近鉆頭伽馬成像儀測(cè)量結(jié)果環(huán)境校正方法研究

李洪強(qiáng)， 王瑞和

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營(yíng) 257000）

世界范圍內(nèi)不少油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，開(kāi)始開(kāi)發(fā)厚度1.00 m左右的薄油藏。為提高薄油藏的開(kāi)發(fā)效果和效益，需要采用水平井開(kāi)發(fā)。為保證水平段在薄油藏中穿行，需要采用近鉆頭隨鉆測(cè)量?jī)x測(cè)量井眼軌跡參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)。近鉆頭隨鉆測(cè)量?jī)x位于鉆頭的后方，測(cè)量點(diǎn)與鉆頭的距離小于1.00 m，可以及時(shí)反映地層和井眼軌跡的變化，應(yīng)用效果好，使用成本相對(duì)較低，適用于薄油藏地質(zhì)導(dǎo)向鉆井[1–7]。

近鉆頭伽馬成像儀是在常規(guī)動(dòng)力鉆具與鉆頭之間增加一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量短節(jié)，該測(cè)量短節(jié)是測(cè)量鉆頭附近的井斜角和自然伽馬值并傳輸至地面的隨鉆測(cè)量?jī)x器[8–11]。目前，盡管國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出了近鉆頭成像儀，但仍處于邊應(yīng)用邊改進(jìn)優(yōu)化階段，還不是非常成熟，其中主要的缺陷有2個(gè)：1）近鉆頭伽馬成像測(cè)量環(huán)境校正方法需改進(jìn)；2）近鉆頭處劇烈振動(dòng)導(dǎo)致儀器可靠性較差。盡管人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到近鉆頭伽馬成像儀的偏心對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大的影響，但由于鉆柱在井下的運(yùn)動(dòng)存在不確定性，難以實(shí)時(shí)確定鉆進(jìn)中儀器的位置。以往處理近鉆頭伽馬數(shù)據(jù)時(shí)都是假設(shè)近鉆頭伽馬成像儀在井眼中居中，未考慮近鉆頭伽馬成像儀偏離井眼軸線（偏心）的影響。對(duì)于均質(zhì)地層，近鉆頭伽馬成像儀在偏心情況下，鉆鋌衰減、鉆井液衰減、鉀基鉆井液對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響沒(méi)有得到及時(shí)修正，標(biāo)識(shí)地層變化的上下伽馬曲線經(jīng)常出現(xiàn)分離現(xiàn)象[10–13]。對(duì)于上下伽馬曲線分離，地質(zhì)工程師會(huì)誤認(rèn)為地層發(fā)生變化。在地層發(fā)生變化時(shí)，上述因素也會(huì)導(dǎo)致傾角計(jì)算出現(xiàn)誤差[14–17]。由此可見(jiàn)，對(duì)近鉆頭伽馬成像數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境校正是處理近鉆頭伽馬成像數(shù)據(jù)的重要步驟。筆者從近鉆頭方位伽馬測(cè)量原理出發(fā)，分析了影響近鉆頭伽馬成像儀測(cè)量結(jié)果的環(huán)境因素及影響規(guī)律，建立了校正原始測(cè)量數(shù)據(jù)的方法，以得到更能真實(shí)反映地層特征的測(cè)量數(shù)據(jù)。

