王 重 云

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

在油氣資源鉆探中，隨鉆自然伽馬測井方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其原理是由于自然界的巖層中一般都含有數(shù)量不等的放射性元素，不同巖性的地層產(chǎn)生的射線強度存在差異，通過在鉆進過程中測量地層的自然伽馬值并傳回地面，定向工程師可以識別地層巖性和油氣儲層，判斷鉆進是否在目標層位，并以此為依據(jù)進行地質(zhì)導向。不過自然伽馬測井也存在一定的局限性，當鉆進到地層交界位置時，由于測量的是地層的總伽馬，其數(shù)值是不同地層射線共同作用的結(jié)果，也就無法用于判斷地層界面的方位特征。方位伽馬測量方法則能夠在鉆進過程中提供井眼圓周不同扇區(qū)的伽馬值，可用于分辨界面巖性結(jié)構(gòu)，用于判定頁巖儲層的有機物質(zhì)豐富度和黏土含量，識別煤層氣的頂板和底板位置，在非常規(guī)油層定位與評估和煤層氣開發(fā)方面有著極高的應(yīng)用價值。

國外油服公司對隨鉆方位伽馬儀器的研制開展較早，并投入了商業(yè)應(yīng)用，具代表性儀器有斯倫貝謝公司的新一代近鉆頭方位伽馬成像系統(tǒng)IPZIG、貝克休斯公司的多功能隨鉆儀器OnTrak、哈里伯頓公司的近鉆頭方位伽馬成像儀器GABI以及威德福公司的方位伽馬測井儀器SAGR等。國內(nèi)雖然陸續(xù)有幾家單位開展了研究與設(shè)計，并取得了一定的進展，但真正投入應(yīng)用的并不多見，其中代表性的有中國石油集團測井有限公司、KeyDrill公司等[2-3]。

1 方位伽馬測量原理

隨鉆方位伽馬測井儀主要分為探管式和貼壁式兩種結(jié)構(gòu)[4]。探管式是把方位伽馬測量部分設(shè)計成與MWD定向探管類似的結(jié)構(gòu)，晶體用鎢鋼等材質(zhì)作為屏蔽層包裹在里面，在屏蔽層切開60°～90°的開窗作為測量窗口，并利用姿態(tài)傳感器確定掃描方位。貼壁式是在無磁鉆鋌的外壁開凹槽，在凹槽壁上做屏蔽層，將晶體與姿態(tài)傳感器裝入槽中，外面加裝蓋板防護?？紤]到貼壁式結(jié)構(gòu)對鉆鋌的密封性設(shè)計要求較高、鉆鋌對晶體的屏蔽效果存在方向差異等特性，而探管式結(jié)構(gòu)相對更加簡單靈活，因此本文的隨鉆方位伽馬測井儀采用探管式結(jié)構(gòu)。

在進行方位伽馬測量時，方位伽馬探管的微處理器首先采集姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)，并實時計算探管在當前姿態(tài)下的窗口中心線位置，將中心線位置與設(shè)定位置比較，即可確定探管正在測量來自哪個方向的伽馬數(shù)據(jù)。如圖1所示，當窗口中心線經(jīng)過A1點并旋轉(zhuǎn)到A2點時，測得的伽馬計數(shù)為上伽馬；當窗口中心線經(jīng)過B1點并旋轉(zhuǎn)到B2點時，測得的伽馬計數(shù)為下伽馬。在鉆進過程中微處理器不斷對地層伽馬值和探管姿態(tài)進行計算，即完成了方位伽馬的測量過程。

圖1 上、下伽馬判定示意

2 方位伽馬測井儀的設(shè)計與功能實現(xiàn)

一套完整的隨鉆方位伽馬測井儀由井下儀器、地面系統(tǒng)和工具軟件三部分組成。下面對各部分進行具體介紹。

2.1 井下儀器

井下儀器是實現(xiàn)各項數(shù)據(jù)采集、初步處理、編碼和回傳等環(huán)節(jié)的硬件結(jié)構(gòu)。通常由脈沖器、發(fā)電機、整流器、定向探管、方位伽馬探管等部分組成。有的儀器沒有發(fā)電機和整流器，而采用電池供電[5]。除了方位伽馬探管，其他部分可以組成常規(guī)的MWD儀器。在石油行業(yè)中，脈沖器、發(fā)電機和整流器屬于通用部件，一般采購專業(yè)公司生產(chǎn)的成品。因此，井下儀器的主要設(shè)計內(nèi)容是定向探管和方位伽馬探管。

