隨鉆方位伽馬探管的設(shè)計

侯 安 飛

(中國電子科技集團公司第二十二研究所)

0 引 言

在定向井及水平井鉆井過程中，隨鉆方位伽馬測井是地質(zhì)導(dǎo)向常用的方法之一，其測量數(shù)據(jù)具有方位特性，能夠分辨上下界面巖性特征，有效發(fā)現(xiàn)儲集層的上部蓋層，捕捉進入油氣儲集層的最佳時機，指導(dǎo)鉆頭順利鉆進目標地層[1-5]。

國外對于隨鉆方位伽馬測井儀器的設(shè)計和研究日臻成熟，其代表性儀器有：Schlumberger公司新一代近鉆頭方位伽馬成像系統(tǒng)IPZIG，Baker Hughes公司的多功能隨鉆儀器OnTrak，Weatherford公司方位伽馬測井儀器SAGR[6-9]。我國對于隨鉆方位伽馬測井儀器的研制相對落后，目前已經(jīng)研制成功并推廣應(yīng)用到油田鉆井工程當中。本文通過對隨鉆方位伽馬探管測量原理、傳感器設(shè)計、電路設(shè)計和軟件設(shè)計的闡述來介紹該儀器的研制方法，并對隨鉆方位伽馬探管在隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向中的現(xiàn)場應(yīng)用進行介紹。

1 儀器測量原理

隨鉆方位伽馬儀器的結(jié)構(gòu)形式主要分為兩種：一種是在鉆鋌不同位置上開槽，將伽馬傳感器和井眼姿態(tài)測量傳感器(方位傳感器)裝入槽中；另一種結(jié)構(gòu)外形與現(xiàn)有的常規(guī)隨鉆自然伽馬儀器區(qū)別不大，主體為探管結(jié)構(gòu)形式，晶體外部裹有屏蔽層，屏蔽層開有一定角度的窗口，而且儀器帶有方位傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測窗體所掃描的位置。

本文設(shè)計的方位伽馬測量儀器，采用探管式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方位伽馬測量。方位伽馬探管在鉆進過程中，有兩種測量模式，即旋轉(zhuǎn)測量與滑動測量。在旋轉(zhuǎn)測量模式下，處理器利用井眼姿態(tài)測量傳感器實時測量數(shù)據(jù)解算出窗口中心線的位置，根據(jù)窗口中心線位置和設(shè)定位置比較，確定窗口正在掃描哪個方向。當窗口中心線掃過A1并旋轉(zhuǎn)到達A2處時，此時對應(yīng)的伽馬計數(shù)為上伽馬計數(shù)；當窗口中心線掃過B1并旋轉(zhuǎn)到達B2處時，此時的伽馬計數(shù)為下伽馬計數(shù)，如圖1所示。鉆進過程中不斷對地層伽馬值和測量時間進行計算，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進時對地層伽馬值的方位測量。

滑動測量模式下，鉆進一段距離后，將測量窗口處于上部的位置，重復(fù)以上鉆進軌跡，得到上伽馬數(shù)據(jù)；再將測量窗口處于下部的位置，重復(fù)以上鉆進軌跡，得到下伽馬數(shù)據(jù)。

圖1 上下伽馬判定示意

2 儀器設(shè)計

參照國外相關(guān)資料和石油天然氣行業(yè)標準(SY/T 6702-2007)的隨鉆測量儀通用技術(shù)條件，為滿足井下復(fù)雜使用環(huán)境,確定方位伽馬探管技術(shù)指標如下：儀器外徑48 mm；最高工作溫度150℃；最大工作壓力140 MPa；抗震能力分別為20gnrms 30～300 Hz(隨機)，30gn50～500 Hz(正弦)；抗沖擊能力1 000gn/0.5 ms；探測深度270 mm；測量范圍0 ～ 500 API，測量誤差±5%；適應(yīng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 0～200 r/min。

隨鉆方位伽馬探管設(shè)計主要包括方位伽馬傳感器設(shè)計、電路設(shè)計和軟件設(shè)計三部分內(nèi)容。

2.1 方位伽馬傳感器設(shè)計

方位伽馬傳感器主要由屏蔽筒和伽馬探頭兩部分組成，結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示。

圖2 方位伽馬傳感器的結(jié)構(gòu)剖面

方位伽馬探頭的屏蔽層采用鎢合金材料，屏蔽體外徑37 mm，屏蔽層厚度10 mm，晶體外徑17 mm，采用同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)計。對其進行屏蔽效果測試，將刻度器分別放在鎢屏蔽筒窗口位置和鎢屏蔽筒窗口背面位置記錄伽馬計數(shù)率，如表1所示，狀態(tài)1的平均計數(shù)率為150.7脈沖/s；狀態(tài)2的平均計數(shù)率為1 166脈沖/s；狀態(tài)3的平均計數(shù)率為414.8脈沖/s。通過計算，鎢合金筒的屏蔽效果達到74%左右，完全滿足對伽馬射線屏蔽的要求。