1 近鉆頭伽馬成像儀與地層的接觸關(guān)系

1.1 近鉆頭伽馬測(cè)量方法

近鉆頭伽馬成像儀是在常規(guī)動(dòng)力鉆具和鉆頭之間增加一個(gè)長(zhǎng)約1.00 m的無(wú)磁鉆鋌，在該無(wú)磁鉆鋌的外壁上開(kāi)槽，槽中安裝有測(cè)量井斜角和判斷旋轉(zhuǎn)方位的傳感器、自然伽馬傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)短傳、電池等模塊（見(jiàn)圖1）。在動(dòng)力鉆具后方安裝有一個(gè)無(wú)線接收模塊，接收近鉆頭伽馬成像儀傳輸?shù)慕@頭井斜角和伽馬成像測(cè)量數(shù)據(jù)，然后通過(guò)常規(guī)鉆井液脈沖信號(hào)將近鉆頭井斜角和伽馬成像數(shù)據(jù)傳輸至地面。鉆進(jìn)中，由鉆井液驅(qū)動(dòng)動(dòng)力鉆具帶動(dòng)近鉆頭伽馬成像儀旋轉(zhuǎn)，在鉆頭持續(xù)鉆入地層過(guò)程中，使用磁通門(mén)或陀螺儀將井筒360°圓周均勻分隔為8個(gè)或16個(gè)計(jì)數(shù)扇區(qū)，在一定的時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)每個(gè)扇區(qū)進(jìn)入伽馬傳感器的伽馬射線次數(shù)，形成環(huán)繞井筒均勻分區(qū)對(duì)應(yīng)的多個(gè)扇區(qū)伽馬計(jì)數(shù)值。

圖1 近鉆頭伽馬成像測(cè)量系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of near-bit gamma imaging system

這些扇區(qū)的伽馬計(jì)數(shù)值反映了環(huán)繞井筒巖石中的伽馬射線水平。伽馬計(jì)數(shù)扇區(qū)劃分方式如下：在井斜角小于切換角時(shí)，成像數(shù)據(jù)描述的是按照方位信息顯示的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖2（a）所示；在井斜角大于切換角時(shí)，成像數(shù)據(jù)描述的是環(huán)繞井筒測(cè)量得到的上下左右等成像數(shù)據(jù)，如圖2（b）所示。為利于測(cè)量人員認(rèn)識(shí)井筒形狀，該切換角選擇隨鉆測(cè)量重力工具面和磁場(chǎng)工具面轉(zhuǎn)換時(shí)的井斜角度，一般為3°～5°。圖2中內(nèi)圈、中圈和外圈分別表示上下方位伽馬、4象限方位伽馬和8象限方位伽馬成像扇區(qū)對(duì)應(yīng)的井筒范圍。

圖2 不同井斜狀態(tài)下顯示的伽馬扇區(qū)劃分Fig.2 Division of gamma sectors at different well deviations

近鉆頭伽馬成像儀測(cè)得多個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后，短程跨越動(dòng)力鉆具傳輸至常規(guī)MWD，進(jìn)而上傳至地面，經(jīng)解碼形成各個(gè)扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)集，然后按照井筒位置形成二維伽馬成像圖譜或立體三維隨鉆伽馬成像彩色井筒。垂直井段伽馬成像圖譜二維展開(kāi)以方位為基準(zhǔn)，定向井段和水平段伽馬成像圖譜二維展開(kāi)以重力工具面為基準(zhǔn)。

1.2 伽馬成像采集與地層接觸關(guān)系

圖3所示為鉆頭穿越地層界面的不同形式。在圖3（a）中，鉆頭自下而上從砂巖層（伽馬值?。┻M(jìn)入泥巖層（伽馬值大），井眼軌跡與地層界面同時(shí)存在水平和方位上的傾角。在圖3（b）中，鉆頭自上而下從砂巖層進(jìn)入泥巖層，井眼軌跡與地層界面僅存在水平上的傾角。

圖3 不同方式進(jìn)入地層時(shí)的伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)形態(tài)Fig.3 Data form of gamma measurement when the imager enters the formation in different ways