定向探管的功能由電源板、傳感器和微處理器板三部分實現(xiàn)。電源板的功能是將整流器輸出的30 V電源轉(zhuǎn)換為5 V和13 V，分別給傳感器、微處理器板以及方位伽馬探管供電[6-7]。微處理器的功能包括采集傳感器原始數(shù)據(jù)、根據(jù)原始數(shù)據(jù)計算井斜和工具面等數(shù)據(jù)、根據(jù)標定值和溫度值修正數(shù)據(jù)、接收方位伽馬探管數(shù)據(jù)、存儲定向探管和方位伽馬探管數(shù)據(jù)、將需要回傳的數(shù)據(jù)進行編碼并驅(qū)動脈沖器動作等。

方位伽馬探管主要包括晶體和微處理器板兩部分，姿態(tài)傳感器已集成在微處理器板上。微處理器板負責方位伽馬、粘滑系數(shù)、動態(tài)井斜等參數(shù)計算，其PCB圖如圖2所示?？紤]到測井儀未來會在四川頁巖氣區(qū)域使用，在設(shè)計上執(zhí)行175℃標準，能夠在300 r/min轉(zhuǎn)速下實現(xiàn)方位伽馬測量。方位伽馬探管最高可實現(xiàn)16扇區(qū)成像，受鉆井液脈沖傳輸速率限制，可選2扇區(qū)、4扇區(qū)數(shù)據(jù)進行實時上傳。裝配完成的微處理器板短節(jié)如圖3所示。

圖2 方位伽馬探管微處理器板PCB圖

圖3 方位伽馬探管微處理器板短節(jié)

2.2 地面系統(tǒng)

地面系統(tǒng)包括壓力傳感器、絞車傳感器、鉤載傳感器、司鉆顯示器、地面解碼箱及配套線纜等。司鉆顯示器采用防爆防水結(jié)構(gòu)設(shè)計，適用于野外惡劣環(huán)境。為了確保在井場電壓不穩(wěn)的情況下能夠正常工作，除了在使用時建議配備UPS電源外，在設(shè)計上也增加了防電氣浪涌保護功能。司鉆顯示器內(nèi)部運行WINCE系統(tǒng)，界面簡潔美觀，顯示效果如圖4所示。

圖4 司鉆顯示器的顯示效果

地面解碼箱主要功能是通信、給外圍傳感器供電、采集傳感器信號、獲取儀器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)濾波等，采用FPGA實現(xiàn)。箱體外部留有各種傳感器輸入和通信接口。地面解碼箱有工作和測試兩種使用模式。工作模式是指儀器在井下工作，數(shù)據(jù)通過鉆井液脈沖信號傳回，信號被傳感器采集后經(jīng)隔離柵由FPGA進行濾波處理，處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給工具軟件，由工具軟件進行解碼，并通過地面解碼箱傳送至司鉆顯示器。測試模式對應(yīng)的是儀器在車間內(nèi)進行的各種數(shù)據(jù)交換操作，數(shù)據(jù)通過QBUS總線從儀器傳給地面解碼箱，再經(jīng)串口發(fā)送給工具軟件，此模式不需要解碼，數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換即可直接顯示。地面解碼箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 地面解碼箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 工具軟件

工具軟件負責實現(xiàn)接收、解碼、處理、顯示和存儲數(shù)據(jù)，以及寫入標定與配置參數(shù)、繪制曲線與成像等功能，可以劃分為5個功能模塊，如圖6所示。數(shù)據(jù)通信模塊是軟件的基礎(chǔ)功能模塊，通過地面解碼箱和協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)測井儀與工具軟件的數(shù)據(jù)交換，軟件不僅可以接收方位伽馬測井儀的數(shù)據(jù)，對測井儀的配置參數(shù)也通過數(shù)據(jù)通信模塊進行下發(fā)；刻度校準模塊用于在測井儀組裝完成后按照流程對測量結(jié)果進行校正，計算標定系數(shù)與刻度系數(shù)，確定識讀結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系[8]；地面測試模塊將軟件接收的總線協(xié)議格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為獨立的測量數(shù)據(jù)，計算后顯示在軟件界面上；解碼計算模塊通過地面解碼箱接收傳感器信號，對其進行解碼和計算，修正后形成最終的伽馬數(shù)據(jù)并顯示；成像處理模塊將數(shù)據(jù)繪制成曲線和圖像，實現(xiàn)顯示、出圖或者保存為LAS文件。

