业使用带来了方便，就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机(小型循环致冷)，同时减少了噪声、耗电量和重量。

1，在水利水电领域的应用：用于堤坝工程选址调查和工程隐患探查，成功应用于江岸边坡塌陷调查，堤坝裂缝调查，动物洞穴探查，坝基勘察，渗漏调查等。

2，在地质工程岩土勘察领域的应用：主要用于建筑物地基处理，地基勘察，边坡稳定调查，基岩面探测，溶洞采空区调查，地基夯实检测，地质结构灾害，地下水检测等。

3，在采矿工程领域的应用：用于探测采空区，陷落区，断层碎裂带，渗水区，围岩松动和采场填充调查等。

4，在机场公路隧道领域的应用：检测机场公路隧道的质量检测，病害诊断，

5，在考古冰川环境等科研领域的应用：主要用于进行地下古墓探查，冰川厚度调查，垃圾掩埋体调查等。