對(duì)于圖3（a）所示情況，伽馬曲線體現(xiàn)以下的變化：在砂巖中上下方位伽馬曲線重合顯示較低的伽馬值；穿越界面時(shí)，上方位伽馬曲線（紅色線）先變高，下方位伽馬曲線（藍(lán)色線）保持不變，從而上下方位伽馬曲線出現(xiàn)分離現(xiàn)象；隨著近鉆頭伽馬成像儀繼續(xù)深入地層界面，下伽馬曲線也逐漸變高，一直到上下方位伽馬扇區(qū)全部進(jìn)入泥巖，2條方位伽馬曲線趨于一致，顯示為高伽馬值，如圖3（c）所示。對(duì)于圖3（b）所示情況，上下方位伽馬曲線的變化如圖3（d）所示，上下伽馬曲線都是從低變高，穿越界面時(shí)曲線也發(fā)生了分離。圖3（d）與圖3（c）的不同之處是，穿越界面時(shí)下伽馬曲線先于上伽馬曲線變高，待全部進(jìn)入泥巖中后，上下方位伽馬曲線吻合顯示高伽馬值。從上述分析可知，上下伽馬曲線分離和變化的先后順序可以呈現(xiàn)近鉆頭伽馬成像儀自上而下或自下而上穿越地層界面的現(xiàn)象。方位伽馬曲線的分離順序給出了鉆頭穿越地層界面的特征，但是當(dāng)?shù)貙优c井眼軌跡的交互除了在水平上存在傾角，同時(shí)在方位上也存在傾角時(shí)，無(wú)法根據(jù)方位伽馬曲線判斷地層左右的傾斜。此時(shí)，伽馬成像測(cè)量將顯示出其優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于不存在左右偏斜的情況（見(jiàn)圖3（b）），當(dāng)近鉆頭伽馬成像儀自上而下從砂巖層進(jìn)入泥巖層，各扇區(qū)伽馬值變高的時(shí)機(jī)不同，伽馬成像圖譜呈現(xiàn)的是居中向左箭頭的形狀（見(jiàn)圖3（f））。對(duì)于存在左右偏斜的情況（見(jiàn)圖3（a）），伽馬成像圖譜呈現(xiàn)正弦分布形狀（見(jiàn)圖3（e））。由此可見(jiàn)，伽馬成像圖譜既能夠體現(xiàn)水平方向上的變化，又能體現(xiàn)方位上的變化，說(shuō)明伽馬成像圖譜可以立體展現(xiàn)井眼軌跡與地層的交互關(guān)系。這樣地質(zhì)工程師在水平段既可以依據(jù)伽馬成像圖譜進(jìn)行井斜調(diào)整（增降井斜），也可以調(diào)整方位（扭方位），控制水平段在儲(chǔ)層中穿行。伽馬成像圖譜的形狀變化為判別井眼軌跡穿越油藏的類型和計(jì)算地層傾角提供了初始依據(jù)。

利用上述特征，在近鉆頭伽馬成像儀進(jìn)入地層界面的時(shí)候，利用實(shí)時(shí)上傳的井斜角和伽馬成像數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)計(jì)算地層傾角。近鉆頭伽馬成像儀與地層傾角、井斜角的關(guān)系可表示（見(jiàn)圖4）為：

圖4 近鉆頭伽馬成像儀與地層傾角、井斜角的關(guān)系Fig.4 Relationship of the near-bit gamma imager with formation dip and well deviation

式中： φ 為地層傾角，（°）；θ為近鉆頭井斜角，（°）；D為井眼直徑，mm；h為伽馬成像數(shù)據(jù)形成的箭頭高度，mm。

原始測(cè)量圖譜受到近鉆頭伽馬成像儀所處環(huán)境的影響會(huì)使h不能真實(shí)反映地層傾角的變化，因此需要針對(duì)鉆鋌衰減、鉆井液衰減、鉀基鉆井液修正，以及近鉆頭伽馬成像儀的偏心進(jìn)行校正，以得到較為準(zhǔn)確的井壁伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)集。在此基礎(chǔ)上，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形識(shí)別方法或數(shù)學(xué)算法得到h，進(jìn)一步利用式（1）和式（2）求得地層傾角 φ 。

