路保平， 倪衛(wèi)寧

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

20世紀八九十年代，隨鉆測井技術(shù)得到了迅速發(fā)展，形成了隨鉆伽馬、隨鉆中子孔隙度、隨鉆電磁波電阻率和隨鉆聲波等隨鉆測井技術(shù)，不僅隨鉆測井數(shù)據(jù)質(zhì)量不斷提高，而且向隨鉆成像測井方向發(fā)展。目前，已經(jīng)應(yīng)用的隨鉆成像測井技術(shù)包括伽馬成像、電阻率成像、中子密度成像、超聲波成像和核磁成像等，其中部分隨鉆測井技術(shù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量已經(jīng)接近或達到了相應(yīng)電纜測井技術(shù)的水平，因此隨鉆測井的時效性和原狀地層測量的優(yōu)勢更加明顯。

近年來，以隨鉆伽馬成像、隨鉆電阻率成像和隨鉆中子密度成像為代表的隨鉆成像測井技術(shù)，其測量精度和分辨率顯著提高。以隨鉆電阻率成像測井技術(shù)為例，國外各大油田技術(shù)服務(wù)公司均研發(fā)了隨鉆電阻率成像測井儀器[1-5]，并且隨著發(fā)展細分為標準成像和高清成像2個序列，如Schlumberger公司的GVR和MicroScope高分辨率隨鉆側(cè)向電阻率成像測井儀。國內(nèi)也開始研究隨鉆成像測井技術(shù)，中國石油、中國石化和中國海油都在該領(lǐng)域開展了卓有成效的研究工作，中國石油測井有限公司研制出了隨鉆側(cè)向電阻率成像測井儀，實現(xiàn)了電阻率成像測量[6]。隨著各種非常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)的不斷深入，對隨鉆成像測井的清晰度要求越來越高，促進隨鉆成像測井技術(shù)不斷向高精度、高分辨率發(fā)展。中國石化石油工程技術(shù)研究院為了解決隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)距離鉆頭遠、檢測信息少等問題，開展了高精度隨鉆成像測井技術(shù)研究，形成了近鉆頭伽馬成像測井技術(shù)和高精度隨鉆電阻率成像測井技術(shù)，研制出了近鉆頭伽馬成像測井儀和高精度隨鉆電阻率成像測井儀，并在現(xiàn)場試驗中取得隨鉆高清測井圖像，為復(fù)雜油氣藏地質(zhì)導(dǎo)向和隨鉆地層評價奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 高精度近鉆頭伽馬成像測井技術(shù)

大斜度井、水平井鉆井技術(shù)是油氣勘探開發(fā)實現(xiàn)“少井高產(chǎn)”目標的主要技術(shù)手段[7-8]，而高精度近鉆頭伽馬成像測井（簡稱近鉆頭伽馬成像測井）技術(shù)能夠直觀地獲取豐富的地層信息。近鉆頭伽馬成像測井是將測量傳感器直接安裝在鉆頭上方，鉆進過程中實時掃描探測鉆遇地層的放射性強度，并監(jiān)測井斜與方位的變化，根據(jù)測井數(shù)據(jù)判識鉆遇地層巖性和滲透層、探測地層邊界、計算地層傾角和厚度、控制井眼軌跡等，以指導(dǎo)鉆進和評價儲層，提高大斜度井、水平井的鉆井速度。相比于常規(guī)隨鉆伽馬測井，近鉆頭伽馬成像測井獲取的地層信息更加真實、及時和精細，并且測量盲區(qū)小，能顯著提高優(yōu)質(zhì)儲層的鉆遇率。

1.1 近鉆頭伽馬成像方法

地層巖石中含天然放射性核素（鈾系、釷系、鉀），其衰變時產(chǎn)生不同能量的伽馬射線。地層巖石的自然伽馬放射性主要由鈾、釷和鉀的含量確定。自然伽馬測井是利用伽馬射線探測器測量地層的總放射性強度[9]。與自然伽馬測井原理相似，近鉆頭伽馬成像測井的伽馬探測器和磁傳感器安裝在鉆頭附近的鉆鋌表面?zhèn)认蜷_槽內(nèi)，并在周邊安裝屏蔽體，定向探測地層中某一扇區(qū)內(nèi)總的自然伽馬射線強度（見圖1），隨著井下鉆具的旋轉(zhuǎn)掃描可以獲取全井眼不同方位扇區(qū)地層的伽馬成像圖。

