煤田测井方法和原理(煤田伽玛伽玛测井——历经五十年生产考验的好方法)

煤田测井方法和原理(煤田伽玛伽玛测井——历经五十年生产考验的好方法)

煤田伽玛伽玛测井——历经五十年生产考验的好方法

张玉君

在这个论文集准备工作即将结束时，我迫切想知道煤田伽玛伽玛测井自从1958年底向全国推广以来，漫长五十年的历史评价。通过电话访问了原地质部（现国土资源部）和原煤炭部（现煤炭建筑协会）长期负责煤田测井管理工作的三位老同志：原地质部物探局的曾繁超、原煤炭部地质处的叶庆生和段铁梁，他们对煤田伽玛伽玛测井的历史评价概括起来有三句话：

*广大煤田测井工作者，将伽玛伽玛测井曲线誉为煤田划分煤层的王牌曲线；

*迄今尚未有哪个方法在效果上能超过伽玛伽玛（密度）测井方法在煤田测井中的作用；

*煤田伽玛伽玛测井自推广后的五十年间，始终是煤田测井最重要的方法。

这三点评价令我无比欣慰，一种新方法得到如此评价，实属不易，分析起来，可归为以下重要因素：

一、物理、地质前提可靠

1956年夏我即将进行毕业实习，那时我将成为前苏联斯维尔德洛夫矿业学院（现俄罗斯乌拉尔矿业大学）第一个中国留苏毕业生，因此受到物探系领导格外重视，特为我选择了刚刚获得初步实验成功的煤田伽玛伽玛测井方法进行毕业实习，地点在车里雅宾斯克（Челябинск）地区的苏高雅克（Сугояк）煤田。该方法是由前苏联科学院乌拉尔分院的布拉舍维奇（Ю.П.Булалевич）院士和沃斯考保依尼考夫（Г.М.Воскобойников）研究员提出，于1955年开始在该煤田进行方法实验，行前我走访了他们，对方法的物理－地质原理做了了解。

煤层与构成煤田地层各种岩石最大、最稳定的物性差异是密度，见表1。

表1　煤田地层各种岩石的密度

能够反映这一物性差异的物理效应，科学家们想到了散射伽玛射线。伽玛射线与物质的相互作用，主要产生光电效应、康普顿散射效应（我国称之为康普顿－吴有训效应）和电子对形成。这三种效应在全部与物质的相互作用中各自所占比例取决于伽玛射线的能量，对于不同能量区间的伽玛射线，总有一个起主导作用的效应。当伽玛射线的能量小于几万电子伏时，主要是光电效应；大于5兆电子伏时，主要是形成电子对；而对于中等能量（0.15～5兆电子伏）的伽玛射线与轻元素物质的作用主要为康普顿－吴有训效应，其作用过程表现为伽玛射线与原子中的电子的弹性碰撞，即康普顿散射。伽玛射线的能量在0.6～4兆电子伏范围内，康普顿散射总是占优势的。

康普顿－吴有训效应引起的伽玛射线的吸收可用散射吸收系数σ来表示：

张玉君地质勘查新方法研究论文集

式中：A为原子的质量数；

Z为原子序数；

N_o为阿佛加特罗常数，即6.2486×10²³克分子^－1；

δ为密度；

σ_e为每个电子的康普顿吸收系数，当伽玛射线能量在0.25～2.5兆电子伏范围内，σ_e可视为常数；

为单位体积中的电子数，即电子密度。

由此可见，康普顿散射的吸收系数与物质的电子密度，从而也就近似地与物质的密度δ成正比。

以上公式是针对单一原素的物质，但实际上却要面对复杂成分的物质。对多元素组成的物质，其电子密度为

张玉君地质勘查新方法研究论文集

式中：δ_b为物质的体积密度；

A为等效原子量；

Z为等效原子序数（即每个分子的电子数）；

n为组成该物质的元素种类数；

A_i为第i种元素的原子量；

Z_i为第i种元素的原子序数；

P_i为第i种元素在该物质中所占的重量百分比。

我们知道，大多数造岩矿物元素的

接近

，于是（1）式（对于造岩矿物元素）可写为

；而对于构成沉积岩的大多数元素来说，原子序数在1～20之间，其岩石的

也接近于

’考虑到这一点，并将多元素物质的电子密度公式（2）代入式（1），便得到

，其意义是，一般岩石的康普顿－吴有训效应引起的伽玛射线散射吸收系数近似地正比于该岩石的体积密度。

这一结论正是煤田伽玛伽玛测井方法的物理基础，由于煤层的密度与围岩的密度差＞或＝1克/厘米³，使得煤层在伽玛伽玛测井曲线上有稳定的高峰出现，见乌拉尔某煤田的典型曲线（图1）。