2 近鉆頭伽馬成像測(cè)量影響因素分析與校正方法

對(duì)于近鉆頭伽馬成像數(shù)據(jù)的處理，通常是設(shè)定近鉆頭伽馬成像儀在井眼中居中，然后經(jīng)過(guò)鉆鋌衰減、鉆井液衰減、鉀基鉆井液修正得到反應(yīng)巖性變化的自然伽馬計(jì)數(shù)值，用來(lái)識(shí)別巖性和計(jì)算穿越地層的傾角，以便更加精確地控制井眼軌跡在儲(chǔ)層中穿行。但是在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，即近鉆頭伽馬成像儀穿越預(yù)測(cè)均質(zhì)地層時(shí)，上下方位伽馬曲線發(fā)生了分離。這種上下伽馬曲線的分離會(huì)使地質(zhì)工程師產(chǎn)生疑惑，難以分清是預(yù)測(cè)地層時(shí)出錯(cuò)還是伽馬測(cè)量出現(xiàn)誤差。在排除儀器測(cè)量精度和地層的影響后，地質(zhì)工程師開(kāi)始懷疑測(cè)量?jī)x器的偏心對(duì)方位伽馬測(cè)量的影響，即當(dāng)方位伽馬在井筒中不居中時(shí)，方位伽馬各個(gè)扇區(qū)受環(huán)境的影響不一致，這會(huì)導(dǎo)致均質(zhì)地層中方位伽馬曲線出現(xiàn)分離的異?，F(xiàn)象。

分析近鉆頭伽馬成像儀在井筒中不居中的影響因素，對(duì)近鉆頭伽馬成像儀進(jìn)行偏心校正是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中解決和糾正上下伽馬曲線分離、修正伽馬成像圖譜和精確計(jì)算地層傾角的重要步驟。

2.1 偏心對(duì)近鉆頭伽馬測(cè)量的影響

近鉆頭伽馬成像儀安裝在動(dòng)力鉆具前方，由于后方存在動(dòng)力鉆具彎殼體，其與井筒的軸線形成一定的夾角，偏離中心位置，如圖5所示。在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)上部鉆柱和動(dòng)力鉆具進(jìn)而帶動(dòng)近鉆頭伽馬成像儀在井筒中復(fù)合旋轉(zhuǎn)，方位伽馬傳感器敏感面相對(duì)井筒的距離在井下動(dòng)態(tài)變化，這時(shí)無(wú)法確定近鉆頭伽馬成像儀在井筒中的位置，難以對(duì)近鉆頭伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。但在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，動(dòng)力鉆具工具面處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，井下鉆具在井筒中也處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。特別是定向工程師開(kāi)始準(zhǔn)備調(diào)整井眼軌跡時(shí)，往往采用滑動(dòng)鉆進(jìn)，動(dòng)力鉆具工具面相對(duì)井筒穩(wěn)定，近鉆頭伽馬成像儀在井筒中一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的位置旋轉(zhuǎn)。

圖5 近鉆頭伽馬成像儀在井筒中的位置Fig.5 Position of the near-bit gamma imager in the wellbore

圖6中的剖面分別代表近鉆頭伽馬成像儀在定向模式下滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)的4種常見(jiàn)姿態(tài)：降斜鉆進(jìn)（見(jiàn)圖6（a））、增斜鉆進(jìn)（見(jiàn)圖6（b））、向右扭方位鉆進(jìn)（見(jiàn)圖6（c））和向左扭方位（見(jiàn)圖6（d））。近鉆頭伽馬成像儀開(kāi)有4個(gè)槽分別安裝伽馬傳感器（綠色），方位伽馬井斜/扇區(qū)方位判斷傳感器（紅色）、井下鋰電池（黃色）、伽馬數(shù)據(jù)處理電路和天線傳輸電路等（藍(lán)色），圖中棕色部分為鉆鋌內(nèi)外環(huán)空中的鉆井液?；瑒?dòng)鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱和動(dòng)力鉆具的外殼在井筒中相對(duì)靜止，動(dòng)力鉆具中的螺桿帶動(dòng)近鉆頭伽馬成像儀和鉆頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。由于動(dòng)力鉆具工具面擺放位置不同，處于不同定向模式的近鉆頭伽馬成像儀在井筒中的位置相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 定向模式下的近鉆頭伽馬儀器在井筒中偏心位置示意Fig.6 Eccentric position of the near-bit gamma imager in the wellbore in the directional mode

