基于三軸磁通門傳感器的隨鉆方位伽馬測量系統(tǒng)設(shè)計

呂海川， 陶海君， 熊祖根

(1中國石油集團工程技術(shù)研究院 2中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 3中國石油集團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)合伽馬曲線來確定分層，然后做數(shù)據(jù)分析[2]。自然伽馬工具測量的是測點位置井眼各方向地層的平均伽馬值，當(dāng)鉆具穿過不同地層，伽馬測量數(shù)值會發(fā)生變化，雖然通過伽馬曲線可以直觀地顯示鉆具穿過的層位發(fā)生了變化，但是不能判斷出是從什么方位穿過層位分界的。在儲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)，不能給采取準確的回調(diào)措施帶來更多的參考信息；不準確的回調(diào)措施存在降低儲層鉆遇率的風(fēng)險[3]。方位伽馬是對自然伽馬的優(yōu)化升級，給測量數(shù)據(jù)加上方位信息，即按照重力方向把測點的圓周等分為4、8或者16扇區(qū)，硬件測量和軟件計算相結(jié)合，測出每個扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)。通過實時的上、下扇區(qū)伽馬數(shù)據(jù)曲線，在鉆具偏離儲層時，可以分析出鉆具偏離儲層的方向，這樣就可以采取正確的回調(diào)措施，及時正確調(diào)整鉆具返回儲層，減少儲層鉆遇率損失[4]。通常，劃分扇區(qū)依據(jù)的標準是重力工具面，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，經(jīng)過軟件計算出某個時刻的重力工具面并對應(yīng)到相應(yīng)的扇區(qū)。重力加速度計對震動和離心力都比較敏感，鉆井作業(yè)時的震動以及復(fù)合鉆進時的旋轉(zhuǎn)，都會對重力加速度計測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，降低重力工具面的計算精度。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固定，而磁通門不受震動和離心力影響，使用磁通門替代重力加速度測量和計算扇區(qū)，可以在隨鉆作業(yè)過程中，測量出準確的扇區(qū)位置。使用三軸磁通門代替兩軸磁通門的優(yōu)點是可以檢驗磁通門傳感器是否處于正常工作狀態(tài)，確保測量數(shù)據(jù)正確。應(yīng)用三軸磁通門技術(shù)設(shè)計扇區(qū)測量系統(tǒng)的方位伽馬工具，可以在震動較強、復(fù)合鉆進等工況狀態(tài)下提供準確的方位伽馬數(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，提高儲層鉆遇率。

一、基本原理

方位伽馬測量系統(tǒng)，是在自然伽馬的基礎(chǔ)上，把井壁等分為若干扇區(qū)，實時計量出各個扇區(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)成的閃爍計數(shù)器來測量，地層各方向的伽馬射線都可以進入晶體形成計數(shù)，所以自然伽馬測量的是井眼平均伽馬。方位伽馬工具需要對晶體屏蔽，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入到晶體中，經(jīng)過光電倍增管形成計數(shù)，其他位置的伽馬射線不能穿透屏蔽層。這種帶有檢測窗口和屏蔽結(jié)構(gòu)的伽馬傳感器，稱為聚焦伽馬傳感器。

通過旋轉(zhuǎn)聚焦伽馬傳感器，就可以實現(xiàn)對井眼圓周位置不同方向的伽馬射線按照劃分的扇區(qū)進行測量。聚焦伽馬傳感器不具備識別方向的功能，需要與扇區(qū)檢測模塊相配合，實現(xiàn)方位伽馬計數(shù)。通常測量位置按照重力工具面所在圓周可劃分為4、8或者16個扇區(qū)。扇區(qū)檢測模塊用來檢測當(dāng)前開窗位置所在的扇區(qū)，通過計數(shù)軟件模塊，把每個扇區(qū)的伽馬計數(shù)準確地歸入到對應(yīng)扇區(qū)計數(shù)數(shù)組項中，這樣得到方位伽馬數(shù)據(jù)。在實際的作業(yè)中，受泥漿脈沖器傳輸速率的限制，往往會實時上傳4扇區(qū)數(shù)據(jù)，重點分析上下扇區(qū)伽馬曲線；在井下工具中存儲8或者16扇區(qū)數(shù)據(jù)，用來做地層成像數(shù)據(jù)處理。