圖1 近鉆頭伽馬測量原理Fig.1 Principle of near-bit gamma measurement

地層巖石中天然放射性物質(zhì)產(chǎn)生的伽馬射線通過鉆鋌側(cè)向開窗進入伽馬射線探測器后，與NaI晶體發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)，產(chǎn)生熒光，光電倍增管和協(xié)同電子線路將熒光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。常?guī)隨鉆伽馬測井儀是將電信號轉(zhuǎn)化為鉆井液脈沖信號傳輸至地面進行處理，再將處理后的鉆井液脈沖信號轉(zhuǎn)化為所測地層的放射性強度。近鉆頭伽馬成像測井儀是將電磁信號數(shù)字化并記錄下來，通過無線短傳方式上傳給遙傳系統(tǒng)，再由遙傳系統(tǒng)傳輸至地面，進行成像處理，實現(xiàn)近鉆頭地面實時成像、井下大容量存儲等功能。鉆井過程中，近鉆頭伽馬成像測井儀實時測量不同方位的自然伽馬放射性強度（見圖2），根據(jù)測量的伽馬放射性強度進行多扇區(qū)精細成像。由于受到隨鉆傳輸系統(tǒng)即鉆井液脈沖器傳輸能力的限制，并不是將全部扇區(qū)的伽馬成像值都傳輸?shù)降孛?，只是將扇區(qū)中最上方和最下方的伽馬值傳輸?shù)降孛妗Ｒ话銓⑸葏^(qū)中最上方的伽馬測量值簡稱為“上伽馬”，最下方的伽馬測量值簡稱為“下伽馬”。地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)就是根據(jù)上、下伽馬值判斷鉆頭在地層中的位置，通過成像信息來預(yù)測井眼相對傾角的變化趨勢，從而及時調(diào)整鉆頭前進方向，實現(xiàn)在油藏最佳位置鉆進[10-12]，提高儲層鉆遇率。

圖2 近鉆頭伽馬成像測井示意Fig.2 Schematic diagram of near-bit gamma imaging logging

1.2 近鉆頭伽馬成像測井儀井下電子系統(tǒng)

近鉆頭伽馬成像測井儀井下電子系統(tǒng)由近鉆頭下短節(jié)和近鉆頭上短節(jié)組成，如圖3所示。近鉆頭下短節(jié)直接在鉆頭上方，是井下電子系統(tǒng)的主電子倉，內(nèi)有伽馬探測器、X /Y磁傳感器、發(fā)射天線、數(shù)據(jù)采集及控制模塊、大容量存儲電路、脈沖放大整形電路和電磁發(fā)射編碼電路等元器件，構(gòu)成了井下無線電磁短傳通訊的發(fā)射電路，能夠?qū)崟r測量鉆頭附近0.60 m以內(nèi)的地層方位伽馬值、井斜角/方位角、鉆頭轉(zhuǎn)速等地質(zhì)參數(shù)和工程參數(shù)，并通過無線電磁信號將測量數(shù)據(jù)上傳至近鉆頭上短節(jié)。近鉆頭上短節(jié)內(nèi)為井下無線電磁短傳通訊的接收電路，其由接收天線、放大濾波電路、數(shù)據(jù)采集控制電路、接收解碼電路和儀器通訊總線等構(gòu)成。近鉆頭上短節(jié)配接在螺桿鉆具上部、傳統(tǒng)MWD/LWD儀器下部，接收近鉆頭下短節(jié)發(fā)射的電磁信號，同時將所有測量數(shù)據(jù)通過井下專用儀器總線傳輸至遙傳系統(tǒng)。近鉆頭上、下短節(jié)中的接收、發(fā)射天線及相應(yīng)的電子線路構(gòu)成了井下無線電磁短傳通訊系統(tǒng)，實現(xiàn)上、下兩短節(jié)間跨螺桿鉆具的通訊，通過無線電磁信號將鉆頭測量數(shù)據(jù)發(fā)送至遙傳系統(tǒng)，再通過遙傳系統(tǒng)（如MWD）將近鉆頭測量數(shù)據(jù)上傳至地面進行精細成像處理。