從圖6可以看出，在特定的定向模式下，伽馬傳感器（紅色）繞測(cè)量?jī)x器的軸心旋轉(zhuǎn)，伽馬傳感器到井壁的距離不斷發(fā)生變化。可見(jiàn)，伽馬傳感器和井壁的距離與動(dòng)力鉆具工具面和旋轉(zhuǎn)測(cè)量時(shí)的扇區(qū)都有關(guān)系。將圖6（b）（增斜）中的鉆鋌劃分為8個(gè)象限，可見(jiàn)由于偏心的影響，地層中的伽馬射線穿越井筒到達(dá)伽馬傳感器的距離不一樣，由于伽馬射線在鉆井液中會(huì)衰減，在象限1受到鉆井液的影響明顯大于象限4。為此需要準(zhǔn)確分析得到上述不同測(cè)量扇區(qū)伽馬傳感器相對(duì)井壁距離的變化，對(duì)由于距離變化造成的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。

筆者以常用的?171.4和?203.4 mm近鉆頭伽馬成像儀器為例進(jìn)行分析。?171.4 mm近鉆頭伽馬成像儀器適用于?215.9 mm 井眼，?203.4 mm 近鉆頭伽馬成像儀器適用于?311.1 mm井眼。對(duì)于圖6（b）所示的滑動(dòng)鉆進(jìn)，在動(dòng)力鉆具工具面靜止不動(dòng)的情況下，近鉆頭伽馬傳感器與井壁的距離可利用式（3）求出。

式中：L為近鉆頭伽馬傳感器到井壁的距離，mm；D為井眼直徑，mm；d為近鉆頭伽馬成像儀的直徑，mm； β為伽馬傳感器測(cè)量角度，（°）；l0為近鉆頭伽馬成像儀中心與井眼中軸線的距離，mm。

對(duì)于圖6（b）所示情況，式（3）中的D和d為已知量，l0可以按照井下鉆具組合計(jì)算出造斜時(shí)近鉆頭伽馬成像儀中心與井眼中軸線的距離，這樣就可以利用式（3）計(jì)算出不同測(cè)量角度下近鉆頭伽馬傳感器與井壁的距離。利用式（3）分別計(jì)算?171.4 mm近鉆頭伽馬成像儀在?215.9 mm 井眼和?203.4 mm近鉆頭伽馬成像儀在?311.1 mm井眼中滑動(dòng)鉆進(jìn)造斜時(shí)，伽馬傳感器與井壁的距離，結(jié)果如圖7所示（近鉆頭伽馬成像儀測(cè)量角度為180°時(shí)最貼近井壁）。

圖7 不同扇區(qū)近鉆頭方位伽馬成像儀與井壁的距離Fig.7 Distance between the near-bit gamma imager at different sectors and the borehole wall

從圖7可以看出，近鉆頭伽馬成像儀的每個(gè)扇區(qū)和井壁之間的距離都是不同的。當(dāng)這些空間充滿鉆井液時(shí)，巖石中的伽馬射線將會(huì)經(jīng)過(guò)不同厚度的鉆井液到達(dá)伽馬傳感器，因而鉆井液造成每個(gè)扇區(qū)伽馬計(jì)數(shù)的衰減程度也不同。

上述情況僅描述了圖6中近鉆頭定向增斜鉆進(jìn)的情況，其他滑動(dòng)鉆進(jìn)姿態(tài)和動(dòng)力鉆具工具面角相關(guān)。各個(gè)扇區(qū)近鉆頭伽馬傳感器與井壁的距離也會(huì)根據(jù)動(dòng)力鉆具工具面角進(jìn)行偏移計(jì)算。根據(jù)滑動(dòng)鉆進(jìn)不同姿態(tài)下的動(dòng)力鉆具工具面角，利用式（3）可以計(jì)算得到不同鉆進(jìn)姿態(tài)下每個(gè)扇區(qū)測(cè)量點(diǎn)與井壁的距離。