扇區(qū)是根據(jù)重力工具面角來劃分，高邊為上，低邊為下。計算重力工具面常用的傳感器是重力加速度計，通過安裝在探管徑向相互垂直的X、Y重力加速度計來測量和計算重力工具面，再由重力工具面算出當(dāng)前扇區(qū)。在實際的作業(yè)中，重力加速度計很容易受到鉆具震動和旋轉(zhuǎn)離心力的影響，嚴重降低計算精度。利用磁性工具面與重力工具面在井斜和方位角相對穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)角差相對固定的特點，使用磁通門代替重力加速度計計算工具面。用兩個安裝在儀器徑向的互相垂直的兩個磁通門X和Y，在儀器靜態(tài)時，采集磁通量，計算出磁性工具面，同時采集并計算出在該位置下的重力工具面，算出兩者之間的角差。磁通門受到震動和旋轉(zhuǎn)的影響很小，在工具鉆進的過程中，實時測量磁性工具面，根據(jù)角差計算出重力工具面，獲得當(dāng)前伽馬探管的開窗位置，由此得到窗口所在扇區(qū)，為伽馬計數(shù)模塊提供較準確的扇區(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)動角度(即GTF自身)無關(guān)，如圖1所示。而磁工具面角MTF可由兩軸磁通門(X軸、Y軸)的測量值直接解算而得出，且磁通門的測量精度幾乎不受震動沖擊和旋轉(zhuǎn)工況的影響。所以，在連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下，對重力工具面角的實時測量，可轉(zhuǎn)化為對磁工具面角的實時測量，然后再利用兩者間的角差GM進行補償。

圖1 重力工具面與磁性工具面關(guān)系圖

二、系統(tǒng)設(shè)計

整個方位伽馬測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩大子系統(tǒng)組成，硬件子系統(tǒng)實現(xiàn)扇區(qū)檢測和伽馬測量，軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)以扇區(qū)為單位的伽馬計數(shù)。從系統(tǒng)功能的角度來劃分，分為扇區(qū)檢測模塊和伽馬計數(shù)模塊更為合理，前者實現(xiàn)扇區(qū)測量，軟件與硬件相結(jié)合，后者實現(xiàn)針對扇區(qū)的伽馬計數(shù)，主要以軟件算法為主。

1. 扇區(qū)測量模塊設(shè)計

扇區(qū)測量模塊的功能是給伽馬計數(shù)模塊提供準確的扇區(qū)指示，并計算實時轉(zhuǎn)速。扇區(qū)測量模塊要求在靜態(tài)狀態(tài)下，精度達到±0.2°；旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，精度達到±2°。在滑動鉆進和復(fù)合鉆進過程中，扇區(qū)測量精度不小于±2°。

扇區(qū)測量模塊由兩個子系統(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電路、AD采樣電路組成；軟件子系統(tǒng)實現(xiàn)測量控制和數(shù)據(jù)計算，并對外輸出扇區(qū)指示。

1.1 傳感器選型

使用磁通門替代重力加速度計實現(xiàn)扇區(qū)測量。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)測量模塊用的磁傳感器，該磁通門的主要技術(shù)指標見表1。

表1 TRI-MAG-210C技術(shù)指標

選用其中的X軸和Y軸作為檢測軸，Z軸輔助檢測和確認磁通門工作狀態(tài)正常，確認測量數(shù)據(jù)不超標。

1.2 扇區(qū)測量模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

磁通門模塊需要外部提供+5VDC和-5VDC供電，內(nèi)置激勵電路，輸出三軸模擬電壓信號，信號范圍[-3 V,+3 V]。為提高采樣精度，使用獨立的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。

為提高測量響應(yīng)速度，使用獨立的MCU管理扇區(qū)測量模塊。扇區(qū)測量模塊與MWD和伽馬計數(shù)模塊之間通過485數(shù)據(jù)總線通訊，扇區(qū)測量模塊與伽馬計數(shù)模塊之間通過特定的IO管腳實現(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。電源進入扇測模塊后，通過一個專用設(shè)計的電源模塊，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)總線連接各個模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。485總線具有穩(wěn)定可靠、可掛接多個子節(jié)點的有點，適用于工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 扇區(qū)測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 扇區(qū)測量算法

