呂海川， 陶海君， 熊祖根

(1中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司長(zhǎng)慶鉆井總公司 3中國(guó)石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院)

LWD工具所測(cè)數(shù)據(jù)中，最常用的是伽馬數(shù)據(jù)由連續(xù)的伽馬數(shù)據(jù)形成的伽馬曲線是區(qū)分地層邊界的最佳選擇[1]，其他的LWD數(shù)據(jù)曲線(如電阻率、密度、中子等)都要結(jié)合伽馬曲線來(lái)確定分層，然后做數(shù)據(jù)分析[2]。自然伽馬工具測(cè)量的是測(cè)點(diǎn)位置井眼各方向地層的平均伽馬值，當(dāng)鉆具穿過(guò)不同地層，伽馬測(cè)量數(shù)值會(huì)發(fā)生變化，雖然通過(guò)伽馬曲線可以直觀地顯示鉆具穿過(guò)的層位發(fā)生了變化，但是不能判斷出是從什么方位穿過(guò)層位分界的。在儲(chǔ)層較薄且地層存在不規(guī)則彎曲的情況下，僅靠自然伽馬數(shù)據(jù)，不能給采取準(zhǔn)確的回調(diào)措施帶來(lái)更多的參考信息；不準(zhǔn)確的回調(diào)措施存在降低儲(chǔ)層鉆遇率的風(fēng)險(xiǎn)[3]。方位伽馬是對(duì)自然伽馬的優(yōu)化升級(jí)，給測(cè)量數(shù)據(jù)加上方位信息，即按照重力方向把測(cè)點(diǎn)的圓周等分為4、8或者16扇區(qū)，硬件測(cè)量和軟件計(jì)算相結(jié)合，測(cè)出每個(gè)扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)的上、下扇區(qū)伽馬數(shù)據(jù)曲線，在鉆具偏離儲(chǔ)層時(shí)，可以分析出鉆具偏離儲(chǔ)層的方向，這樣就可以采取正確的回調(diào)措施，及時(shí)正確調(diào)整鉆具返回儲(chǔ)層，減少儲(chǔ)層鉆遇率損失[4]。通常，劃分扇區(qū)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是重力工具面，在硬件上使用沿探管徑向和軸向分布的三軸正交重力加速度計(jì)，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算出某個(gè)時(shí)刻的重力工具面并對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的扇區(qū)。重力加速度計(jì)對(duì)震動(dòng)和離心力都比較敏感，鉆井作業(yè)時(shí)的震動(dòng)以及復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)，都會(huì)對(duì)重力加速度計(jì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，降低重力工具面的計(jì)算精度。在井斜和方位變化不大的情況下，重力工具面和磁性工具面之間角差相對(duì)固定，而磁通門不受震動(dòng)和離心力影響，使用磁通門替代重力加速度測(cè)量和計(jì)算扇區(qū)，可以在隨鉆作業(yè)過(guò)程中，測(cè)量出準(zhǔn)確的扇區(qū)位置。使用三軸磁通門代替兩軸磁通門的優(yōu)點(diǎn)是可以檢驗(yàn)磁通門傳感器是否處于正常工作狀態(tài)，確保測(cè)量數(shù)據(jù)正確。應(yīng)用三軸磁通門技術(shù)設(shè)計(jì)扇區(qū)測(cè)量系統(tǒng)的方位伽馬工具，可以在震動(dòng)較強(qiáng)、復(fù)合鉆進(jìn)等工況狀態(tài)下提供準(zhǔn)確的方位伽馬數(shù)據(jù)，為地質(zhì)導(dǎo)向作業(yè)提供有效的方位數(shù)據(jù)，可優(yōu)化井眼軌跡，提高儲(chǔ)層鉆遇率。

