鄭奕挺，宋紅喜*

(1.中國石化石油工程技術研究院，北京 100101; 2.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，北京 100101)

中外油氣勘探開發(fā)已經(jīng)進入后期，新探明儲區(qū)大多處于地層深處、海洋、灘海、沙漠等地區(qū)，特殊的油藏開發(fā)條件和復雜的油藏地質(zhì)結(jié)構使得勘探開發(fā)難度大大增加，對鉆井技術的要求也越來越苛刻[1]。自然伽馬是隨鉆地質(zhì)導向所必測的項目，它可以顯示即時的巖性信息，指導鉆頭順利地鉆穿薄油氣層和復雜地質(zhì)構造儲層，保證鉆頭能夠安全有效地在目的層中鉆進。目前中國正在進行隨鉆方位伽馬成像儀器的研制，所以對隨鉆伽馬的響應特征和數(shù)據(jù)處理方法的研究存在著迫切需求，這也是本文研究的重點所在[2-3]。

張鵬云等[1]提出隨鉆方位伽馬成像測井技術，顯著提高了鉆井效率，提高單井產(chǎn)量和建產(chǎn)效率的目標等。何貴松等[2]在使用了水平段“兩段式”地質(zhì)導向方法，使得甜點段遇鉆率高達100%，井眼軌跡較光滑且氣測顯示較好，得到了良好鉆探效果。文獻[3-4]提出使用近鉆頭伽馬高精度實時成像技術可以實現(xiàn)鉆頭在儲層內(nèi)精確控制，提高優(yōu)質(zhì)儲層鉆遇率。寧波等[5]利用自然伽馬能譜測井提出黏土礦物中含量的方法，這對石油天然氣勘探開發(fā)具有重要的意義。吳一雄等[6]提出了調(diào)整權重來綜合利用伽馬和中子、密度曲線反映儲層泥質(zhì)準確含量的一種計算方法。

國外隨鉆伽馬測井已經(jīng)取得長足進步，技術和測量儀器成熟，儀器形成系列化，工業(yè)化程度較高。Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes公司的儀器基本上能代表現(xiàn)在隨鉆自然伽馬儀器發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢。Schlumberger公司MWD/LWD(measure while drilling/log while drilling)服務中提供自然伽馬測量的儀器有EcoScope、GeoVision、PeriScope、ArcVision、SlimPulse以及IPZIG，其中EcoScope、GeoVision、PeriScope和IPZIG可提供伽馬成像[7-8]。

近幾年推出的多功能隨鉆測井平臺EcoScope HT最大的操作溫度和操作壓力分別為175 ℃和140 MPa，將地層評價、井位布置以及鉆井優(yōu)化測量集于一體。常規(guī)隨鉆測量安裝位置距離鉆頭一般在10 m以上，自然伽馬測量部分位于儀器的最前端，實現(xiàn)近鉆頭測量地層自然放射性，測量時利用4個伽馬探測器，最多可提供16扇區(qū)的方位伽馬成像[9]。

現(xiàn)深入分析4種不同的因素對伽馬成像影響，得出隨鉆伽馬成像在地層界面處正弦曲線高度隨地層傾角的增大而增大，隨地層密度的增大而減小，受井眼尺寸和泥漿密度的影響較小，受儀器偏心的影響較大，成像深度主要受地層密度的影響，受井眼尺寸、泥漿密度和地層傾角的影響較小，給出相應的對比圖且給予了相應論證。

1 地層伽馬成像模擬

1.1 成像的測量原理

巖石的放射性來源于其所含有的放射性物質(zhì)，地層中的伽馬強度是由巖石所含有的放射性元素的種類及其在礦物中的含量決定的，目前已發(fā)現(xiàn)的天然放射性核素約有60種，在這些放射性核素中，除了40 K外，其余大多數(shù)分處于半衰期較長的自然放射系中。