圖3 近鉆頭伽馬成像井下電子系統(tǒng)Fig.3 Electronic system of downhole near-bit gamma imaging tool

1.3 近鉆頭伽馬成像采集方法

近鉆頭伽馬成像測井儀通過在不同方位布置伽馬探測器，利用伽馬探測器的定向探測特性實現(xiàn)方位測量。采用理論分析、模擬優(yōu)化等手段，研制了近鉆頭伽馬探測器，其方位探測特性曲線如圖4所示。由圖4可以看出，從-180°到180°方位積分幾何因子是逐漸增大的；當方位積分幾何因子取0.8時，幾何因子掃射的方位角寬度約45°，表明伽馬探測器的方位分辨率可達到45°。以上分析說明，近鉆頭伽馬成像測井儀能很好地分辨16扇區(qū)的地層，具有非常高的成像精度。

與非放射性測井不同，近鉆頭伽馬成像測井數(shù)據(jù)的采集具有非瞬時性的特點，需要進行一定的時間累積才能測量得到有效的伽馬數(shù)據(jù)。近鉆頭伽馬探測器具有方位探測特性，在鉆進過程中隨鉆頭旋轉(zhuǎn)采集不同扇區(qū)內(nèi)的伽馬總計數(shù)，實現(xiàn)方位伽馬成像測量[13-14]。近鉆頭伽馬成像測井數(shù)據(jù)采集方法如下：

1）將井眼（360°）平均劃分為N個扇區(qū)（如4、8、16或32），如圖5所示，各扇區(qū)對應(yīng)角度區(qū)間為[360(n-1)/N,360n/N],(n=1,2, ,N)。

2）采用2個磁傳感器實時測量鉆具旋轉(zhuǎn)角度θ，并用實時時鐘記錄測量時間t。

3）每旋轉(zhuǎn)一周，當θ為扇區(qū)邊界角度時，記錄此時的時間t0,t1, ,tN，再計算每個扇區(qū)對應(yīng)的測量時間t1-t0,t2-t1, ,tN-tN-1。

4）在總的測量時間內(nèi)，累加旋轉(zhuǎn)過程中記錄的每個扇區(qū)對應(yīng)的測量時間T1,T2, ,TN，即地層扇區(qū)的累計測量時間。

5）磁傳感器在測量的同時記錄伽馬脈沖響應(yīng)，當采集到1個伽馬脈沖時，記錄此時鉆具旋轉(zhuǎn)的角度θt，判別θt對應(yīng)的扇區(qū)nt，此時nt扇區(qū)對應(yīng)的伽馬計數(shù)值為Cn+1。

6）當測量結(jié)束時，累計得到各扇區(qū)伽馬計數(shù)序列C1,C2, ,CN。

7）計算扇區(qū)對應(yīng)的伽馬計數(shù)率，扇區(qū)對應(yīng)的伽馬計數(shù)率Gn=Cn/Tn。

圖4 近鉆頭伽馬探測器的方位探測特性曲線Fig.4 Azimuth detection characteristic curve of the nearbit gamma detector

圖5 近鉆頭伽馬成像測井16扇區(qū)示意Fig.5 Schematic diagram of 16 sectors near-bit gamma imaging logging

2 高精度隨鉆電阻率成像測井技術(shù)

