魯超　張玉　蘇瑞

摘 要：隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測(cè)量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型隨鉆測(cè)量技術(shù)，通過獨(dú)特的數(shù)據(jù)處理技術(shù)在鉆具連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中分扇區(qū)測(cè)量對(duì)應(yīng)地層自然伽馬數(shù)據(jù)，用以判斷所鉆軌跡處于儲(chǔ)層內(nèi)的相對(duì)位置、進(jìn)出儲(chǔ)層情況等，能有效的實(shí)現(xiàn)在隨鉆過程中及時(shí)指導(dǎo)鉆頭沿最佳軌跡鉆進(jìn)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)導(dǎo)向;隨鉆工具;多扇區(qū);方位伽馬;動(dòng)態(tài)測(cè)量

1引言

傳統(tǒng)的水平井地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)是在隨鉆測(cè)量工具內(nèi)安裝自然伽馬傳感器，通過伽馬傳感器內(nèi)的計(jì)數(shù)管來獲取其周圍巖層中放射出的γ射線的能級(jí)寬度，然后采用API 刻度傳輸至地面，判斷地層的平均伽馬。由于該技術(shù)沒有方位信息，雖然其能較好地指示鉆頭是否在儲(chǔ)層中行進(jìn)，但當(dāng)鉆頭出儲(chǔ)層后卻無法及時(shí)指明如何重返其中，即不具有捕捉方位信息的能力，因此不能實(shí)時(shí)、有效地獲取地層層位信息。方位伽馬測(cè)量技術(shù)是通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)的革新，對(duì)現(xiàn)有的平均伽馬探測(cè)技術(shù)進(jìn)行改造，使其可對(duì)指定區(qū)域地層進(jìn)行測(cè)量及明確邊界，拾取地層傾角，確定地層厚度，尤其適合地質(zhì)條件復(fù)雜多變且儲(chǔ)層厚度分布不均的儲(chǔ)層氣田開采領(lǐng)域。

2 隨鉆多扇區(qū)方位測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)原理及方法

通常情況下，鉆探定向井、水平井過程中需要實(shí)時(shí)的獲取井下鉆具相對(duì)于某一參考點(diǎn)的相對(duì)位置，也即一定的偏移角，在工程上稱為工具面或工具面角。工具面角在直井中通常以磁北為參考點(diǎn)，工程上稱這種以磁北為參考點(diǎn)的工具面為磁工具面MTF（Magnetic Tool Face）。在定向井、水平井的井斜大于一定角度后，工具面通常是以重力方向作為參考點(diǎn)，工程上稱為重力工具面GTF（Gravity Tool Face）。重力工具面GTF是基于測(cè)量物體的當(dāng)?shù)刂亓?chǎng)而得出的，例如重力場(chǎng)可以垂直于鉆具軸向。測(cè)量重力場(chǎng)通常利用加速度計(jì)測(cè)量的。然而在鉆具連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中要瞬時(shí)地采集計(jì)算出重力工具面幾乎是不可能的，因?yàn)榫碌膹?qiáng)振動(dòng)通常都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個(gè)G。如何通過消除這種因鉆具旋轉(zhuǎn)對(duì)重力測(cè)量形成的干擾是實(shí)現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)中測(cè)量的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)學(xué)者通過濾波，校驗(yàn)的方法，在動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)方面取得了不少成果。本文提供了一種全新的動(dòng)態(tài)工具面測(cè)量的方法，一種基于磁測(cè)量的動(dòng)態(tài)工具面高效準(zhǔn)確的測(cè)量方法，可用于在任意時(shí)刻計(jì)算工程所常用的重力工具面。

在經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，各種井場(chǎng)中，重力工具面與磁工具面，當(dāng)?shù)卮艃A角、井斜角和方位角具有一定的函數(shù)關(guān)系。且在空間內(nèi)可以經(jīng)過向量轉(zhuǎn)化的計(jì)算，實(shí)時(shí)可將磁向量經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)到工具軸線的重力向量。從而利用常規(guī)計(jì)算重力的給類計(jì)算公式計(jì)算我們熟悉的重力工具面GTF。設(shè)磁傾角為DIP，井斜角INC，方位角AZI，重力工具面角為GTF，磁工具面角為MTF，重力和為G，磁場(chǎng)為B。則其函數(shù)關(guān)系可以用下面的等式表示：

GTF=Function（INC，AZI，DIP，MTF）（1）

從式（1）可知，重力工具面是井斜角INC、方位角AZI和磁傾角DIP、磁工具面MTF的函數(shù)，通過該函數(shù)的計(jì)算，從原理上規(guī)避了計(jì)算重力工具面時(shí)受井下振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)所帶來的所有影響。