一、基本原理

方位伽馬測(cè)量系統(tǒng)，是在自然伽馬的基礎(chǔ)上，把井壁等分為若干扇區(qū)，實(shí)時(shí)計(jì)量出各個(gè)扇區(qū)內(nèi)的伽馬數(shù)據(jù)[5]。自然伽馬數(shù)據(jù)通常由NaI晶體和光電倍增管構(gòu)成的閃爍計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量，地層各方向的伽馬射線都可以進(jìn)入晶體形成計(jì)數(shù)，所以自然伽馬測(cè)量的是井眼平均伽馬。方位伽馬工具需要對(duì)晶體屏蔽，只留一定大小的窗口，只有窗口所在位置地層的伽馬射線進(jìn)入到晶體中，經(jīng)過(guò)光電倍增管形成計(jì)數(shù)，其他位置的伽馬射線不能穿透屏蔽層。這種帶有檢測(cè)窗口和屏蔽結(jié)構(gòu)的伽馬傳感器，稱為聚焦伽馬傳感器。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)聚焦伽馬傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)井眼圓周位置不同方向的伽馬射線按照劃分的扇區(qū)進(jìn)行測(cè)量。聚焦伽馬傳感器不具備識(shí)別方向的功能，需要與扇區(qū)檢測(cè)模塊相配合，實(shí)現(xiàn)方位伽馬計(jì)數(shù)。通常測(cè)量位置按照重力工具面所在圓周可劃分為4、8或者16個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)當(dāng)前開(kāi)窗位置所在的扇區(qū)，通過(guò)計(jì)數(shù)軟件模塊，把每個(gè)扇區(qū)的伽馬計(jì)數(shù)準(zhǔn)確地歸入到對(duì)應(yīng)扇區(qū)計(jì)數(shù)數(shù)組項(xiàng)中，這樣得到方位伽馬數(shù)據(jù)。在實(shí)際的作業(yè)中，受泥漿脈沖器傳輸速率的限制，往往會(huì)實(shí)時(shí)上傳4扇區(qū)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析上下扇區(qū)伽馬曲線；在井下工具中存儲(chǔ)8或者16扇區(qū)數(shù)據(jù)，用來(lái)做地層成像數(shù)據(jù)處理。

扇區(qū)是根據(jù)重力工具面角來(lái)劃分，高邊為上，低邊為下。計(jì)算重力工具面常用的傳感器是重力加速度計(jì)，通過(guò)安裝在探管徑向相互垂直的X、Y重力加速度計(jì)來(lái)測(cè)量和計(jì)算重力工具面，再由重力工具面算出當(dāng)前扇區(qū)。在實(shí)際的作業(yè)中，重力加速度計(jì)很容易受到鉆具震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)離心力的影響，嚴(yán)重降低計(jì)算精度。利用磁性工具面與重力工具面在井斜和方位角相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)角差相對(duì)固定的特點(diǎn)，使用磁通門代替重力加速度計(jì)計(jì)算工具面。用兩個(gè)安裝在儀器徑向的互相垂直的兩個(gè)磁通門X和Y，在儀器靜態(tài)時(shí)，采集磁通量，計(jì)算出磁性工具面，同時(shí)采集并計(jì)算出在該位置下的重力工具面，算出兩者之間的角差。磁通門受到震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的影響很小，在工具鉆進(jìn)的過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)量磁性工具面，根據(jù)角差計(jì)算出重力工具面，獲得當(dāng)前伽馬探管的開(kāi)窗位置，由此得到窗口所在扇區(qū)，為伽馬計(jì)數(shù)模塊提供較準(zhǔn)確的扇區(qū)信息。

重力工具面角GTF與磁工具面角MTF之間的角差GM是地磁在鉆具橫截面上的投影與高邊的夾角，只與井斜角α和方位角β有關(guān)，與鉆具轉(zhuǎn)動(dòng)角度(即GTF自身)無(wú)關(guān)，如圖1所示。而磁工具面角MTF可由兩軸磁通門(X軸、Y軸)的測(cè)量值直接解算而得出，且磁通門的測(cè)量精度幾乎不受震動(dòng)沖擊和旋轉(zhuǎn)工況的影響。所以，在連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下，對(duì)重力工具面角的實(shí)時(shí)測(cè)量，可轉(zhuǎn)化為對(duì)磁工具面角的實(shí)時(shí)測(cè)量，然后再利用兩者間的角差GM進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1 重力工具面與磁性工具面關(guān)系圖