導(dǎo)致自然伽馬射線受到偏心影響的因素主要有2個(gè)：1）地層伽馬射線通過(guò)一定厚度鉆井液造成的衰減；2）不同厚度的鉀基鉆井液對(duì)伽馬計(jì)數(shù)的干擾。下面將進(jìn)一步討論2個(gè)因素的影響。盡管鉆鋌壁厚對(duì)伽馬射線也有衰減作用，但由于近鉆頭伽馬成像儀本體的厚度一定，鉆鋌對(duì)伽馬射線的衰減為一個(gè)常數(shù)，可以在近鉆頭伽馬成像儀刻度的時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)償，不在此討論鉆鋌壁厚的衰減。

2.2 偏心下鉆井液衰減的影響

鉆井液衰減是當(dāng)?shù)貙又械馁ゑR射線進(jìn)入伽馬碘化鈉晶體前，被鉆井液阻擋造成的變化。在實(shí)驗(yàn)室中，標(biāo)準(zhǔn)伽馬刻度源和伽馬傳感器之間通過(guò)更換不同密度和厚度的鉆井液，可以測(cè)量得到伽馬射線鉆井液衰減修正圖版（見(jiàn)圖8）。

圖8 伽馬射線鉆井液衰減修正圖版Fig.8 Correction chart of gamma-ray for attenuation in drilling fluids

參照美國(guó)休斯頓大學(xué)的經(jīng)驗(yàn)方法，對(duì)伽馬射線受鉆井液密度和厚度的影響規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)擬合，得到式（4）及其對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)：

式中：YGR為伽馬鉆井液衰減系數(shù)；a1一般取1；b1的擬合值為0.00454；ρ為鉆井液的密度，kg/L；δ為伽馬成像傳感器與井壁之間環(huán)空的鉆井液厚度，mm。

在滑動(dòng)鉆進(jìn)模式下，進(jìn)行造斜時(shí)，其動(dòng)力鉆具工具面角為0°。將式（3）代入式（4），可以得到圖9所示近鉆頭伽馬成像儀不同測(cè)量角度下的衰減修正圖版。

圖9 ?171.4/?203.4 mm近鉆頭伽馬鉆井液衰減修正圖版Fig.9 Correction chart of ?171.4/?203.4 mm near-bit gamma for attenuation in drilling fluids

由圖9可知：在動(dòng)力鉆具工具面相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，近鉆頭方位伽馬不同測(cè)量角度受鉆井液的影響程度不同，鉆井液密度越大，與井壁的距離越大，衰減越厲害；?171.4 mm近鉆頭伽馬成像儀的鉆井液衰減系數(shù)為1.00～1.23；?203.4 mm近鉆頭伽馬成像儀的鉆井液衰減系數(shù)為1.00～1.56?？梢?jiàn)，在同樣伽馬計(jì)數(shù)的情況下，鉆井液會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。這也是在鉆井液密度較大的情況下，在均質(zhì)地層中方位伽馬曲線產(chǎn)生分離的主要原因。

2.3 偏心下鉀基鉆井液修正

為了防止井壁坍塌，也會(huì)用到鉀基鉆井液，其氯化鉀含量不低于5%。鉆井液中的鉀離子同樣釋放射線進(jìn)入伽馬傳感器。為了修正鉆井液中鉀離子的干擾，需要研究偏心條件下鉀基鉆井液對(duì)伽馬測(cè)量值的影響。在實(shí)驗(yàn)室，標(biāo)準(zhǔn)伽馬刻度源和伽馬傳感器之間通過(guò)更換不同密度和厚度的鉆井液，測(cè)量伽馬值并進(jìn)行擬合，得到式（5）及其對(duì)應(yīng)系數(shù)：