圖6 工具軟件功能模塊劃分

3 方位伽馬測井儀的刻度校準

新的隨鉆方位伽馬測井儀必須經(jīng)過刻度校準后才能使用，如果是故障儀器則應(yīng)在修理后檢定，若出現(xiàn)異常就需要重新進行校準。定向探管與方位伽馬探管均需要進行校準操作，這里僅以方位伽馬探管為例進行說明?？潭刃蕦嵸|(zhì)上是確立地層放射性強度參數(shù)與測井儀輸出計數(shù)率關(guān)系，也就是確定、測定測井儀的響應(yīng)靈敏度[9]。

一般情況下隨鉆伽馬刻度校準采用的是兩點刻度法，可以描述成截距式線性方程y=ax+b。

當測量對象的放射性為0時，測井儀讀數(shù)必然為0，即當x=0時有y=0，故b=0，因而刻度方程可以進一步簡化為y=ax。

由此可得：a=y/x。

按照一級刻度標準，y為高放層與低放層之間的差值(API)；x為儀器在高放層與低放層之間讀數(shù)的差值(CPS)；a為刻度系數(shù)(單位是API/CPS)，其物理意義為表示1個自然伽馬讀數(shù)所代表的工程值A(chǔ)PI數(shù)量，刻度系數(shù)代表儀器測量值向地層工程值的轉(zhuǎn)換。

在本次校準中，所用放射源提供的高放層與低放層的射線強度差為362±2.5 API，調(diào)整方位伽馬探管測點到放射源的相對位置，在測井儀穩(wěn)定工作后分別采集高放層計數(shù)值和低放層計數(shù)值，如表1所示。

表1 高放層和低放層測量計數(shù)統(tǒng)計(100 s) CPS

計算刻度系數(shù)a的值(未標注單位)為：

將a值保存在軟件中，供地面測試模塊和解碼計算模塊使用。

必須指出，上文系指在室內(nèi)研制中利用放射源進行刻度校準的過程，測井儀在工程使用前，還應(yīng)利用刻度井進行校準[10-11]，刻度井的常見結(jié)構(gòu)如圖7所示。對于工具軟件來說，使用刻度井進行校準的操作步驟與使用放射源基本相同，這里不再贅述。

圖7 常見刻度井結(jié)構(gòu)示意

4 試驗情況

為了檢驗隨鉆方位伽馬測井儀的實際應(yīng)用效果，在完成室內(nèi)研制和標定刻度等環(huán)節(jié)后，項目組進行了旋轉(zhuǎn)試驗和下井試驗。旋轉(zhuǎn)試驗結(jié)果如圖8所示。旋轉(zhuǎn)試驗的目的是檢查測井儀在不同的轉(zhuǎn)速下能否正確測出伽馬源的所在方位，如果測量的偏差較大，則需要對測量算法進行修正。可以看出，測井儀正確計算出了伽馬源的所在方位。除了方位伽馬測量功能外，方位伽馬探管的測斜功能也需要驗證，其井斜測點與定向探管井斜測點的距離為1.5 m。項目組在遼河油田雷61區(qū)塊某井開展了現(xiàn)場試驗。本次試驗井段1 265～1 447 m，入井時間44 h，在試驗井段中選取多點進行測量。在測深1 282.74 m位置，定向探管與方位伽馬探管的測斜數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，方位伽馬探管測量的井斜值與定向探管相比，最大偏差為0.027 2°，滿足偏差在±0.1°以內(nèi)的要求。試驗期間井下儀器工作正常，各項數(shù)據(jù)測量準確，整套系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場的施工需求。

圖8 測井儀對伽馬源的方位檢測測試

表2 方位伽馬探管與定向探管測斜數(shù)據(jù)對比 (°)

5 結(jié) 論

隨鉆方位伽馬測井儀的研制，有效解決了自然伽馬測量儀在地層邊界方位判斷上的不足。利用方位伽馬信息，井場工程技術(shù)人員能夠準確判斷地層傾斜角度和邊界方位，及時掌握地層特征和油氣藏分布，獲得調(diào)整井眼軌跡的時間，解決地質(zhì)導向入靶及水平軌跡控制難題，實現(xiàn)實時地質(zhì)導向，降低鉆井成本?，F(xiàn)階段，由于大多數(shù)隨鉆儀器接在螺桿后方，測點距鉆頭仍有10 m以上的距離，測量結(jié)果存在一定的滯后性。建議開展方位伽馬測量前置研究，借助近鉆頭短節(jié)等方式實現(xiàn)測點前移，并利用無線短傳技術(shù)向MWD回傳數(shù)據(jù)，進一步提升地質(zhì)導向的及時性。