侯 安 飛

(中國電子科技集團(tuán)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(cè)井是地質(zhì)導(dǎo)向常用的方法之一，其測(cè)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(chǔ)集層的上部蓋層，捕捉進(jìn)入油氣儲(chǔ)集層的最佳時(shí)機(jī)，指導(dǎo)鉆頭順利鉆進(jìn)目標(biāo)地層[1-5]。

國外對(duì)于隨鉆方位伽馬測(cè)井儀器的設(shè)計(jì)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(cè)井儀器SAGR[6-9]。我國對(duì)于隨鉆方位伽馬測(cè)井儀器的研制相對(duì)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(dāng)中。本文通過對(duì)隨鉆方位伽馬探管測(cè)量原理、傳感器設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的闡述來介紹該儀器的研制方法，并對(duì)隨鉆方位伽馬探管在隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向中的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 儀器測(cè)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(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)窗體所掃描的位置。

本文設(shè)計(jì)的方位伽馬測(cè)量儀器，采用探管式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方位伽馬測(cè)量。方位伽馬探管在鉆進(jìn)過程中，有兩種測(cè)量模式，即旋轉(zhuǎn)測(cè)量與滑動(dòng)測(cè)量。在旋轉(zhuǎn)測(cè)量模式下，處理器利用井眼姿態(tài)測(cè)量傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)方向。當(dāng)窗口中心線掃過A1并旋轉(zhuǎn)到達(dá)A2處時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的伽馬計(jì)數(shù)為上伽馬計(jì)數(shù)；當(dāng)窗口中心線掃過B1并旋轉(zhuǎn)到達(dá)B2處時(shí)，此時(shí)的伽馬計(jì)數(shù)為下伽馬計(jì)數(shù)，如圖1所示。鉆進(jìn)過程中不斷對(duì)地層伽馬值和測(cè)量時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)對(duì)地層伽馬值的方位測(cè)量。

滑動(dòng)測(cè)量模式下，鉆進(jìn)一段距離后，將測(cè)量窗口處于上部的位置，重復(fù)以上鉆進(jìn)軌跡，得到上伽馬數(shù)據(jù)；再將測(cè)量窗口處于下部的位置，重復(fù)以上鉆進(jìn)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(jì)

參照國外相關(guān)資料和石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SY/T 6702-2007)的隨鉆測(cè)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(biāo)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(jī))，30gn50～500 Hz(正弦)；抗沖擊能力1 000gn/0.5 ms；探測(cè)深度270 mm；測(cè)量范圍0 ～ 500 API，測(cè)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(jì)主要包括方位伽馬傳感器設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容。

2.1 方位伽馬傳感器設(shè)計(jì)

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(jì)。對(duì)其進(jìn)行屏蔽效果測(cè)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(jì)數(shù)率，如表1所示，狀態(tài)1的平均計(jì)數(shù)率為150.7脈沖/s；狀態(tài)2的平均計(jì)數(shù)率為1 166脈沖/s；狀態(tài)3的平均計(jì)數(shù)率為414.8脈沖/s。通過計(jì)算，鎢合金筒的屏蔽效果達(dá)到74%左右，完全滿足對(duì)伽馬射線屏蔽的要求。

屏蔽筒開窗角度直接影響伽馬計(jì)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(shí)曲線更寬，不能凸顯聚焦特性，圖3給出了不同開窗角度時(shí)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(gè)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(jì)，開窗角度為90°。在方位伽馬探頭設(shè)計(jì)中，分別測(cè)試了碘化銫和碘化鈉材料的伽馬探頭的檢測(cè)效果，其溫度指標(biāo)175℃，內(nèi)置分壓器。