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)方位伽馬測(cè)量系統(tǒng)由硬件和軟件兩大子系統(tǒng)組成，硬件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)扇區(qū)檢測(cè)和伽馬測(cè)量，軟件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以扇區(qū)為單位的伽馬計(jì)數(shù)。從系統(tǒng)功能的角度來(lái)劃分，分為扇區(qū)檢測(cè)模塊和伽馬計(jì)數(shù)模塊更為合理，前者實(shí)現(xiàn)扇區(qū)測(cè)量，軟件與硬件相結(jié)合，后者實(shí)現(xiàn)針對(duì)扇區(qū)的伽馬計(jì)數(shù)，主要以軟件算法為主。

1. 扇區(qū)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

扇區(qū)測(cè)量模塊的功能是給伽馬計(jì)數(shù)模塊提供準(zhǔn)確的扇區(qū)指示，并計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。扇區(qū)測(cè)量模塊要求在靜態(tài)狀態(tài)下，精度達(dá)到±0.2°；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，精度達(dá)到±2°。在滑動(dòng)鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)過(guò)程中，扇區(qū)測(cè)量精度不小于±2°。

扇區(qū)測(cè)量模塊由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)。其中硬件子系統(tǒng)由三軸磁通門及與之配套的激勵(lì)電路、AD采樣電路組成；軟件子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制和數(shù)據(jù)計(jì)算，并對(duì)外輸出扇區(qū)指示。

1.1 傳感器選型

使用磁通門替代重力加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)扇區(qū)測(cè)量。根據(jù)功能和性能要求，選擇TRI-MAG-210C型三軸磁通門作為扇區(qū)測(cè)量模塊用的磁傳感器，該磁通門的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 TRI-MAG-210C技術(shù)指標(biāo)

選用其中的X軸和Y軸作為檢測(cè)軸，Z軸輔助檢測(cè)和確認(rèn)磁通門工作狀態(tài)正常，確認(rèn)測(cè)量數(shù)據(jù)不超標(biāo)。

1.2 扇區(qū)測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁通門模塊需要外部提供+5VDC和-5VDC供電，內(nèi)置激勵(lì)電路，輸出三軸模擬電壓信號(hào)，信號(hào)范圍[-3 V,+3 V]。為提高采樣精度，使用獨(dú)立的AD采樣模塊，選擇ADS1220系列AD轉(zhuǎn)換芯片，該芯片高精度、低功耗，支持24 bit高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。

為提高測(cè)量響應(yīng)速度，使用獨(dú)立的MCU管理扇區(qū)測(cè)量模塊。扇區(qū)測(cè)量模塊與MWD和伽馬計(jì)數(shù)模塊之間通過(guò)485數(shù)據(jù)總線通訊，扇區(qū)測(cè)量模塊與伽馬計(jì)數(shù)模塊之間通過(guò)特定的IO管腳實(shí)現(xiàn)扇區(qū)指示。

整套系統(tǒng)使用統(tǒng)一的電源供電，電源電壓20VDC。電源進(jìn)入扇測(cè)模塊后，通過(guò)一個(gè)專用設(shè)計(jì)的電源模塊，轉(zhuǎn)換為±5 V電源輸出，給三軸磁通門供電。

采用485數(shù)據(jù)總線連接各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。485總線具有穩(wěn)定可靠、可掛接多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的有點(diǎn)，適用于工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖2 扇區(qū)測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 扇區(qū)測(cè)量算法

扇區(qū)測(cè)量模塊的主要功能是向伽馬計(jì)數(shù)模塊提供扇區(qū)指示，同時(shí)，在靜態(tài)時(shí)響應(yīng)來(lái)自上位機(jī)的工具面查詢請(qǐng)求。扇區(qū)測(cè)量算法的流程如圖3。

圖3 扇區(qū)測(cè)量算法流程圖

準(zhǔn)確地計(jì)算出磁性工具面和重力工具面之間的角差，是保證扇區(qū)計(jì)量結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。必須在儀器處于靜態(tài)的時(shí)候，測(cè)量出這兩個(gè)工具面，計(jì)算出角差。為提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，可使用MWD測(cè)斜儀測(cè)量結(jié)果作為計(jì)算參考量。

扇區(qū)測(cè)量模塊中，計(jì)算扇區(qū)是優(yōu)先級(jí)最高事件，一旦測(cè)量定時(shí)到時(shí)，要優(yōu)先計(jì)算出當(dāng)前位置的扇區(qū)數(shù)據(jù)，在伽馬開(kāi)窗跨越扇區(qū)時(shí)及時(shí)給出扇區(qū)指示。低優(yōu)先級(jí)事件可以在扇區(qū)定時(shí)到時(shí)之前去響應(yīng)。