式中：Yk為鉀基鉆井液干擾修正值，API；wKCl為氯化鉀含量；a2，b2和c2為系數(shù)，擬合得到其值分別為–0.019，0.441和 0.016。

分別選用氯化鉀含量為1%～15%的鉀基鉆井液進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量得到了不同厚度鉀基鉆井液對(duì)應(yīng)的鉀基鉆井液伽馬修正值補(bǔ)償圖版（見(jiàn)圖10）。

圖10 鉀基鉆井液補(bǔ)償修正圖版Fig.10 Correction chart of compensation in potassiumbased drilling fluid

同樣將式（3）代入式（5）計(jì)算得到偏心條件下近鉆頭伽馬成像儀不同測(cè)量角度下鉀基鉆井液的修正圖譜（見(jiàn)圖11）。

2.4 偏心因素綜合校正

由圖9和圖11可知，在滑動(dòng)鉆進(jìn)偏心情況下，可以得到不同測(cè)量角度下的鉆井液衰減系數(shù)和鉀基鉆井液伽馬補(bǔ)償數(shù)值。所以在滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)原始測(cè)量得到的不同測(cè)量角度下的伽馬數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏁r(shí)，可以針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行偏心校正。校正公式為：

圖11 ?171.4/?203.4 mm近鉆頭伽馬鉀基鉆井液修正圖譜Fig.11 Correction chart of ?171.4/?203.4 mm near-bit gamma in potassium-based drilling fluids

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述校正方法和偏心修正圖譜的準(zhǔn)確性，需要更換不同的鉆井液，并反復(fù)進(jìn)行伽馬傳感器在井筒中不同位置的成像掃描試驗(yàn)。由于無(wú)法在實(shí)鉆井中進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)量，為了驗(yàn)證上述推論的正確性，設(shè)計(jì)隨鉆伽馬成像模擬試驗(yàn)裝置，利用該裝置進(jìn)行偏心伽馬成像掃描試驗(yàn)。通過(guò)模擬試驗(yàn)分析伽馬成像圖譜在偏心情況下受環(huán)境因素的影響，并對(duì)偏心條件下的鉆井液衰減進(jìn)行校正，以驗(yàn)證上文偏心校正方法的準(zhǔn)確性。

隨鉆伽馬成像模擬試驗(yàn)裝置由隨鉆伽馬成像傳感器旋轉(zhuǎn)掃描控制裝置（見(jiàn)圖12（a））和按照扇區(qū)組成的模擬井筒（圖12（b））組成。模擬井筒按照上部低自然伽馬放射性和下部高自然伽馬放射性的方式調(diào)整組合成一個(gè)45°的地層夾角，模擬井筒中部空間充滿鉆井鉆井液。隨鉆伽馬成像傳感器旋轉(zhuǎn)掃描控制裝置中的傳感器為方位伽馬傳感器，它可以按照設(shè)定的鉆鋌尺寸、鉆時(shí)和轉(zhuǎn)速對(duì)模擬井筒進(jìn)行螺旋掃描（見(jiàn)圖12（c）），方位伽馬傳感器測(cè)量得到的各個(gè)不同扇區(qū)伽馬計(jì)數(shù)值可以實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖12 伽馬成像測(cè)量掃描模擬試驗(yàn)裝置Fig.12 Experimental device for the simulation of gamma imaging measurement and scanning

模擬井筒注滿密度為1.1 kg/L的水基鉆井液，將模擬井筒伽馬高放射性部分沖北放置，方位伽馬傳感器在井筒中心居中旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，可以得到16個(gè)扇區(qū)的伽馬曲線（見(jiàn)圖13（a））和伽馬成像圖譜（見(jiàn)圖13（b））。伽馬成像圖譜從南面分割展開(kāi)，中部為北，如圖14（a）所示，對(duì)伽馬成像圖譜進(jìn)行邊緣探測(cè)后可以得到高度h1，然后利用式（1）計(jì)算得到地層傾角為 45.1°。