表1 三種狀態(tài)下的伽馬計(jì)數(shù)率 脈沖/s

圖3 不同窗口角度時(shí)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(jì)數(shù)率，碘化銫的計(jì)數(shù)率為36.7 脈沖/s。碘化銫光輸出強(qiáng)度相當(dāng)于同樣尺寸摻鉈碘化鈉的85%，測(cè)量發(fā)現(xiàn)光電倍增管輸出的信號(hào)幅度較低，信噪比差。在溫度實(shí)驗(yàn)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(jì)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(qiáng)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(jì)數(shù)率，碘化鈉探頭的計(jì)數(shù)率為39.7 脈沖/s，光電倍增管輸出信號(hào)幅度高，信噪比較好，溫度試驗(yàn)中，計(jì)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(hào)為R 3991A-07(日本濱松)。

圖4 方位伽馬一體化探頭設(shè)計(jì)

2.2 電路設(shè)計(jì)

方位伽馬探管的電路按功能分為伽馬測(cè)量單元、信號(hào)處理與微處理器單元、電源單元和井眼姿態(tài)測(cè)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(hào)處理與微處理器單元由伽馬信號(hào)處理電路和微處理器電路兩部分組成，主要完成伽馬信號(hào)的調(diào)理、采集、計(jì)時(shí)，窗口掃描位置判斷，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的存儲(chǔ)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(jī)、存儲(chǔ)芯片、時(shí)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(cè)量電路供電，+5 V電壓給單片機(jī)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(hào)。

井眼姿態(tài)測(cè)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(shí)時(shí)測(cè)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(jì)是175°C微機(jī)械加速度計(jì)，分別安裝在X、Y、Z三個(gè)軸向上。首先對(duì)加速度計(jì)的輸出進(jìn)行模擬濾波，消除振動(dòng)產(chǎn)生的干擾，然后對(duì)濾波信號(hào)進(jìn)行A/D采集。由于微機(jī)械加速度計(jì)的溫漂較大，需對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過數(shù)字濾波，采用角差補(bǔ)償法校正安裝誤差和溫補(bǔ)校正傳感器測(cè)量誤差，得到儀器坐標(biāo)系三個(gè)方向加速度的數(shù)值，進(jìn)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(jì)

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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)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(jì)時(shí)計(jì)數(shù)子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫子程序、通信子程序、時(shí)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(duì)計(jì)數(shù)器、波特率、中斷等相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)置，并從存儲(chǔ)器中讀取存儲(chǔ)空間的地址和預(yù)置的采樣時(shí)間間隔，然后和井眼姿態(tài)測(cè)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(shí)，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(jì)流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程

3 方位伽馬探管的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨鉆方位伽馬探管通常與其他隨鉆測(cè)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(cè)量，方位伽馬探管的測(cè)量數(shù)據(jù)通過MWD隨鉆測(cè)量系統(tǒng)傳輸?shù)降孛妫孛鏀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)將方位伽馬數(shù)據(jù)與對(duì)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(chǔ)集層的上部蓋層，捕捉進(jìn)入油氣儲(chǔ)集層的最佳時(shí)機(jī)。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(gè)區(qū)塊進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，完成了100多口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、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(cè)量的上、下伽馬和平均伽馬實(shí)測(cè)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(cuò)并重合在一起。結(jié)合平均伽馬曲線變化，對(duì)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(chǎng)作業(yè)時(shí)，結(jié)合電磁波電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)和方位伽馬探管測(cè)量數(shù)據(jù)及曲線，導(dǎo)向工程師能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控地質(zhì)參數(shù)變化，對(duì)將要出現(xiàn)的地層變化作出準(zhǔn)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(lán)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(jìn)入了一個(gè)高放射性地層。

圖7 延長油田某井鉆進(jìn)時(shí)上、下伽馬和平均伽馬實(shí)測(cè)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(chǔ)集層鉆進(jìn)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(jìn)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(chǔ)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(jìn)入儲(chǔ)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(jì)過程中考慮了儀器使用環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)需求，采用可靠性、安全性、電磁兼容性等設(shè)計(jì)。通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)表明，隨鉆方位伽馬探管設(shè)計(jì)滿足了作業(yè)要求，能夠?qū)崟r(shí)反映地層信息，分辨上下界面巖性特征，有效發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)集層的上部蓋層，捕捉進(jìn)入油氣儲(chǔ)集層的最佳時(shí)機(jī)，適合在鉆井工程中進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。