根據(jù)隨鉆電阻率成像測井儀器提供的高分辨率井壁圖像，可以清晰地判斷裂縫、孔洞等地質(zhì)特征，實現(xiàn)評價地層和實時地質(zhì)導(dǎo)向[15-18]，在利用水平井開發(fā)油氣田中發(fā)揮著重要的作用。它不僅可以提供上下、左右方向的測量數(shù)據(jù)，而且可以通過測井儀的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)全井眼的電阻率成像，測井儀帶有紐扣式的電阻率測量電極，當測井儀旋轉(zhuǎn)一周后，就能夠獲得全井眼的成像資料，并通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在成像圖上拾取地層傾角，從而為導(dǎo)向鉆進過程中判斷地層傾角提供依據(jù)?；谏鲜龌驹?，研制了成像精度達到10 mm、扇區(qū)分辨率達到128扇區(qū)的高精度隨鉆電阻率成像測井儀。

2.1 隨鉆電阻率成像測井儀基本組成及電子系統(tǒng)總體設(shè)計

隨鉆電阻率成像測井儀的結(jié)構(gòu)如圖6所示，上、下2個發(fā)射螺繞環(huán)構(gòu)成發(fā)射電極系，中間3個接收紐扣電極構(gòu)成接收電極系。上、下2個發(fā)射螺繞環(huán)對稱分布，安裝在鉆鋌表面的凹槽內(nèi)。3個接收紐扣分布在鉆鋌中間的一個圓周上，間隔120°。隨鉆電阻率成像測井儀的核心部分是電子系統(tǒng)。電子系統(tǒng)包含電阻率快速測量電子系統(tǒng)和動態(tài)工具面檢測系統(tǒng)。

圖6 隨鉆電阻率成像測井儀結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Structural map of resistivity imaging LWD system

發(fā)射電極系位于儀器兩端，上、下2個發(fā)射螺繞環(huán)呈對稱分布，可以形成較好的聚焦電流進入地層，提高探測深度和探測精度；發(fā)射電極系較大，套在鉆鋌上，外面有特殊保護結(jié)構(gòu)，可設(shè)多對電極系，以獲得多個深度的探測結(jié)果，分析不同深度地層對測量結(jié)果的影響。發(fā)射電極系工作時，發(fā)射控制單元發(fā)射低能量波。發(fā)射電極系的2個發(fā)射螺繞環(huán)距離較遠，為了提高信號發(fā)射功率，調(diào)諧模塊安裝在盡量靠近發(fā)射螺繞環(huán)的位置上，以減少連接線較長帶來的能量損耗。由于調(diào)諧模塊與發(fā)射螺繞環(huán)的距離較近，更容易調(diào)整發(fā)射信號頻率和控制帶寬。

接收電極系位于發(fā)射電極系正中間。接收電極直徑較小，也稱為紐扣電極，通常安裝在鉆鋌外壁凸出的部分（穩(wěn)定器）上，使其更靠近地層，以提高測量效果。接收電極系工作時，紐扣電極將采集的來自地層的微弱電信號經(jīng)過前置放大濾波模塊（盡量靠近接收紐扣電極）進行放大濾波，以便檢波采集模塊將其數(shù)字化。電阻率測量單元選擇不同方位鈕扣電極的測量值，檢波采集電路將放大濾波后的電信號數(shù)字化，并將其傳送至電阻率測量單元進行處理。

電子系統(tǒng)位于鉆鋌短節(jié)上，其總體功能如圖7所示。

圖7 電子系統(tǒng)總體功能框圖Fig.7 Overall functional block diagram of the electronic system

2.2 高精度高速動態(tài)工具面檢測技術(shù)

動態(tài)角度檢測是高精度隨鉆電阻率成像的難點，尤其是角度檢測的精度要求較高，傳統(tǒng)的基于磁力計的角度檢測系統(tǒng)很難滿足要求，因此采用了由磁力計、加速度傳感器和陀螺儀組成的綜合動態(tài)角度檢測模塊。