圖13 居中掃描得到的16扇區(qū)伽馬曲線和成像圖譜Fig.13 Gamma ray curves and imaging spectra of 16 sectors obtained from the centered scanning

當(dāng)方位伽馬傳感器貼近北部對(duì)井筒進(jìn)行掃描時(shí)，其北部離井壁近，南部離井壁遠(yuǎn)，測(cè)量得到的伽馬成像圖譜如圖14（b）所示。貼近高伽馬井筒部分受到鉆井液衰減影響較小，按照同樣的邊緣追蹤得到的高度h2明顯變小，計(jì)算得到地層傾角為40.3°，與地層真實(shí)傾角的誤差為–4.7°。通過(guò)對(duì)比圖14（a）和圖14（b）發(fā)現(xiàn)，對(duì)同一井筒，方位伽馬傳感器居中和偏離井筒軸線掃描得到的 圖譜高度不一樣，依照偏離井筒軸線掃描得到的圖譜高度計(jì)算的地層傾角偏離了地層的真實(shí)傾角。

圖14 居中掃描、偏心掃描和偏心修正后的伽馬圖譜Fig.14 Comparison of gamma spectra obtained from centered scanning, eccentric scanning, and eccentric correction

按照式（6）對(duì)偏離井筒中軸線掃描得到的伽馬成像圖譜（見(jiàn)圖14（b）進(jìn)行修正，修正后的圖譜如圖14（c）所示。按照同樣的邊緣追蹤原則得到的h3和居中測(cè)量的h1（見(jiàn)圖14（a））趨于一致，計(jì)算得到的地層傾角為44.8°，與地層真實(shí)傾角的誤差為–0.2°。由以上試驗(yàn)可知，近鉆頭伽馬成像儀中心偏離井筒中軸線會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，利用其計(jì)算的地層傾角存在較大的誤差，利用上文的校正方法對(duì)偏心情況下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正后，計(jì)算出地層傾角的誤差很小，說(shuō)明上文的校正方法可靠。

4 結(jié)論及建議

1）在近鉆頭伽馬成像儀中心偏離井筒中軸線的情況下，不同扇區(qū)伽馬傳感器與井壁的距離存在差異，需要針對(duì)近鉆頭伽馬成像儀和井筒的尺寸分析計(jì)算伽馬傳感器與井壁的距離。

2）在近鉆頭伽馬成像儀中心偏離井筒中軸線的情況下，鉆井液密度以及其中氯化鉀含量都會(huì)對(duì)原始伽馬計(jì)數(shù)產(chǎn)生較大影響。在沒(méi)有進(jìn)行綜合環(huán)境校正的情況下，使用原始伽馬扇區(qū)測(cè)量數(shù)值識(shí)別地層和計(jì)算地層傾角，會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。

3）采用文中提出的近鉆頭伽馬成像儀測(cè)量環(huán)境校正方法，可以有效校正偏心條件下的近鉆頭伽馬成像圖譜，準(zhǔn)確計(jì)算地層傾角，校正后的圖譜更能顯示地層的真實(shí)情況。

4）文中的校正方法是對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的滑動(dòng)定向鉆進(jìn)的近鉆頭伽馬成像圖譜進(jìn)行校正，但是當(dāng)井下存在較為復(fù)雜的井下蝸動(dòng)、近鉆頭伽馬傳感器繞井筒復(fù)合公轉(zhuǎn)等現(xiàn)象時(shí)，還需對(duì)實(shí)時(shí)井徑進(jìn)行測(cè)距以得到更準(zhǔn)確的補(bǔ)償修正。

5）為了更加直觀地理解和分析鉆頭鉆遇的儲(chǔ)層，需要進(jìn)一步提高近鉆頭伽馬成像測(cè)量的分辨率，增加近鉆頭實(shí)時(shí)超聲井徑測(cè)量、研究實(shí)時(shí)三維數(shù)字化井筒重建和實(shí)時(shí)地層評(píng)價(jià)技術(shù)。