旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬測(cè)量?jī)x研制與應(yīng)用

孫龍飛，王曉鵬，張啟龍，謝濤，林海，董平華，尚捷

1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司（天津 300459）

2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（天津 300459）

3.中海油田服務(wù)股份有限公司（河北 廊坊 065201）

隨鉆方位伽馬測(cè)井儀是石油勘探開(kāi)發(fā)必不可少的儀器，該儀器通過(guò)測(cè)量地層自然放射性的差異，確定地層巖性及泥質(zhì)含量，以評(píng)價(jià)油氣藏可能性及儲(chǔ)量[1-3]。以斯倫貝謝、哈里伯頓為代表的各大油服公司相繼推出隨鉆方位伽馬儀器，可準(zhǔn)確識(shí)別地層信息，在現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)隨著我國(guó)部分海上油田進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，薄油層、斷塊油層地開(kāi)發(fā)越來(lái)越多，傳統(tǒng)的隨鉆方位伽馬測(cè)井儀由于伽馬測(cè)點(diǎn)距離鉆頭較遠(yuǎn)，不利于鉆井軌跡的及時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致鉆出儲(chǔ)層，難以實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。針對(duì)此問(wèn)題，介紹了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬，該儀器集成安裝在中海油服研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)加長(zhǎng)柔性短節(jié)內(nèi)部，是旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的一部分，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)存8 扇區(qū)和實(shí)時(shí)上傳4 扇區(qū)的伽馬測(cè)量，且伽馬測(cè)點(diǎn)距離鉆頭只有4.069 m，測(cè)量精度±5API@100API（鉆進(jìn)速度ROP≤30 m/h），并且與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)高度集成，借助旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的軌跡控制能力實(shí)現(xiàn)及時(shí)回調(diào)，確保軌跡在儲(chǔ)層穿行，提高鉆遇率。

1 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬測(cè)量系統(tǒng)集成了自然伽馬測(cè)井技術(shù)和方位扇區(qū)測(cè)量技術(shù)。由伽馬測(cè)量模塊、方位扇區(qū)測(cè)量模塊和雙伽馬探測(cè)器組成，如圖1所示。伽馬測(cè)量模塊與系統(tǒng)總線掛接，實(shí)現(xiàn)取電和通訊，同時(shí)從系統(tǒng)總線讀取井斜INC 和方位AZI 值，并采用雙伽馬探測(cè)器實(shí)現(xiàn)伽馬射線的采集處理和計(jì)數(shù)。方位扇區(qū)測(cè)量模塊采用三軸磁通門傳感器實(shí)現(xiàn)方位測(cè)量，其原理是通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度在x軸、y軸、z軸的分量Hx、Hy、Hz，再利用其三角函數(shù)關(guān)系得到方位角。同時(shí)，通過(guò)向伽馬測(cè)量模塊發(fā)送扇區(qū)整周期標(biāo)記信號(hào)S0 和分扇區(qū)標(biāo)記信號(hào)S1，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)扇區(qū)的伽馬強(qiáng)度測(cè)量，以反映地層巖性變化信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 方位扇區(qū)測(cè)量模塊

2.1 方位扇區(qū)測(cè)量原理

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬測(cè)量?jī)x可實(shí)現(xiàn)8扇區(qū)和4 扇區(qū)兩種測(cè)量模式。8 扇區(qū)是環(huán)井周8 等分，每個(gè)扇區(qū)45°，扇區(qū)編號(hào)順時(shí)針?lè)譃? 扇區(qū)至7 扇區(qū)，并將對(duì)應(yīng)扇區(qū)的伽馬計(jì)數(shù)記錄到內(nèi)存中。4 扇區(qū)是環(huán)井周4 等分，每個(gè)扇區(qū)90°，分為上、下、左、右扇區(qū)，并通過(guò)泥漿脈沖信號(hào)實(shí)時(shí)上傳對(duì)應(yīng)扇區(qū)的伽馬計(jì)數(shù)，地面工程師可通過(guò)4 個(gè)扇區(qū)伽馬強(qiáng)度變化的先后順序，判斷進(jìn)出油氣層的方向[4]，從而及時(shí)調(diào)整鉆井軌跡。