屏蔽筒開窗角度直接影響伽馬計數(shù)率的大小，窗口的角度越大，響應(yīng)曲線的上下伽馬比越大，但同時曲線更寬，不能凸顯聚焦特性，圖3給出了不同開窗角度時的伽馬響應(yīng)曲線。由圖3可知，90°窗口角度在曲線的銳度和上下伽馬比兼顧方面是一個較好的折衷。因此，方位伽馬探管屏蔽筒采用同心圓結(jié)構(gòu)設(shè)計，開窗角度為90°。在方位伽馬探頭設(shè)計中，分別測試了碘化銫和碘化鈉材料的伽馬探頭的檢測效果，其溫度指標175℃，內(nèi)置分壓器。

表1 三種狀態(tài)下的伽馬計數(shù)率 脈沖/s

圖3 不同窗口角度時的響應(yīng)曲線

以碘化銫為材料的伽馬探頭中，晶體和光電倍增管是分離的，將探頭裝入鎢筒，采樣間隔為10 s，記錄伽馬計數(shù)率，碘化銫的計數(shù)率為36.7 脈沖/s。碘化銫光輸出強度相當于同樣尺寸摻鉈碘化鈉的85%，測量發(fā)現(xiàn)光電倍增管輸出的信號幅度較低，信噪比差。在溫度實驗中，隨著熱噪聲的增大，光電倍增管增益的減小，導(dǎo)致伽馬計數(shù)率不穩(wěn)。以碘化鈉為材料的伽馬探頭中，晶體與光電倍增管采用一體化封裝，增強了探頭的抗震效果。將探頭裝入鎢筒，采樣間隔為10 s，在與碘化銫探頭相同的環(huán)境下，記錄伽馬計數(shù)率，碘化鈉探頭的計數(shù)率為39.7 脈沖/s，光電倍增管輸出信號幅度高，信噪比較好，溫度試驗中，計數(shù)率穩(wěn)定。

因此，方位伽馬探管采用以碘化鈉為材料的伽馬探頭，一體化封裝，如圖4所示，探頭外徑17 mm，光電倍增管型號為R 3991A-07(日本濱松)。

圖4 方位伽馬一體化探頭設(shè)計

2.2 電路設(shè)計

方位伽馬探管的電路按功能分為伽馬測量單元、信號處理與微處理器單元、電源單元和井眼姿態(tài)測量單元四部分，電路原理框圖如圖5所示。

圖5 電路原理框圖

信號處理與微處理器單元由伽馬信號處理電路和微處理器電路兩部分組成，主要完成伽馬信號的調(diào)理、采集、計時，窗口掃描位置判斷，數(shù)據(jù)和時鐘的存儲以及通信等功能。伽馬處理電路主要包括射隨、比較、整形三部分電路，通過調(diào)節(jié)比較器門檻，可防止干擾引入。微處理器電路由單片機、存儲芯片、時鐘芯片、通信芯片等器件組成。

電源單元主要由高壓模塊、DC/DC電源以及濾波電路組成。高壓模塊輸入電壓是15 V，其最高輸出2 400 V，電阻調(diào)節(jié)高壓方式。DC/DC電源輸出兩路電壓(+15 V和+5 V)。+15 V電壓向高壓模塊、伽馬處理板以及井眼姿態(tài)測量電路供電，+5 V電壓給單片機系統(tǒng)和伽馬處理板供電。電源單元中，高壓模塊為電阻調(diào)節(jié)，通過改變電阻的阻值來調(diào)節(jié)改變高壓輸出從而調(diào)整光電倍增管的增益。該單元中高溫共模濾波器和濾波電路，用于濾除高壓模塊和DC/DC電源輸出基線上的高頻振蕩信號。

井眼姿態(tài)測量單元提供工具面和井斜數(shù)據(jù)，方位伽馬探管的微處理器利用實時測量的數(shù)據(jù)解算出窗口中心線的位置。該單元選用的加速度計是175°C微機械加速度計，分別安裝在X、Y、Z三個軸向上。首先對加速度計的輸出進行模擬濾波，消除振動產(chǎn)生的干擾，然后對濾波信號進行A/D采集。由于微機械加速度計的溫漂較大，需對采集的數(shù)據(jù)進行溫度補償。通過數(shù)字濾波，采用角差補償法校正安裝誤差和溫補校正傳感器測量誤差，得到儀器坐標系三個方向加速度的數(shù)值，進而解算出方位伽馬探管的工具面、井斜以及鉆井狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計