對于不同種類的巖石，放射性物質(zhì)的含量存在明顯差異，由其產(chǎn)生的伽馬射線強度也明顯不同。整體上，巖漿巖的放射性活度隨著其酸性減弱而有規(guī)律的降低。變質(zhì)巖的放射性活度與巖石的變質(zhì)過程和變質(zhì)程度有關，其放射性核素活度往往介于高放射性巖漿巖和普通的沉積巖之間。在沉積巖中，巖石的放射性活度往往活度取決于黏土礦物的種類和含量，黏土巖放射性活度最高，而石膏、硬石膏等放射性活度最低[5]。

與普通的自然伽馬測量原理相似，地層中含放射性物質(zhì)的巖石產(chǎn)生的伽馬射線通過鉆鋌開窗進入探頭后，與晶體發(fā)生光電效應和康普頓效應而產(chǎn)生熒光，光電倍增管和協(xié)同的電子線路將熒光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘朳7]，一般的隨鉆測量儀器是通過將電信號轉(zhuǎn)化為泥漿脈沖信號進行傳輸?shù)?，傳輸?shù)降孛婺酀{脈沖信號經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為測量方位地層的伽馬強度值。

在鉆頭鉆進的同時，隨鉆伽馬探頭一般緊鄰鉆頭安裝無磁鉆鋌內(nèi)，儀器探測到的來自各方位地層的伽馬強度被探測器接收后轉(zhuǎn)為電信號數(shù)據(jù)，一部分伽馬強度數(shù)據(jù)即時通過泥漿脈沖傳輸至地面[9]，利用這些數(shù)據(jù)可以精確的指導鉆頭在目的層中鉆進，從而提供即時的地質(zhì)導向服務；還有一些采集的伽馬值存留于井下，經(jīng)過處理后可以得到計算相對傾角的記憶伽馬成像。近鉆頭伽馬成像測井原理如圖1所示。

圖1 近鉆頭伽馬成像測井原理

1.2 成像計算傾角的原理

隨鉆地質(zhì)導向伽馬利用在隨鉆過程中測量得到的隨方位和深度變化的伽馬強度值，對測量的伽馬強度值進行成像，再通過成像信息來估計井眼相對傾角的變化趨勢，從而調(diào)整鉆頭方向以實現(xiàn)地質(zhì)導向[9]，如圖2所示。

圖2 傾斜地層與伽馬成像對比圖

利用成像計算相對傾角的公式為

(1)

式(1)中：α為井眼相對傾角；H為正弦曲線寬度；d為井眼直徑；DI為成像深度。

2 伽馬成像特征研究

依據(jù)地層伽馬成像原理，分析對比以下4種因素對成像系統(tǒng)的影響，采用圖3的計算模型，模擬不同井眼環(huán)境和地層參數(shù)下的成像響應特征。放射性地層密度2.5 g/cm3，非放射性地層2.65 g/cm3，選擇O點為坐標原點，地層傾伏方向為x軸方向，θ為儀器與地層之間的傾角。

圖3 傾斜地層模型

2.1 相對傾角成像

如圖4所示，不同相對傾角下的成像響應特征差別明顯。當相對傾角較小(≤45°)時，伽馬成像的放射性強度隨相對傾角的增大而明顯增強，當相對傾角較大(>45°)時，伽馬成像的放射性強度有所降低[5-6]。這是由于隨鉆伽馬儀器的縱向探測距離和徑向探測距離相近，因此儀器與地層相對傾角接近45°時接收的伽馬計數(shù)率最大。

圖4 不同地層傾角與成像響應對比圖

圖5為不同相對傾角的伽馬成像下求取的正弦曲線H，正弦曲線高度隨相對傾角的增大而急劇增大，兩者近似呈指數(shù)關系。圖6為利用公式求取的不同相對傾角下的成像深度DI，相對傾角對成像深度DI影響腳小。

圖5 伽馬成像正弦曲線高度與相對傾角對比圖

圖6 伽馬成像深度與相對傾角對比圖

2.2 地層密度成像

2.2.1 上下層密度相同時的成像響應

如圖7所示，不同地層密度下的相對傾角70°，不同密度下伽馬成像特征差別明顯，伽馬成像的放射性強度隨地層密度的增大而減小。

圖7 地層密度與成像響應對比圖

圖8(a)為求取的正弦曲線高度值H隨地層密度的變化，隨著地層密度的增大，伽馬成像的正弦曲線高度值逐漸減小。圖8(b)為利用公式求取的不同地層下的成像深度DI，從圖中可以成像深度DI受地層密度影響較明顯，隨地層密度的增大，DI明顯減小。