陀螺儀利用了科里奧利力（Coriolis force）原理，故稱為科式陀螺儀。旋轉(zhuǎn)物體徑向運動時將受到切向力（即科里奧利力），如果物體在圓盤上沒有徑向運動，就不會產(chǎn)生科里奧利力。由于隨鉆儀器的電路體積受限，選用了基于微電子機械系統(tǒng)（Micro-Electromechanical Systems，MEMS）工藝的陀螺儀。MEMS型陀螺儀內(nèi)的一個微型裝置不停地來回徑向運動或者震蕩，對應(yīng)的科里奧利力也不停地橫向變化，相位正好與驅(qū)動力相差90°。通常有徑向和橫向2個方向的可移動電容板：徑向電容板加震蕩電壓使微型裝置作徑向運動，橫向電容板測量橫向科里奧利運動帶來的電容變化。

科氏陀螺儀一般由2個共同振動并不斷做反復(fù)運動的物體組成，如圖8所示（x軸為物體往復(fù)運動方向，y軸為科里奧利力方向），當施加角速度ω時，科里奧利力效應(yīng)在2個物體上產(chǎn)生相反的力，從而引起2個物體間電容的變化。電容的差值與角速度呈線性關(guān)系。如果在2個物體間施加線性加速度時這2個物體則沿著同一方向運動，不會檢測到電容的變化，因此科氏陀螺儀對振動、傾斜或撞擊等線性加速度不敏感。

圖8 科氏陀螺儀工作原理Fig.8 Principle of the Coriolis gyroscope

MEMS型陀螺儀的瞬時檢測精度較高（測量范圍內(nèi)可達到0.01°/s），但存在隨機漂移和溫度漂移，連續(xù)測量中誤差會隨時間累積，需要定時消除。為此引入磁力計和加速度計，在動態(tài)測量過程中定時抓取特征點清除陀螺儀的累計誤差，同時根據(jù)這些特征點來計算基準空間坐標。

對于直井或者小斜度井，依靠磁力計尋北消除陀螺儀隨機漂移的誤差。鉆進過程中，與水平面垂直方向的磁力計X、Y輸出曲線為近似相差π/2的正弦波曲線，利用軟件查找X極值點與Y零點（或者X零點與Y極值點出現(xiàn)的時刻），來確定磁北位置（見圖9）。

圖9 雙軸磁力計輸出曲線Fig.9 Output curve of the bi-axial magnetometer

動態(tài)角度測量系統(tǒng)通過周期性旋轉(zhuǎn)，利用軟件就可以直接消除安裝誤差和環(huán)境磁場對磁力計的影響，相對來說刻度過程比較簡單。對于大斜度井或者水平井，依靠加速度計找高邊角基準清除陀螺儀隨機漂移，實現(xiàn)過程與磁尋北類似。通過硬件和軟件濾波相結(jié)合的方式來消除振動的影響。

2.3 高精度電阻率采集技術(shù)

隨鉆條件下，發(fā)射電極和接收電極不可能緊貼井壁，因此電流首先通過鉆井液，然后才能進入地層。為了將電流信號盡可能地發(fā)射進地層，一方面需要進行聚焦，另一方面是保持發(fā)射功率的相對穩(wěn)定，才能接收到穩(wěn)定的信號，最終實現(xiàn)高精度的采樣。由于地層電阻率變化非常大（0.2～16 000.0 Ω·m），如果使用相同功率發(fā)射信號，不但檢測精度得不到保證，在井筒周邊電阻率非常低的情況下甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)射電流太大的情況，導(dǎo)致發(fā)射元器件過熱造成損壞。因此，為了提高檢測精度和保護電路中的器件，需要動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率。

在井下隨鉆條件下，無法精確模擬周邊環(huán)境的變化，無法通過人工干預(yù)修正參數(shù)，因此最重要的是穩(wěn)定可靠。當不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過測量手段獲取系統(tǒng)參數(shù)時，可以采用經(jīng)典PID控制方法實現(xiàn)發(fā)射功率的動態(tài)調(diào)整。發(fā)射功率控制流程如圖10所示。

PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e（t）與輸出u（t）的關(guān)系為：

圖10 發(fā)射功率控制流程Fig.10 Block diagram of the transmit power control process

傳遞函數(shù)為：

式中：kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。工程應(yīng)用中需要結(jié)合具體的電路優(yōu)化選擇這些參數(shù)。

