隨鉆方位伽馬測(cè)井儀的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

王 重 云

(中國(guó)石油長(zhǎng)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(cè)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(qiáng)度存在差異，通過在鉆進(jìn)過程中測(cè)量地層的自然伽馬值并傳回地面，定向工程師可以識(shí)別地層巖性和油氣儲(chǔ)層，判斷鉆進(jìn)是否在目標(biāo)層位，并以此為依據(jù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。不過自然伽馬測(cè)井也存在一定的局限性，當(dāng)鉆進(jìn)到地層交界位置時(shí)，由于測(cè)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(cè)量方法則能夠在鉆進(jìn)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(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)物質(zhì)豐富度和黏土含量，識(shí)別煤層氣的頂板和底板位置，在非常規(guī)油層定位與評(píng)估和煤層氣開發(fā)方面有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)外油服公司對(duì)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(cè)井儀器SAGR等。國(guó)內(nèi)雖然陸續(xù)有幾家單位開展了研究與設(shè)計(jì)，并取得了一定的進(jìn)展，但真正投入應(yīng)用的并不多見，其中代表性的有中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司、KeyDrill公司等[2-3]。

1 方位伽馬測(cè)量原理

隨鉆方位伽馬測(cè)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(cè)量部分設(shè)計(jì)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(cè)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(hù)?？紤]到貼壁式結(jié)構(gòu)對(duì)鉆鋌的密封性設(shè)計(jì)要求較高、鉆鋌對(duì)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(duì)更加簡(jiǎn)單靈活，因此本文的隨鉆方位伽馬測(cè)井儀采用探管式結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行方位伽馬測(cè)量時(shí)，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(shí)時(shí)計(jì)算探管在當(dāng)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(cè)量來自哪個(gè)方向的伽馬數(shù)據(jù)。如圖1所示，當(dāng)窗口中心線經(jīng)過A1點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)到A2點(diǎn)時(shí)，測(cè)得的伽馬計(jì)數(shù)為上伽馬；當(dāng)窗口中心線經(jīng)過B1點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)到B2點(diǎn)時(shí)，測(cè)得的伽馬計(jì)數(shù)為下伽馬。在鉆進(jìn)過程中微處理器不斷對(duì)地層伽馬值和探管姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算，即完成了方位伽馬的測(cè)量過程。

圖1 上、下伽馬判定示意

2 方位伽馬測(cè)井儀的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

一套完整的隨鉆方位伽馬測(cè)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(duì)各部分進(jìn)行具體介紹。

2.1 井下儀器

井下儀器是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)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(jī)、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(jī)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(jī)和整流器屬于通用部件，一般采購(gòu)專業(yè)公司生產(chǎn)的成品。因此，井下儀器的主要設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)算井斜和工具面等數(shù)據(jù)、根據(jù)標(biāo)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(chǔ)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(jìn)行編碼并驅(qū)動(dòng)脈沖器動(dòng)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(fù)責(zé)方位伽馬、粘滑系數(shù)、動(dòng)態(tài)井斜等參數(shù)計(jì)算，其PCB圖如圖2所示?？紤]到測(cè)井儀未來會(huì)在四川頁(yè)巖氣區(qū)域使用，在設(shè)計(jì)上執(zhí)行175℃標(biāo)準(zhǔn)，能夠在300 r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)方位伽馬測(cè)量。方位伽馬探管最高可實(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(jì)，適用于野外惡劣環(huán)境。為了確保在井場(chǎng)電壓不穩(wěn)的情況下能夠正常工作，除了在使用時(shí)建議配備UPS電源外，在設(shè)計(jì)上也增加了防電氣浪涌保護(hù)功能。司鉆顯示器內(nèi)部運(yùn)行WINCE系統(tǒng)，界面簡(jiǎn)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(hào)、獲取儀器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)濾波等，采用FPGA實(shí)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(cè)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(hào)傳回，信號(hào)被傳感器采集后經(jīng)隔離柵由FPGA進(jìn)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(jìn)行解碼，并通過地面解碼箱傳送至司鉆顯示器。測(cè)試模式對(duì)應(yīng)的是儀器在車間內(nèi)進(jìn)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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收、解碼、處理、顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以及寫入標(biāo)定與配置參數(shù)、繪制曲線與成像等功能，可以劃分為5個(gè)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(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)井儀的數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)井儀的配置參數(shù)也通過數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行下發(fā)；刻度校準(zhǔn)模塊用于在測(cè)井儀組裝完成后按照流程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校正，計(jì)算標(biāo)定系數(shù)與刻度系數(shù)，確定識(shí)讀結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系[8]；地面測(cè)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(dú)立的測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算后顯示在軟件界面上；解碼計(jì)算模塊通過地面解碼箱接收傳感器信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行解碼和計(jì)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(shí)現(xiàn)顯示、出圖或者保存為L(zhǎng)AS文件。