二、两个煤田的成功实验

1956年8月原地质部访苏代表团来到斯城，原物探局总工顾功叙先生参观了我校物探系，系主任伊万诺夫博士接待时（我有幸被系主任指定作陪），特向他介绍了乌拉尔科学分院的最新研究成果——煤田伽玛伽玛测井，以及我的学习成绩和在毕业实习中的收获；这些促成物探所1957年刚一成立，兼任所长顾功叙先生便决定开展煤田伽玛伽玛测井的实验。

地质部物探所504实验队1957年（蓝本洁为队长，张玉君、周长森、张桂苑、叶振民、黄铸仁等参加）在安徽濉溪煤田（褐煤）、1958年又与煤炭科学研究院地质所密切合作（张玉君为队长，朱诚仁、周长森、叶振民、黄铸仁等参加）在河北峰峰煤矿（烟煤和无烟煤）开展了以伽玛伽玛（密度）测井方法为主的综合测井（还包括自然伽玛测井、电阻率测井、自然电位测井、电解测井、井径测量等）试验，特别是对伽玛伽玛测井的技术参数（源强、源距、提升速度、时间常数、计数管数目、铅屏蔽位置等）进行了选择实验研究，取得良好效果。充分证明伽玛伽玛测井方法是划分煤、岩层独特而有效的方法，为煤田测井划分煤层，进行煤、岩层对比和测井剖面综合分析提供了新参数。

图1　乌拉尔某煤田（高阻褐煤）伽玛伽玛测井和电流测井曲线图

1－角砾岩；2－沙岩；3－粉砂岩；4－泥质岩；5－含煤泥质岩；6－煤

虽然自1955年开始电测井就在煤田勘探中得到应用，但是电测井常常不能有效地解决煤层的正确划分问题。例如当遇到高阻煤层与高阻石灰岩接触、高阻煤层中有高阻夹矸、低阻煤层与低阻泥岩、砂岩或砂质泥岩接触、低阻煤层中有低阻夹矸等情况时，用电阻率曲线就难以解决煤层的正确划分，所以散射伽玛测井此时成为划分煤、岩层不可缺少的方法。（实验工作内容详见本文集第二篇）。

三、及时向全国推广

基于1957、1958两年的成功试验结果，由地质部、煤炭部测井部门主持，于1958年10～11月在峰峰煤田举办了推广培训班，参加学习的有来自地质部、煤炭部、建工部、铁道部、中科院地球物理所、冶金部、合肥工业大学等单位共133人，培训班主讲教师为张玉君、朱诚仁和周长森，负责井场指导实习的还有叶振民、黄铸仁。1959年全国就有一半以上的煤田测井队使用了伽玛伽玛测井方法，到了1960年该方法则被全国各煤田测井队全部采用了。因此该方法的推广，实属各种物探方法中推广速度快和效果最为明显的一个。

1957、1958年实验研究工作采用苏制单道轻便放射性测井仪（PAPK）和全自动测井站进行，为了推广的需要，又兼用了修配所生产的仿苏单道轻便放射性测井仪（PAPK）和半自动记录仪；中科院401原子能反应堆于1958年开始生产放射性同位素，伽玛伽玛测井所用的Co60、Cs137等无须再依靠进口；这些都构成了顺利推广的有利因素。

放射性测井（伽玛伽玛法和自然伽玛法）的应用，是我国煤田测井技术的一个突破，不仅有效地解决了煤、岩层的定性定厚问题，使井壁取心工作量大大减少，而且解决了漏液钻孔和钻孔套管中的测井问题；并为测井资料的综合研究、全孔解释和曲线对比提供了条件。1978年获全国科技大会奖。