為降低系統(tǒng)符合，還可以對(duì)扇區(qū)測(cè)量算法進(jìn)行優(yōu)化，加入一定的預(yù)測(cè)機(jī)制。根據(jù)前一圈的轉(zhuǎn)速，預(yù)測(cè)本圈每個(gè)扇區(qū)的到達(dá)時(shí)間。

2. 伽馬計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

方位伽馬計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在伽馬計(jì)數(shù)和扇區(qū)對(duì)應(yīng)兩個(gè)方面。要求準(zhǔn)確、穩(wěn)定、能夠動(dòng)態(tài)反映出伽馬的變化，為地質(zhì)導(dǎo)向控制提供可靠的參考數(shù)據(jù)。

2.1 伽馬計(jì)數(shù)算法設(shè)計(jì)

伽馬射線具有放射性漲落[6]，在相等的時(shí)間間隔內(nèi)做重復(fù)測(cè)量，每次記錄的數(shù)值是不同的。放射性漲落是微觀世界的客觀現(xiàn)象，與測(cè)量條件無(wú)關(guān)。如果按照實(shí)時(shí)測(cè)量值來(lái)上傳，就會(huì)得到波動(dòng)性很大的數(shù)據(jù)，無(wú)法以此為依據(jù)來(lái)判斷巖性。為降低波動(dòng)性，需要增加測(cè)量時(shí)間，在一定的測(cè)量時(shí)間內(nèi)，伽馬測(cè)量結(jié)果會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。較直接的伽馬計(jì)數(shù)算法是設(shè)定一個(gè)計(jì)數(shù)周期T，在計(jì)數(shù)周期內(nèi)，累計(jì)伽馬計(jì)數(shù)n，計(jì)數(shù)期滿之后，把計(jì)數(shù)結(jié)果n轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的API值[7]，作為測(cè)量結(jié)果；同時(shí)啟動(dòng)下一輪計(jì)數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)，只要T設(shè)置恰當(dāng)，伽馬測(cè)量結(jié)果就會(huì)保持相對(duì)穩(wěn)定。不足在一輪計(jì)數(shù)中期內(nèi)，上報(bào)給上位機(jī)的結(jié)果都是一樣的，T值較大的話，有可能漏掉地層細(xì)節(jié)。

改進(jìn)的算法是，把T再細(xì)分為更小的時(shí)間間隔t，每隔時(shí)間t完成一個(gè)計(jì)數(shù)項(xiàng)并保存，再啟動(dòng)下一個(gè)t時(shí)間計(jì)數(shù)。當(dāng)上位機(jī)需要伽馬數(shù)據(jù)時(shí)，從最近的一個(gè)已經(jīng)完成的計(jì)數(shù)項(xiàng)開(kāi)始，逆向累加各個(gè)計(jì)數(shù)項(xiàng)的時(shí)間和伽馬計(jì)數(shù)，直到累加時(shí)間≥T，把伽馬計(jì)數(shù)結(jié)果n轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的API值。這樣的算法改進(jìn)，不僅保持了伽馬測(cè)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又使伽馬測(cè)量具備實(shí)時(shí)性，尤其是在地層變化時(shí)，能夠精細(xì)地反映出地層變化的細(xì)節(jié)。在算法實(shí)現(xiàn)上，要求在內(nèi)存中開(kāi)辟至少(int)[(T+t-1)/t]+1個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，用來(lái)記錄每個(gè)t周期的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.2 扇區(qū)計(jì)數(shù)算法設(shè)計(jì)