軟件由主程序、子程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成系統(tǒng)初始化和參數(shù)設(shè)置，調(diào)用各子程序函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲和通信；子程序主要包括窗口中心線的位置判斷子程序、伽馬計時計數(shù)子程序、數(shù)據(jù)存儲讀寫子程序、通信子程序、時鐘設(shè)置子程序、看門狗監(jiān)控子程序等。儀器加電后，首先對計數(shù)器、波特率、中斷等相關(guān)功能進行設(shè)置，并從存儲器中讀取存儲空間的地址和預(yù)置的采樣時間間隔，然后和井眼姿態(tài)測量單元通信讀取井斜和工具面數(shù)據(jù)來判斷窗口中心線的位置，根據(jù)不同位置作相應(yīng)處理。MWD向方位伽馬探管取數(shù)時，方位伽馬探管通過調(diào)用通信子程序，將數(shù)據(jù)傳給MWD。軟件設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程

3 方位伽馬探管的現(xiàn)場應(yīng)用

隨鉆方位伽馬探管通常與其他隨鉆測量儀器結(jié)合使用，共同完成地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)的測量，方位伽馬探管的測量數(shù)據(jù)通過MWD隨鉆測量系統(tǒng)傳輸?shù)降孛?，地面?shù)據(jù)處理系統(tǒng)將方位伽馬數(shù)據(jù)與對應(yīng)的井深數(shù)據(jù)結(jié)合生成方位伽馬曲線，指導(dǎo)導(dǎo)向工程師分辨上下界面巖性特征，有效發(fā)現(xiàn)儲集層的上部蓋層，捕捉進入油氣儲集層的最佳時機。目前，該方位伽馬探管先后在山西煤層氣、四川頁巖氣、勝利油田、延長油田、遼河油田等多個區(qū)塊進行了推廣和應(yīng)用，完成了100多口井的現(xiàn)場試驗、推廣應(yīng)用或生產(chǎn)服務(wù)。

圖7為延長油田某水平井鉆井作業(yè)中隨鉆方位伽馬探管測量的上、下伽馬和平均伽馬實測曲線。該曲線指示在井深750 m位置，下伽馬數(shù)據(jù)隨深度增加先變大，上伽馬數(shù)據(jù)隨后變大；在755 m處上、下伽馬曲線重合在一起后，下伽馬數(shù)據(jù)開始減小，上伽馬隨之減小，至760 m處交錯并重合在一起。結(jié)合平均伽馬曲線變化，對比撈取的巖屑樣品，可以確定鉆具穿過了一層高放射性地層。

隨鉆方位伽馬探管在吉林油田某水平井現(xiàn)場作業(yè)時，結(jié)合電磁波電阻率測量數(shù)據(jù)和方位伽馬探管測量數(shù)據(jù)及曲線，導(dǎo)向工程師能夠?qū)崟r監(jiān)控地質(zhì)參數(shù)變化，對將要出現(xiàn)的地層變化作出準確的判斷。該井方位伽馬探管應(yīng)用效果明顯，較好地反映了井眼軌跡的變化。圖8為該井2 530～2 550 m井段的方位伽馬曲線，紅色曲線為上伽馬曲線，藍色曲線為下伽馬曲線，揭示鉆具由上向下穿過一層低放射性地層后進入了一個高放射性地層。

圖7 延長油田某井鉆進時上、下伽馬和平均伽馬實測曲線

圖8 吉林油田某井2 530～2 550 m井段的方位伽馬曲線

圖9所示為該井水平段鉆具在儲集層鉆進過程中的方位伽馬曲線。在井段2 900～2 910 m位置，上伽馬曲線向上先變化，下伽馬隨上伽馬曲線隨后增大，之后重合在一起，表明井眼由下向上進入上部蓋層，導(dǎo)向工程師根據(jù)井眼軌跡變化，向下調(diào)整鉆具，使井眼重新回到儲集層；在井段2 985～3 000 位置，曲線指示下伽馬曲線向下先變化，上伽馬隨下伽馬曲線隨后減小，之后重合在一起，與井段2 900～2 910 m位置的曲線過程截然相反，表明井眼從上部蓋層重新進入儲集層。

圖9 吉林油田某井水平段方位伽馬曲線

4 結(jié) 論

隨鉆方位伽馬探管設(shè)計過程中考慮了儀器使用環(huán)境和現(xiàn)場需求，采用可靠性、安全性、電磁兼容性等設(shè)計。通過現(xiàn)場作業(yè)表明，隨鉆方位伽馬探管設(shè)計滿足了作業(yè)要求，能夠?qū)崟r反映地層信息，分辨上下界面巖性特征，有效發(fā)現(xiàn)儲集層的上部蓋層，捕捉進入油氣儲集層的最佳時機，適合在鉆井工程中進行地質(zhì)導(dǎo)向。