自1958年推广应用以来，长达五十年的生产实践证明，散射伽玛测井是各种情况下解决煤层定性定厚解释难题的最好方法。因此，地质部和煤炭部的广大煤田测井工作者，将散射伽玛测井曲线誉为煤田测井的王牌曲线，迄今尚未有哪个方法在效果上能超过伽玛伽玛（密度）测井方法，故而至今仍被公认为煤田测井最重要的方法。

作者本人被派留苏，毕业实习和毕业论文都是以煤田伽玛伽玛测井为主，1957年7月毕业回国后，正值504实验队筹备野外实验，根据顾功叙所长的安排，在报到后的第三天便立即出发奔赴野外，投入该方法的现场研究，和同志们共同努力，历经两年实验和推广，终使该方法的研究成果转换为生产力，并在生产中生根，对国家的培养交上了第一份答卷和回报。

地-井瞬变电磁法

一、内容概述

1.基本原理

瞬变电磁法（TEM）又叫时间域电磁法。其测量原理是：介质在一次电流脉冲场的激发下会产生涡流，在脉冲间断期间涡流不会立即消失，在其周围空间形成随时间衰减的二次磁场。二次磁场随时间衰减的规律主要取决于异常体的导电性、体积规模和埋深，以及发射电流的形态和频率。通过测量二次场的空间分布形态，来了解异常体的空间分布。

2.技术特点

在地-井TEM测量中，由于接收探头沿钻孔测量，更接近地下导电地质体，从而可以获得比地面方法更强的异常响应信号，加之探头在井中受导电覆盖层和外部电磁的干扰较小，因而能获得钻孔周围数百米范围内有用的地质信息，取得较好的找矿效果。地-井TEM在深部找矿和利用钻孔寻找井旁、井底盲矿方面，具有独特的不可替代的优势。

3.技术要点

三分量地-井TEM井下探头下井深度为1200m，探头在井中可观测轴向分量（使用Z分量探头）和水平分量（使用X、Y分量探头）的TEM响应。井中探头的定位精度为：倾角定位精度±0.5°，转角定位精度±0.5°，方位角定位精度±1.0°。关键技术：三分量定向探测技术，异常空间定位技术。目前国内外地-井TEM使用的仪器设备主要有加拿大Crone公司Digital PEM瞬变电磁系统和加拿大Geonics公司生产的PROTEM瞬变电磁系统，仪器型号为3D PULSE EM。

国外的地-井TEM 三维数值模拟技术比较成熟，已有商业软件。地-井TEM 法，由于其装置的特殊性和电磁法的复杂性，利用测井响应曲线的形态和特征进行定性推断解释仍是目前重要的技术手段。

二、应用范围及应用实例

地-井瞬变电磁法是近年来国内外发展较快、地质找矿效果较好的一种电法勘探方法，主要应用于金属矿勘查、构造填图、油气田、煤田、地下水、地热、冻土带、海洋地质等方面的研究。在金属矿勘查方面，主要应用于勘查井旁、井底盲矿体，尤其是当地面电磁法工作因矿体深度太大，或者是在受电性干扰因素（如导电覆盖、浅部硫化物、地表矿化地层等）影响大的地区，更能体现其优越性。

在加拿大、澳大利亚等国家，地—井TEM法已成为常规勘查方法，并且已有很多非常成规的深部找矿实例。如：加拿大1995年在Falconbridge Lindsley铜镍矿区发现深1280m，距钻孔约200m、厚28m的富矿。

三、资料来源

Bailey J，Lafrance B，McDonald A M et al.2004.Mazatzal Labradorian⁃age（1.7～1.6Ga）ductile deformation of the South Range Sudbury impact structure at the Thayer Lindsley mine，Ontario.Canadian Journal of Earth Sciences，41（12）：1491～1505，10.1139/e04⁃098

Molnar F，Watkinson D H，Jones P C et al.1997.Fluid inclusion evidence for hydrothermal enrichment of magmatic ore at the contact zone of the Ni⁃Cu⁃platinum⁃group element 4b Deposit，Lindsley Mine，Sudbury，Canada.Economic Geology，92（6）：674～685

Watts A.1997.Exploring for nickel in the 90s，or“Til depth us do part”，Proceedings of Exploration 97：Fourth Decennial International Conference on Mineral Exploration，edited by A.G.Gubins，1003～1014

煤田勘探中，什么是流量测井

如何进行煤田测井曲线解释