扇區(qū)測量模塊的主要功能是向伽馬計數(shù)模塊提供扇區(qū)指示，同時，在靜態(tài)時響應(yīng)來自上位機的工具面查詢請求。扇區(qū)測量算法的流程如圖3。

圖3 扇區(qū)測量算法流程圖

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

扇區(qū)測量模塊中，計算扇區(qū)是優(yōu)先級最高事件，一旦測量定時到時，要優(yōu)先計算出當(dāng)前位置的扇區(qū)數(shù)據(jù)，在伽馬開窗跨越扇區(qū)時及時給出扇區(qū)指示。低優(yōu)先級事件可以在扇區(qū)定時到時之前去響應(yīng)。

為降低系統(tǒng)符合，還可以對扇區(qū)測量算法進行優(yōu)化，加入一定的預(yù)測機制。根據(jù)前一圈的轉(zhuǎn)速，預(yù)測本圈每個扇區(qū)的到達時間。

2. 伽馬計數(shù)模塊設(shè)計

方位伽馬計數(shù)模塊設(shè)計的重點在伽馬計數(shù)和扇區(qū)對應(yīng)兩個方面。要求準確、穩(wěn)定、能夠動態(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 伽馬計數(shù)算法設(shè)計

伽馬射線具有放射性漲落[6]，在相等的時間間隔內(nèi)做重復(fù)測量，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，與測量條件無關(guān)。如果按照實時測量值來上傳，就會得到波動性很大的數(shù)據(jù)，無法以此為依據(jù)來判斷巖性。為降低波動性，需要增加測量時間，在一定的測量時間內(nèi)，伽馬測量結(jié)果會相對穩(wěn)定。較直接的伽馬計數(shù)算法是設(shè)定一個計數(shù)周期T，在計數(shù)周期內(nèi)，累計伽馬計數(shù)n，計數(shù)期滿之后，把計數(shù)結(jié)果n轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的API值[7]，作為測量結(jié)果；同時啟動下一輪計數(shù)。這種方法的優(yōu)點是簡單、穩(wěn)定、易于實現(xiàn)，只要T設(shè)置恰當(dāng)，伽馬測量結(jié)果就會保持相對穩(wěn)定。不足在一輪計數(shù)中期內(nèi)，上報給上位機的結(jié)果都是一樣的，T值較大的話，有可能漏掉地層細節(jié)。

改進的算法是，把T再細分為更小的時間間隔t，每隔時間t完成一個計數(shù)項并保存，再啟動下一個t時間計數(shù)。當(dāng)上位機需要伽馬數(shù)據(jù)時，從最近的一個已經(jīng)完成的計數(shù)項開始，逆向累加各個計數(shù)項的時間和伽馬計數(shù)，直到累加時間≥T，把伽馬計數(shù)結(jié)果n轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的API值。這樣的算法改進，不僅保持了伽馬測量穩(wěn)定的優(yōu)點，同時又使伽馬測量具備實時性，尤其是在地層變化時，能夠精細地反映出地層變化的細節(jié)。在算法實現(xiàn)上，要求在內(nèi)存中開辟至少(int)[(T+t-1)/t]+1個數(shù)據(jù)項，用來記錄每個t周期的測量數(shù)據(jù)。

2.2 扇區(qū)計數(shù)算法設(shè)計

扇區(qū)計數(shù)算法，是在伽馬計數(shù)算法的基礎(chǔ)上，為每個數(shù)據(jù)項增加了方位信息，即扇區(qū)信息。每個數(shù)據(jù)項由三個基本元素組成：計數(shù)時間、伽馬計數(shù)和扇區(qū)。每完成一個數(shù)據(jù)項的條件為：計數(shù)時間到達周期t，或者儀器旋轉(zhuǎn)到下一個扇區(qū)。當(dāng)上位機要某個扇區(qū)的伽馬測量值時，從最近的已經(jīng)完成的計數(shù)項開始逆向查找，對比扇區(qū)號與當(dāng)前要查找的扇區(qū)一致，然后累加時間和伽馬計數(shù)值，當(dāng)計數(shù)時間累加夠T時，用伽馬計數(shù)累加和換算出API值返回。這個算法的優(yōu)點是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，同時兼顧了實時性；不足之處在于內(nèi)存占用較大。假設(shè)劃分為8個扇區(qū)，則在理想勻速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，每轉(zhuǎn)一圈需要時間t，則至少(int)[(T+t-1)/t]×8+1個數(shù)據(jù)項。如果轉(zhuǎn)速提高，一圈的時間小于t，則需要按比例增加數(shù)據(jù)項。在實測中記錄到，復(fù)合鉆進中，近鉆頭位置的轉(zhuǎn)速會達到240 r/min以上，在這種情況下，每個扇區(qū)的時間只有30 ms。假設(shè)T為30 s，至少要8 000個以上的數(shù)據(jù)項，對內(nèi)存要求很高。