圖8 地層密度與兩種參數(shù)對比圖

2.2.2 上下層密度不同時的成像響應

圖9(a)為由密度為2.75 g/cm3低放射性地層穿過2.25 g/cm3的高放射性地層的伽馬成像；圖9(b)為由2.25 g/cm3密度低放射性地層穿過2.75 g/cm3密度的高放射性地層的伽馬成像。伽馬成像的放射性強度僅與高放射性地層密度有關，高密度高放射性地層的伽馬成像強度明顯低于低密度高放射性地層。

圖9 上下層密度與成像響應對比圖

表1為上下層密度不同時伽馬成像的DI與H值。從表1中可以看出，伽馬成像在邊界正弦曲線高度H和成像深度DI僅于上下層平均密度有關，當上下層平均密度相等時，上下層密度的變化對H和DI的影響較小。

表1 上下層密度不同時伽馬成像的DI與H值

2.3 井眼尺寸成像

圖10為井眼直徑24、28、32 cm下相同相對傾角和地層密度的伽馬成像模擬圖，從圖10中可以看出，隨著井眼尺寸的增大，伽馬成像的強度明顯降低。

圖10 井眼尺寸與成像響應對比圖

表2為不同井眼尺寸伽馬成像的DI與H，從表2可以看出，伽馬成像在邊界正弦曲線高度H隨井眼尺寸的增大而增大，成像深度DI受井眼尺寸影響不大。

表2 井眼尺寸與伽馬成像參數(shù)對比

2.4 泥漿密度成像

圖11為模擬得到的其他條件相同時井眼內(nèi)分別充填淡水泥漿、20%的重晶石泥漿以及30%的重晶石泥漿下的伽馬成像模擬圖，從圖11中可以看出，隨著泥漿密度的增大，伽馬成像的強度明顯降低。

圖11 泥漿密度與成像響應對比圖

表3為不同泥漿密度下伽馬成像的DI與H，從表3中可以看出，泥漿密度對正弦曲線高度H和成像深度DI受井眼尺寸影響不大。

表3 泥漿密度與伽馬成像參數(shù)對比

3 數(shù)據(jù)采集傳輸單元研制

3.1 近鉆頭短節(jié)采集單元

近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)整體包括三大部分：近鉆頭短節(jié)、上短節(jié)、地面接收。首先近鉆頭短節(jié)測量地層方位伽馬、井底溫度、井斜、鉆頭轉(zhuǎn)速，通過無線通道將數(shù)據(jù)傳輸至上短節(jié)。上短節(jié)同時測量地層總量伽馬、環(huán)空壓力、溫度，上短節(jié)將所有數(shù)據(jù)通過有線方式傳輸至井下傳輸機構，傳輸機構將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面，地面接收軟件接收井下數(shù)據(jù)并成像顯示[10]。圖12為近鉆頭伽馬整體結(jié)構框圖，近鉆頭短節(jié)采集與上短接進行通訊，再利用MWD技術，把采集回的數(shù)據(jù)傳輸給地面。

圖12 總體結(jié)構框圖

近鉆頭短節(jié)電路總體結(jié)構如圖13所示，包括4塊電路板和5個傳感器，主要功能有數(shù)據(jù)采集(近鉆頭伽馬、井斜、轉(zhuǎn)速)和發(fā)送數(shù)據(jù)到上短節(jié)。

圖13 近鉆頭短節(jié)電路結(jié)構

系統(tǒng)按功能劃分進行設計，包括伽馬成像探測、動態(tài)井斜測量、無線傳輸、電源管理、MWD接口、機械短節(jié)、地面軟件等。在系統(tǒng)集成方面，電路板需要抗振封裝、天線防護耐磨封裝、接線絕緣等工藝。