方位扇區(qū)角?是儀器橫截面上伽馬探測(cè)器環(huán)井周掃過(guò)的扇區(qū)角[5]，如圖2 所示，它由兩部分組成：一是磁工具面角γ；二是地磁北在橫截面上的投影與該截面高邊的夾角ω。利用安裝在鉆鋌骨架上的正交磁通門傳感器可測(cè)得地磁矢量的兩個(gè)分量Hx和Hy，則有：

圖2 扇區(qū)角幾何關(guān)系示意圖

已知ω只與磁傾角θ、井斜角α、方位角β有關(guān)，且磁傾角只與緯度位置有關(guān)，井斜角和方位角可通過(guò)隨鉆測(cè)量?jī)x（MWD）測(cè)量得到，則有：

在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下，方位扇區(qū)角?的計(jì)算公式為：

因此只需通過(guò)雙軸磁通門傳感器快速測(cè)量Hx和Hy，即可實(shí)現(xiàn)方位扇區(qū)角的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)測(cè)量。

2.2 方位扇區(qū)測(cè)量電路設(shè)計(jì)

為滿足測(cè)量需求，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方位扇區(qū)測(cè)量模塊由MCU 主控電路、磁通門測(cè)量采集處理電路[6-7]、溫度測(cè)量電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、通訊電路、基準(zhǔn)電壓電路構(gòu)成。

MCU 主控電路是方位扇區(qū)測(cè)量模塊的控制核心，采用ADUC845 處理器，主要功能是實(shí)現(xiàn)方位扇區(qū)角解算[8]、A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊及時(shí)間同步。磁通門測(cè)量采集處理電路將地磁場(chǎng)3 個(gè)軸向上的分量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Hx、Hy、Hz，并進(jìn)行激勵(lì)放大后輸入到主控電路完成采集處理，如圖3所示。主控電路根據(jù)溫度測(cè)量電路輸入的電壓信號(hào)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算，得到扇區(qū)角。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路由電源轉(zhuǎn)換芯片、電平轉(zhuǎn)換芯片和FLASH 存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和加載參數(shù)的存儲(chǔ)?；鶞?zhǔn)電壓采用ADR421 芯片提供+2.5 V 和+1.25 V 的參考電壓。通訊電路采用SN65HVD11QD 芯片與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)差分異步串口通訊，實(shí)現(xiàn)程序和參數(shù)下載。

圖3 軸磁通門輸出信號(hào)調(diào)理電路

3 伽馬測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)井下作業(yè)工況和測(cè)量要求，選用型號(hào)為NGT-075 的伽馬探測(cè)器，外徑為19.05 mm（0.75″)。該伽馬探測(cè)器將NaI 晶體、光電倍增管、高壓模塊、前置放大電路集成于一體，以節(jié)省安裝空間。伽馬測(cè)量模塊由主控電路、電源電路、系統(tǒng)總線接口電路、RTC 時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路構(gòu)成，如圖4所示。主控電路完成雙伽馬探測(cè)器伽馬射線采集計(jì)數(shù)、扇區(qū)中斷信號(hào)處理、伽馬強(qiáng)度計(jì)算及系統(tǒng)總線指令收發(fā)等功能。 電源電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線取電，并轉(zhuǎn)化為3.3 V、±5 V、24 V輸出，為其他芯片、磁通門傳感器和伽馬探測(cè)器供電。RTC時(shí)鐘電路完成同步時(shí)間，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路實(shí)現(xiàn)方位伽馬測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。伽馬測(cè)量模塊的固件程序包含5個(gè)業(yè)務(wù)處理單元和10個(gè)外設(shè)接口處理單元，如圖5所示，可實(shí)現(xiàn)方位伽馬的測(cè)量、存儲(chǔ)和傳輸功能。

圖4 伽馬測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

圖5 伽馬測(cè)量模塊程序結(jié)構(gòu)

4 方位伽馬刻度方法與軟件開(kāi)發(fā)