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

2.3 伽馬刻度方法

因為方位伽馬對自然伽馬探管做了屏蔽處理，需要對方位伽馬儀器做刻度，得到準確的刻度系數(shù)k；同時，為確保數(shù)據(jù)統(tǒng)一，把計數(shù)轉(zhuǎn)換到API標準中。為確?？潭认禂?shù)的準確性，使用二級刻度器進行標定刻度。首先在低值刻度模塊中，計數(shù)時間Tc，得到計數(shù)值N1；再放置到高值刻度模塊中，計數(shù)時間Tc，得到計數(shù)值N2。高低刻度模塊標稱值差為A，刻度系數(shù)K=(N2-N1)/A，用這個系數(shù)完成伽馬計數(shù)與API值的轉(zhuǎn)換。

三、現(xiàn)場試驗情況

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水平井進行現(xiàn)場試驗。鉆具組合：PDC鉆頭+螺桿+扶正器+無磁鉆鋌+MWD懸掛短節(jié)+鉆鋌(13根)+鉆桿，其中測量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實時上傳工具面、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。

試驗井段為1 980～2 491 m，總進尺511 m，循環(huán)時間198 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.1 g/cm3，黏度45～55 s。整個試驗過程中，儀器工作正常。

鉆進至2 122 m左右時，曲線顯示下伽馬數(shù)據(jù)開始增大，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，鉆具從砂巖進入泥巖，離開儲層。經(jīng)過觀察方位伽馬曲線，下伽馬先變化，判斷為鉆具從下方穿出儲層。調(diào)整鉆進方向，在2 140 m時，上伽馬開始變小，隨后下伽馬也開始降低，后兩條伽馬曲線穩(wěn)定重疊，數(shù)據(jù)顯示為進入砂巖。經(jīng)過與測井?dāng)?shù)據(jù)對比，確認這一段進入到泥巖，調(diào)整后返回儲層，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，準確地采取回調(diào)措施，及時返回儲層，降低鉆遇率損失。實時方位伽馬數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)變化趨勢，與測井?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中江江沙203-7HF井進行實鉆試驗，該井為水平井，設(shè)計井深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，測量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實時上傳工具面、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。

試驗井段為2 461～3 095 m(提前完鉆)，總進尺634 m，循環(huán)時間108 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.85 g/cm3，黏度45～55 s。整個試驗過程中，儀器工作正常。

鉆進至3 012 m時，下伽馬數(shù)據(jù)變大，疑似穿出儲層，但測量的伽馬數(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)整鉆進方向，增斜處理，大約10 m之后，整個鉆具返回到儲層。對伽馬數(shù)據(jù)做定量分析，確認當(dāng)時并未進入泥巖，而是接近儲層邊緣。由于調(diào)整及時，未引起偏離儲層，保證了鉆遇率。如圖5所示。

圖5 方位伽馬曲線

經(jīng)過與測井?dāng)?shù)據(jù)對比，方位伽馬測量數(shù)據(jù)與伽馬測井?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)能為提高儲層鉆遇率提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)；同時存儲在工具中的高密度多扇區(qū)伽馬測量數(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)于油氣勘探開發(fā)。

(2)使用三軸磁通門代替重力加速度計進行扇區(qū)檢測有理論依據(jù)，磁通門具有不受震動和旋轉(zhuǎn)干擾的優(yōu)勢，在復(fù)合鉆進的過程中實時精度測量方位伽馬數(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、操作簡單、維護方便，經(jīng)濟性好，因此具有良好的應(yīng)用前景。