該方法解決了傳統(tǒng)測(cè)量方法無法得到動(dòng)態(tài)GTF的難題，實(shí)現(xiàn)了扇區(qū)方位測(cè)量，并可以廣泛應(yīng)用于井下要求動(dòng)態(tài)GTF的各類設(shè)備中。通過以上敘述和分析，方法從原理上實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)中重力工具面的準(zhǔn)確測(cè)量，以下介紹方位伽馬及伽馬成像如何實(shí)現(xiàn)。方位伽馬儀器主要利用井下扇區(qū)方位測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)得到儀器的旋轉(zhuǎn)工具面，通過實(shí)時(shí)工具面的位置反饋信號(hào)，產(chǎn)生扇區(qū)時(shí)序控制信號(hào)，將伽馬傳感器測(cè)量值分配到劃分好的某一扇區(qū)中。

3 隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測(cè)量?jī)x的特點(diǎn)及技術(shù)指標(biāo)

隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測(cè)量?jī)x目前有2種形式，集成在鉆井院MRC電磁波電阻率上，組成緊湊型地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)。也可以制作成一根 獨(dú)立短節(jié)的形式，與其他的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)共享。短節(jié)上集成了伽馬測(cè)量，井斜以及環(huán)空壓力測(cè)量，伽馬測(cè)量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的API刻度，測(cè)量扇區(qū)數(shù)量可以根據(jù)用戶需要設(shè)置為傳統(tǒng)平均伽馬，2扇區(qū)、4扇區(qū)或者8扇區(qū)方位伽馬，當(dāng)然還可以擴(kuò)展到16扇區(qū)測(cè)量。當(dāng)前通常情況下位8扇區(qū)測(cè)量，用于實(shí)時(shí)成像和數(shù)據(jù)回放成像使用。短節(jié)中的井斜測(cè)量采用高溫抗振的封裝型井斜測(cè)量模塊，大大提高了測(cè)量的可靠性。模塊封裝體積小，功耗小，便于安裝，更加適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用。另外，短節(jié)上集成安裝的鉆具內(nèi)外環(huán)空壓力測(cè)量，主要用于檢測(cè)井下循環(huán)系統(tǒng)的壓力情況，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)空壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 多扇區(qū)方位伽馬測(cè)量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

方位伽馬測(cè)量參數(shù)在水平井中邊界識(shí)別原理：如果鉆頭從頂部進(jìn)層時(shí)，下伽馬值首先降低，然后上伽馬值降低;從頂部出層時(shí)，上伽馬值首先抬起，然后下伽馬值抬起; 從底部進(jìn)層時(shí)，上伽馬值首先降低，然后下伽馬值降低;從底部出層時(shí)，下伽馬值首先抬起，然后上伽馬值抬起; 完全進(jìn)層或出層后，上、下伽馬值基本一致。依據(jù)這些原理，在水平井施工中就可以避免少出目標(biāo)層，即使出層也可以及時(shí)返回目標(biāo)層，提高儲(chǔ)層鉆遇率。

方位伽馬在勝利墾*-平2井的應(yīng)用，設(shè)計(jì)目的層為Es3-8層，在水平段施工過程中按采油廠要求：穿越Es3-8層和一小夾層進(jìn)入Es3-8地層并在其中穿行，直至完鉆，鉆遇率接近100%。設(shè)計(jì)模型隨時(shí)更新，指導(dǎo)下一步軌跡走向。下圖是在實(shí)鉆過程中的曲線及模型情況。

井深2364m確定鉆出油層，電阻率值降低，上、下伽馬值均顯著增大，且下伽馬值明顯大于上伽馬值，從下邊界出層。調(diào)整軌跡，增加井斜，使軌跡重回儲(chǔ)層中上部，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向。通過多輪次的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，隨鉆方位伽馬，伽馬成像井進(jìn)一步完善和成熟，性能穩(wěn)定，可靠的自主品牌指日可待。從圖1的實(shí)時(shí)方位伽馬曲線顯示可以看出，當(dāng)前所鉆井眼處于靠近儲(chǔ)層下方位置，可能要從下方出層，需要及時(shí)增加井斜，是鉆頭重回儲(chǔ)層中上部。

5 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

基于動(dòng)態(tài)方向測(cè)量模塊在鉆具旋轉(zhuǎn)時(shí)有效克服了傳統(tǒng)基于加速度計(jì)測(cè)量的所有缺陷，為井下需要?jiǎng)討B(tài)方位、扇區(qū)測(cè)量的各類儀器提供了準(zhǔn)確可靠的方向測(cè)量數(shù)據(jù)，并成功應(yīng)用于勝利鉆井院研制隨鉆方位伽馬測(cè)量?jī)x器?；诙嗌葏^(qū)方位伽馬、伽馬成像，多深度電阻率參數(shù)的配合使用，為成功實(shí)現(xiàn)隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向鉆井提供了又一設(shè)備利器。隨鉆方位伽馬測(cè)量?jī)x器的成功現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，為進(jìn)一步開發(fā)隨鉆伽馬成像測(cè)量?jī)x提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，隨著電子技術(shù)及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的完善，隨鉆成像技術(shù)指日可待。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測(cè)控技術(shù)”（項(xiàng)目編號(hào)：2016ZX05021-001）