由于不同伽馬探測(cè)器的計(jì)數(shù)效率存在差異，以及安裝伽馬探測(cè)器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及材料對(duì)伽馬射線的屏蔽程度不同，所以需要在儀器出廠前進(jìn)行刻度標(biāo)定[9]。針對(duì)不同井眼尺寸的儀器，選用對(duì)應(yīng)的刻度井進(jìn)行刻度標(biāo)定[10-11]。對(duì)于675 型旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬儀器選擇井眼直徑216 mm 的刻度井，低刻值伽馬強(qiáng)度為11.8 API，高刻值伽馬強(qiáng)度為264.5 API，刻度井的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。刻度過(guò)程分低刻和高刻兩步進(jìn)行：低刻時(shí)，下入低刻井；高刻時(shí)，下入高刻井，且保證伽馬測(cè)點(diǎn)距離井口1.25 m。

圖6 刻度井結(jié)構(gòu)圖

為了提高刻度標(biāo)定的效率和精度，以Visual Studio 2012為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了刻度標(biāo)定專用軟件，如圖7所示。該軟件具有刻度參數(shù)自動(dòng)擬合、刻度數(shù)據(jù)自動(dòng)保存及刻度時(shí)間寫入等功能。通過(guò)采集100組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法擬合得到伽馬強(qiáng)度Gr與單位時(shí)間伽馬計(jì)數(shù)值cps的線性關(guān)系，即：Gr = K × cps + B,其中K為比例系數(shù)，B為截距，并將K和B加載到儀器當(dāng)中，以計(jì)算伽馬強(qiáng)度。

圖7 刻度標(biāo)定軟件

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬在海上油田順利完成作業(yè)，總進(jìn)尺1 480 m，循環(huán)時(shí)間48.8 h，驗(yàn)證了測(cè)量電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，上、下、左、右4扇區(qū)伽馬測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定，方位信號(hào)輸出正常，且能正確反映地層巖性變化信息，與同一趟鉆常規(guī)電阻率方位伽馬儀器測(cè)量數(shù)據(jù)相吻合。伽馬測(cè)量曲線如圖8所示，縱坐標(biāo)為井深，橫坐標(biāo)分別為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬PGRUm（上伽馬值）、PGRDm（下伽馬值）、電阻率方位伽馬PGRUm_ACPR（上伽馬值）、PGRDm_ACPR（下伽馬值）。從圖8 可判斷出在井深2 037 m位置，下伽馬值先增大，上伽馬值后增大，說(shuō)明儀器從儲(chǔ)層下部穿出，進(jìn)入泥巖，為現(xiàn)場(chǎng)工程師及時(shí)調(diào)整軌跡指明了方向。

圖8 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向方位伽馬測(cè)井曲線

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該儀器運(yùn)行正常，測(cè)量電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能正確反映地層巖性變化信息；并為現(xiàn)場(chǎng)工程師及時(shí)決策提供依據(jù)。

6 結(jié)論

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向近鉆頭方位伽馬測(cè)量?jī)x作為中海油服自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的組成部分，使旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)具備了近鉆頭地層識(shí)別能力，為井下閉環(huán)系統(tǒng)和地面決策人員提供了更為精準(zhǔn)、及時(shí)的軌跡調(diào)整依據(jù)，可有效防止軌跡出層，保證鉆井軌跡始終在目標(biāo)油氣層中鉆進(jìn)。其成果如下：

1）距離鉆頭更近，測(cè)點(diǎn)距離鉆頭只有4.069 m，可及時(shí)判斷儲(chǔ)層情況，并第一時(shí)間調(diào)整軌跡。

2）具備扇區(qū)方位測(cè)量功能，設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路和磁通門信號(hào)調(diào)理電路消除溫度波動(dòng)誤差，提升扇區(qū)方位測(cè)量精度。

3）優(yōu)化扇區(qū)中斷信號(hào)處理機(jī)制，提升測(cè)量采集速度，防止丟失扇區(qū)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)環(huán)井周實(shí)時(shí)4扇區(qū)、內(nèi)存8扇區(qū)的伽馬測(cè)量。

4）開(kāi)發(fā)方位伽馬刻度軟件，實(shí)現(xiàn)伽馬刻度“一鍵化”，提升了工作效率和刻度精度。

隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的深入，深井、超深井、大位移井越來(lái)越多，需要進(jìn)一步提高方位伽馬測(cè)量?jī)x對(duì)高溫、高壓及強(qiáng)烈震動(dòng)工況的適應(yīng)能力，從制造工藝、電路設(shè)計(jì)優(yōu)化和處理算法優(yōu)化方面進(jìn)行改進(jìn)，以滿足應(yīng)用需求。