發(fā)射信號在不斷動態(tài)調(diào)整，因此在進行地層電阻率采樣時，不僅要采集接收信號的幅度，還需采集發(fā)射信號的幅度。在計算最終電阻率時，要根據(jù)發(fā)射信號的幅度校正計算出來的電阻率，校正公式為：

其中

式中：G和b為對應(yīng)電極的刻度系數(shù)；EU和EL分別為上下發(fā)射信號的幅度。

根據(jù)對應(yīng)鈕扣電極的測量值I可計算出對應(yīng)的電阻率ρ。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 近鉆頭伽馬成像測井系統(tǒng)

在標準巖樣分層傾斜地層模擬井筒中，近鉆頭伽馬成像測井儀得到的高精度扇區(qū)伽馬成像結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，當近鉆頭下短節(jié)穿過不同放射性區(qū)域構(gòu)成的傾斜地層邊界時，伽馬測量值發(fā)生了變化，地層邊界在扇區(qū)伽馬成像圖中呈現(xiàn)正弦曲線特征，據(jù)此能夠準確地探測鉆遇地層的邊界，估算地層界面傾角，實現(xiàn)精準地質(zhì)導(dǎo)向鉆井。

圖11 高精度扇區(qū)伽馬成像圖Fig.11 Gamma image of high-precision sector

近鉆頭伽馬成像測井儀先后在勝利臨盤油田及鄂爾多斯盆地杭錦旗區(qū)塊的4口井進行了試驗，累計試驗時間超過300 h。單次連續(xù)入井最長工作時間96 h，連續(xù)進尺1 200 m。試驗中，近鉆頭伽馬成像測井儀與近鉆頭隨鉆伽馬成像地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)配合應(yīng)用?，F(xiàn)場應(yīng)用時，隨鉆鉆井液脈沖傳輸系統(tǒng)將近鉆頭伽馬系統(tǒng)測量的扇區(qū)中最上方和最下方的伽馬測量值實時傳輸?shù)降孛娴慕@頭隨鉆伽馬成像地質(zhì)導(dǎo)向軟件，從而判斷鉆頭在地層中的位置，并及時調(diào)整鉆頭方向，以提高儲層鉆遇率。

3.2 高精度隨鉆電阻率成像測井儀

高精度隨鉆電阻率成像測井儀在勝利油田進行了入井測試，儀器裝配入井和啟動順利；起出后外觀完好，機械強度和非標工藝得到了驗證，實現(xiàn)了隨鉆井筒地層高清圖像采集和地層電阻率測量。入井工作時間13.5 h，1 509～1 579 m井段成像測量70 m，測試成像圖如圖12所示，可以看出隨鉆成像測井和電纜測井的數(shù)據(jù)高度吻合。

4 結(jié)論與建議

1）針對復(fù)雜油氣藏地質(zhì)導(dǎo)向和隨鉆測井評價需求，基于隨鉆扇區(qū)掃描原理，建立了儀器響應(yīng)特征模型，并研制出了高精度近鉆頭伽馬成像測井儀和隨鉆電阻率成像測井儀。

圖12 隨鉆電阻率測井成像圖與電纜測井結(jié)果的對比Fig.12 Comparison on the images of LWD and cable logging

2）現(xiàn)場試驗時，近鉆頭伽馬成像測井儀和隨鉆電阻率成像測井儀都采集到了高精度隨鉆成像測井數(shù)據(jù)，表明我國已經(jīng)掌握了高精度隨鉆成像測井關(guān)鍵技術(shù)，但與國外先進技術(shù)相比還有差距，高精度隨鉆測井儀的測量精度和可靠性仍需進一步提高。

3）建議進行大量現(xiàn)場試驗，以發(fā)現(xiàn)所研制高精度隨鉆測井儀器的不足和缺陷，并進行改進完善，不斷提高其可靠性。另外，建議針對低滲透油氣藏、頁巖氣藏、致密氣藏等非常規(guī)油氣藏進行高精度隨鉆成像測井技術(shù)應(yīng)用研究，為非常規(guī)油氣藏的勘探開發(fā)提供有效的技術(shù)手段。