3.2 伽馬成像探測方法

伽馬成像是對地層圓周的不同扇區(qū)分別進行測量，獲得圓周360°不同扇區(qū)的數(shù)據(jù)集合[11-12]。

(1)伽馬探測器和工具面?zhèn)鞲衅髟谫ゑR成像測量鉆具內(nèi)的布局。①伽馬探測器的伽馬敏感區(qū)域背向地層的內(nèi)側(cè)，采用伽馬屏蔽材料填充，減少背部地層伽馬射線作用于伽馬探測器的強度；②兩個工具面?zhèn)鞲衅饕源怪辈贾糜跍y量鉆具內(nèi)，如圖14所示。

圖14 伽馬探測器與磁傳感器結(jié)構圖

(2)計算地層扇區(qū)累積測量時間。①將360°平均劃分為n個扇區(qū)(如n=4、8、16或32)，對應的角度區(qū)間分別為：[0，360/n]，[360/n，2×360/n]，…，[360-360/n，360]；如圖15所示，n=16，整個圓劃分為16個扇區(qū)，Sn代表一個扇區(qū)；②采用兩個磁傳感器實時測量鉆具旋轉(zhuǎn)角度θ，并用時鐘實時獲得時間t；③每旋轉(zhuǎn)一周，當θ=扇區(qū)界面角度時，記錄此時的時間：t0，t1，…，tn，計算每個扇區(qū)對應的測量時間：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)對應的測量時間：T1，T2，…，Tn，即地層扇區(qū)的累積測量時間。

圖15 扇區(qū)、時間、伽馬計數(shù)示意圖

(3)判別伽馬測量脈沖對應的扇區(qū)。①n個扇區(qū)對應的伽馬計數(shù)值歸零；②當采集到一個伽馬脈沖時，記錄此時的測量鉆具旋轉(zhuǎn)角度θt，判別θt對應的扇區(qū)nt，此時將nt扇區(qū)對應的伽馬計數(shù)值Cnt+1；③當測量時間結(jié)束時，累計得到伽馬計數(shù)序列為：C1，C2，…，Cn。

(4)計算扇區(qū)對應的伽馬測量值。扇區(qū)對應的伽馬值：G1，G2，…，Gn，Gx=Cx/Tx。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸

MWD按照下井前設定的傳輸數(shù)據(jù)組合，將測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?。地面系統(tǒng)經(jīng)過解碼將近鉆頭伽馬成像數(shù)據(jù)和上短節(jié)本身測量的總量伽馬、環(huán)空壓力提取出來，通過鉆井現(xiàn)場總線協(xié)議WITS(wellsite information transfer specification)。將數(shù)據(jù)傳給地面的地質(zhì)導向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[13],如圖16所示。整個數(shù)據(jù)傳輸鏈包括4個數(shù)據(jù)傳輸過程：①近鉆頭伽馬上短節(jié)到MWD中控系統(tǒng)(采用485總線)；②MWD中控系統(tǒng)到脈沖器，采用單片機UART(universal asynchronous receiver/transmitter)總線；③脈沖器到地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)(采用壓力波)；④地面數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)到地質(zhì)導向系統(tǒng)(采用WITS總線)。

圖16 數(shù)據(jù)傳輸鏈路

3.4 主控芯片選型

伽馬脈沖信號一般在1～10 μs，所有成像數(shù)據(jù)的根源都來自這些脈沖信號，所以對這些脈沖信號的檢測要盡可能滿足不失真。但是由于放射性統(tǒng)計漲落，導致伽馬光子出現(xiàn)是一個隨機狀態(tài)，并不具有一定頻率。在某些極端情況下，兩個伽馬光子產(chǎn)生的脈沖信號的間隔要小于10 μs，這就無可避免地造成了脈沖信號的混疊，導致采樣得到的計數(shù)率存在誤差。對于這種誤差，在成像數(shù)據(jù)生成時，采用統(tǒng)計學的方法能夠一定程度消除這種誤差。所以在嵌入式軟硬件方面只能夠盡量減少因為采樣或處理造成的誤差，在可能的范圍內(nèi)使得地層放射性導致的伽馬脈沖不丟失[13]。這就要求對伽馬脈沖處理的速度盡可能快，以減少每一個伽馬脈沖從接收到處理完成的周期，從而在相同采樣率下減少失真程度。由于伽馬脈沖峰值持續(xù)10 μs，認為伽馬脈沖處理時間為伽馬峰值持續(xù)時間的1%，即0.1 μs時，處理時間對伽馬脈沖周期的貢獻可以忽略不計。這就要求處理伽馬脈沖的實際頻率要在10 MHz以上。所以選擇的主控芯片的實際處理速度必須要高于10 MHz。由于在采集伽馬值的同時還要不斷采集工具面及井斜的數(shù)值，選擇的主控芯片必須還能夠?qū)Ω鱾€任務進行調(diào)度。