扇區(qū)計(jì)數(shù)算法，是在伽馬計(jì)數(shù)算法的基礎(chǔ)上，為每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)增加了方位信息，即扇區(qū)信息。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)由三個(gè)基本元素組成：計(jì)數(shù)時(shí)間、伽馬計(jì)數(shù)和扇區(qū)。每完成一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的條件為：計(jì)數(shù)時(shí)間到達(dá)周期t，或者儀器旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)扇區(qū)。當(dāng)上位機(jī)要某個(gè)扇區(qū)的伽馬測(cè)量值時(shí)，從最近的已經(jīng)完成的計(jì)數(shù)項(xiàng)開(kāi)始逆向查找，對(duì)比扇區(qū)號(hào)與當(dāng)前要查找的扇區(qū)一致，然后累加時(shí)間和伽馬計(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)間累加夠T時(shí)，用伽馬計(jì)數(shù)累加和換算出API值返回。這個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，同時(shí)兼顧了實(shí)時(shí)性；不足之處在于內(nèi)存占用較大。假設(shè)劃分為8個(gè)扇區(qū)，則在理想勻速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，每轉(zhuǎn)一圈需要時(shí)間t，則至少(int)[(T+t-1)/t]×8+1個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。如果轉(zhuǎn)速提高，一圈的時(shí)間小于t，則需要按比例增加數(shù)據(jù)項(xiàng)。在實(shí)測(cè)中記錄到，復(fù)合鉆進(jìn)中，近鉆頭位置的轉(zhuǎn)速會(huì)達(dá)到240 r/min以上，在這種情況下，每個(gè)扇區(qū)的時(shí)間只有30 ms。假設(shè)T為30 s，至少要8 000個(gè)以上的數(shù)據(jù)項(xiàng)，對(duì)內(nèi)存要求很高。

上述的算法雖然易于實(shí)現(xiàn)，但是內(nèi)存占用高，能夠滿足應(yīng)用的單片機(jī)的選擇范圍會(huì)大大縮小。對(duì)算法做適當(dāng)改進(jìn)，在保證性能的基礎(chǔ)上，降低內(nèi)存占用。把每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的元素改為：計(jì)數(shù)時(shí)間、伽馬計(jì)數(shù)數(shù)組[8]，其中伽馬計(jì)數(shù)數(shù)組分別對(duì)應(yīng)1～8個(gè)扇區(qū)。計(jì)數(shù)時(shí)間片依然使用t，在時(shí)間片t內(nèi)，按照扇區(qū)模塊的指示，把伽馬計(jì)數(shù)寫到對(duì)應(yīng)的數(shù)組項(xiàng)中；時(shí)間滿t，本數(shù)據(jù)項(xiàng)計(jì)數(shù)完成，開(kāi)始使用下一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)計(jì)數(shù)。這個(gè)算法，雖然增加了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，但是解決了數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)與轉(zhuǎn)速的關(guān)聯(lián)關(guān)系，數(shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)不再受到轉(zhuǎn)速影響，有效地降低系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存容量的要求。

2.3 伽馬刻度方法

因?yàn)榉轿毁ゑR對(duì)自然伽馬探管做了屏蔽處理，需要對(duì)方位伽馬儀器做刻度，得到準(zhǔn)確的刻度系數(shù)k；同時(shí)，為確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一，把計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換到API標(biāo)準(zhǔn)中。為確?？潭认禂?shù)的準(zhǔn)確性，使用二級(jí)刻度器進(jìn)行標(biāo)定刻度。首先在低值刻度模塊中，計(jì)數(shù)時(shí)間Tc，得到計(jì)數(shù)值N1；再放置到高值刻度模塊中，計(jì)數(shù)時(shí)間Tc，得到計(jì)數(shù)值N2。高低刻度模塊標(biāo)稱值差為A，刻度系數(shù)K=(N2-N1)/A，用這個(gè)系數(shù)完成伽馬計(jì)數(shù)與API值的轉(zhuǎn)換。

三、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2017年11月6日至11月11日，方位伽馬工具在山西臨汾大寧3-7向2水平井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。鉆具組合：PDC鉆頭+螺桿+扶正器+無(wú)磁鉆鋌+MWD懸掛短節(jié)+鉆鋌(13根)+鉆桿，其中測(cè)量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實(shí)時(shí)上傳工具面、上下左右四扇區(qū)方位伽馬數(shù)據(jù)，地面軟件繪制上下方位伽馬曲線。

試驗(yàn)井段為1 980～2 491 m，總進(jìn)尺511 m，循環(huán)時(shí)間198 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.1 g/cm3，黏度45～55 s。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，儀器工作正常。