圖6 工具軟件功能模塊劃分

3 方位伽馬測(cè)井儀的刻度校準(zhǔn)

新的隨鉆方位伽馬測(cè)井儀必須經(jīng)過刻度校準(zhǔn)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(jìn)行校準(zhǔn)。定向探管與方位伽馬探管均需要進(jìn)行校準(zhǔn)操作，這里僅以方位伽馬探管為例進(jìn)行說明?？潭刃?zhǔn)實(shí)質(zhì)上是確立地層放射性強(qiáng)度參數(shù)與測(cè)井儀輸出計(jì)數(shù)率關(guān)系，也就是確定、測(cè)定測(cè)井儀的響應(yīng)靈敏度[9]。

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

當(dāng)測(cè)量對(duì)象的放射性為0時(shí)，測(cè)井儀讀數(shù)必然為0，即當(dāng)x=0時(shí)有y=0，故b=0，因而刻度方程可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為y=ax。

由此可得：a=y/x。

按照一級(jí)刻度標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)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(cè)量值向地層工程值的轉(zhuǎn)換。

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

表1 高放層和低放層測(cè)量計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)(100 s) CPS

計(jì)算刻度系數(shù)a的值(未標(biāo)注單位)為：

將a值保存在軟件中，供地面測(cè)試模塊和解碼計(jì)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(jìn)行刻度校準(zhǔn)的過程，測(cè)井儀在工程使用前，還應(yīng)利用刻度井進(jìn)行校準(zhǔn)[10-11]，刻度井的常見結(jié)構(gòu)如圖7所示。對(duì)于工具軟件來說，使用刻度井進(jìn)行校準(zhǔn)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(yàn)情況

為了檢驗(yàn)隨鉆方位伽馬測(cè)井儀的實(shí)際應(yīng)用效果，在完成室內(nèi)研制和標(biāo)定刻度等環(huán)節(jié)后，項(xiàng)目組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和下井試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的目的是檢查測(cè)井儀在不同的轉(zhuǎn)速下能否正確測(cè)出伽馬源的所在方位，如果測(cè)量的偏差較大，則需要對(duì)測(cè)量算法進(jìn)行修正?？梢钥闯?，測(cè)井儀正確計(jì)算出了伽馬源的所在方位。除了方位伽馬測(cè)量功能外，方位伽馬探管的測(cè)斜功能也需要驗(yàn)證，其井斜測(cè)點(diǎn)與定向探管井斜測(cè)點(diǎn)的距離為1.5 m。項(xiàng)目組在遼河油田雷61區(qū)塊某井開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)井段1 265～1 447 m，入井時(shí)間44 h，在試驗(yàn)井段中選取多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)深1 282.74 m位置，定向探管與方位伽馬探管的測(cè)斜數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)顯示，方位伽馬探管測(cè)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(yàn)期間井下儀器工作正常，各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量準(zhǔn)確，整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的施工需求。

圖8 測(cè)井儀對(duì)伽馬源的方位檢測(cè)測(cè)試

表2 方位伽馬探管與定向探管測(cè)斜數(shù)據(jù)對(duì)比 (°)

5 結(jié) 論

隨鉆方位伽馬測(cè)井儀的研制，有效解決了自然伽馬測(cè)量?jī)x在地層邊界方位判斷上的不足。利用方位伽馬信息，井場(chǎng)工程技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確判斷地層傾斜角度和邊界方位，及時(shí)掌握地層特征和油氣藏分布，獲得調(diào)整井眼軌跡的時(shí)間，解決地質(zhì)導(dǎo)向入靶及水平軌跡控制難題，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)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(cè)點(diǎn)距鉆頭仍有10 m以上的距離，測(cè)量結(jié)果存在一定的滯后性。建議開展方位伽馬測(cè)量前置研究，借助近鉆頭短節(jié)等方式實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)前移，并利用無線短傳技術(shù)向MWD回傳數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升地質(zhì)導(dǎo)向的及時(shí)性。