4 現(xiàn)場實驗

使用研制的近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)進行現(xiàn)場實驗和測試，2017年5月27—31日在山東省德州市臨邑縣勝利油田臨盤油區(qū)的商55-斜20井、盤32-斜2井兩口井進行測試，完成了井下通訊及測量。工作過程中，整個系統(tǒng)共入井兩次，信號傳輸可靠，工作穩(wěn)定，實現(xiàn)伽馬成像、井斜、轉(zhuǎn)速、溫度采集準確，采集、存儲、上下短節(jié)跨螺桿無線傳輸通信正常、MWD傳輸工作正常，完成原理的樣機的全功能驗證，為近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)工程化應用和市場推廣打下堅實的基礎。

(1)商55-斜20井。5月29日19:00下井，下部鉆具組合為鉆頭-下短節(jié)-雙母接頭-9 m長螺旋鉆鋌-上短節(jié)-螺旋鉆鋌。近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)下至400 m處裸眼段，30 min后起鉆，起鉆后在地面對上下短節(jié)中的數(shù)據(jù)進行分析，整個系統(tǒng)通訊常，數(shù)據(jù)采集正常，完成地層適應性檢測。

(2)盤32-斜2井。5月31日17：22下井，下部鉆具組合為鉆頭-下短節(jié)-雙母接頭-9米長螺旋鉆鋌-上短節(jié)-扶正器，近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)下至300 m處。6月1日13:30下至井底1 900 m，劃眼，16:17泥漿循環(huán)并開啟轉(zhuǎn)盤，16:50停泵起鉆，22:30起鉆。儀器在地下連續(xù)工作近34 h，儀器工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正常，下鉆測量的總伽馬與測井伽馬對比趨勢基本一致，如圖17所示。

圖17 伽馬曲線對比圖

5 結(jié)論

(1)深入分析了4種不同的因素對伽馬成像影響，給出了相應的對比圖，通過對比論證，很好的得出隨鉆伽馬成像在地層界面處正弦曲線高度隨地層傾角的增大而增大，隨地層密度的增大而減小，受井眼尺寸和泥漿密度的影響較小，受儀器偏心的影響較大，成像深度主要受地層密度的影響，受井眼尺寸、泥漿密度和地層傾角的影響較小。

(2)研制出近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)，形成了高轉(zhuǎn)速8/16扇區(qū)伽馬成像方法，建立了動態(tài)井斜測量方法，攻克了無線短傳技術和天線耐磨抗壓抗振封裝技術，設計高振動機械密封結(jié)構，取得良好的效果。

(3)近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)陸續(xù)完成7口井現(xiàn)場試驗，包括4口井循環(huán)劃眼測試和3口井實鉆測試，通過試驗，發(fā)現(xiàn)和解決問題。在唐1-斜22獲得實鉆成功，實鉆進尺1 200 m，工作時間96 h，整體儀器運行良好，這些實驗為后續(xù)改進該儀器設備提供了可能。

(4)近鉆頭伽馬成像測井技術在國際上屬于前沿領域，也是該領域的高端設備，具有很高的產(chǎn)品附加值，其中伽馬儀器幾乎成為區(qū)分地層巖性必須使用的工具之一。依靠中石化在非常規(guī)勘探開發(fā)領域的專業(yè)優(yōu)勢，進行近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)井場快速應用推廣，具有很好的經(jīng)濟、社會效益及廣闊的應用前景。項目研究成果形成了中國石化的核心技術，打破國外技術壟斷，具有良好的效益。