鉆進(jìn)至2 122 m左右時(shí)，曲線顯示下伽馬數(shù)據(jù)開(kāi)始增大，隨后上伽馬數(shù)據(jù)增大，增大之后兩條曲線又穩(wěn)定重疊。從伽馬數(shù)據(jù)變化分析，鉆具從砂巖進(jìn)入泥巖，離開(kāi)儲(chǔ)層。經(jīng)過(guò)觀察方位伽馬曲線，下伽馬先變化，判斷為鉆具從下方穿出儲(chǔ)層。調(diào)整鉆進(jìn)方向，在2 140 m時(shí)，上伽馬開(kāi)始變小，隨后下伽馬也開(kāi)始降低，后兩條伽馬曲線穩(wěn)定重疊，數(shù)據(jù)顯示為進(jìn)入砂巖。經(jīng)過(guò)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比，確認(rèn)這一段進(jìn)入到泥巖，調(diào)整后返回儲(chǔ)層，如圖4所示。

根據(jù)方位伽馬曲線顯示的鉆具與層位變化關(guān)系，準(zhǔn)確地采取回調(diào)措施，及時(shí)返回儲(chǔ)層，降低鉆遇率損失。實(shí)時(shí)方位伽馬數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)吻合，儀器工作正常，數(shù)據(jù)可靠。

圖4 方位伽馬曲線

2018年5月25日至6月1日，方位伽馬工具在四川德陽(yáng)中江江沙203-7HF井進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)，該井為水平井，設(shè)計(jì)井深3 126.05 m。方位伽馬工具入井井深2 461 m，鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm單彎螺桿+尾扶+回壓凡爾+無(wú)磁鉆鋌+鉆桿(35柱)+加重鉆桿(23柱)+轉(zhuǎn)換接頭+加重鉆桿(16柱)+鉆桿，測(cè)量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實(shí)時(shí)上傳工具面、上下左右四扇區(qū)方位伽馬數(shù)據(jù)，地面軟件繪制上下方位伽馬曲線。

試驗(yàn)井段為2 461～3 095 m(提前完鉆)，總進(jìn)尺634 m，循環(huán)時(shí)間108 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.85 g/cm3，黏度45～55 s。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，儀器工作正常。

鉆進(jìn)至3 012 m時(shí)，下伽馬數(shù)據(jù)變大，疑似穿出儲(chǔ)層，但測(cè)量的伽馬數(shù)據(jù)小于泥巖內(nèi)伽馬值，結(jié)合工程參數(shù)的井斜角判斷，分析為鉆具下部接近層位邊緣，于是調(diào)整鉆進(jìn)方向，增斜處理，大約10 m之后，整個(gè)鉆具返回到儲(chǔ)層。對(duì)伽馬數(shù)據(jù)做定量分析，確認(rèn)當(dāng)時(shí)并未進(jìn)入泥巖，而是接近儲(chǔ)層邊緣。由于調(diào)整及時(shí)，未引起偏離儲(chǔ)層，保證了鉆遇率。如圖5所示。

圖5 方位伽馬曲線

經(jīng)過(guò)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)比，方位伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)與伽馬測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)一致。

四、結(jié)論

(1)方位伽馬工具在自然伽馬工具的基礎(chǔ)上增加了方位信息，可分辨井眼不同方向的地層伽馬數(shù)據(jù)，方位伽馬數(shù)據(jù)能為提高儲(chǔ)層鉆遇率提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)；同時(shí)存儲(chǔ)在工具中的高密度多扇區(qū)伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)，可繪制成像伽馬圖，豐富地層信息，判斷地層傾角，更好地服務(wù)于油氣勘探開(kāi)發(fā)。

(2)使用三軸磁通門代替重力加速度計(jì)進(jìn)行扇區(qū)檢測(cè)有理論依據(jù)，磁通門具有不受震動(dòng)和旋轉(zhuǎn)干擾的優(yōu)勢(shì)，在復(fù)合鉆進(jìn)的過(guò)程中實(shí)時(shí)精度測(cè)量方位伽馬數(shù)據(jù)，為地質(zhì)導(dǎo)向決策提供依據(jù)。

(3)方位伽馬工具可用于居中式工具串中及近鉆頭短節(jié)中，在薄儲(chǔ)層和復(fù)雜地層作業(yè)中可優(yōu)化鉆井軌跡，且方位伽馬工具穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，經(jīng)濟(jì)性好，因此具有良好的應(yīng)用前景。