胡斌 馬鴻彥 黃秉亞 姚筠 宋曉健 徐笑鷗

中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

現(xiàn)有隨鉆測量儀器測量點與鉆頭的距離達(dá)到15 m左右，導(dǎo)致測量信息滯后，無法及時準(zhǔn)確判斷新鉆開層位的相關(guān)信息，井眼軌跡難于精確控制，不利于提高薄油層鉆遇率；并且傳統(tǒng)隨鉆伽馬測量儀器只能測量地層的自然伽馬強(qiáng)度，只能提供一條伽馬測量曲線，地質(zhì)技術(shù)人員只能根據(jù)伽馬曲線判斷井眼軌跡是否出層，不能準(zhǔn)確判斷鉆遇儲層的頂部和底部［1-2］。近鉆頭方位伽馬測量儀器通常有0.5～1 m的測量零長，能夠及時測量到鉆遇地層的巖性變化，當(dāng)發(fā)生出層時，還可以根據(jù)近鉆頭方位伽馬上、下兩條伽馬曲線的形態(tài)，判斷是頂出還是底出，從而幫助地質(zhì)導(dǎo)向人員及時做出正確的判斷，及時調(diào)整井眼軌跡，使井眼軌跡保持在儲層中［3-4］。

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量儀器的相關(guān)技術(shù)在若干年前主要被斯倫貝謝、貝克休斯等國外油氣技術(shù)服務(wù)公司壟斷，國內(nèi)隨鉆測井儀器生產(chǎn)廠商沒有自主研發(fā)的成熟完善的近鉆頭方位伽馬測量儀器。2017年渤海鉆探定向井公司開始自主研發(fā)BHNWD 近鉆頭方位伽馬測量系統(tǒng)，并于2019年8月研制成功，2020年正式投入使用，目前已在華北油田、山西煤層氣田、四川頁巖氣田等多個油氣田成功完成20余口水平井的隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向測量作業(yè)，以故障率低、測量精確度高、地層分辨率強(qiáng)等特點受到好評。至今，應(yīng)用BH-NWD近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)施工的水平井儲層鉆遇率均保持在93%以上，明顯高于使用常規(guī)伽馬隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向施工的水平井儲層鉆遇率。

1 近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)井下工具主要包括測量發(fā)射短節(jié)和信號接收短節(jié)兩部分。測量發(fā)射短節(jié)長0.6 m，接收短節(jié)長1 m，外徑172 mm。測量發(fā)射短節(jié)包括短節(jié)本體、電池倉、伽馬測量倉、電磁波發(fā)射天線倉和數(shù)據(jù)讀取接口。接收短節(jié)包括2個鋰電池倉、1個接收天線倉以及中控電路倉。

在鉆具組合中，測量發(fā)射短節(jié)安裝在鉆頭與馬達(dá)之間，能夠測量并存儲近鉆頭井斜角和方位伽馬參數(shù)，將數(shù)據(jù)通過電磁波發(fā)送給接收短節(jié)，發(fā)射短節(jié)由鋰電池單獨(dú)供電。接收短節(jié)安裝在馬達(dá)與MWD/LWD之間，接收近鉆頭測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送至MWD/LWD。發(fā)射短節(jié)的井斜測點距離井底0.4 m，方位伽馬測點距離井底0.5 m。

1.1 發(fā)射短節(jié)

1.1.1 測量模塊

BH-NWD方位伽馬傳感器安置在發(fā)射短節(jié)本體外壁艙室內(nèi)。該艙室內(nèi)有方位伽馬傳感器、角度傳感器和傳感器信號處理電路。方位伽馬傳感器的測量半徑為0.45 m。將伽馬探測器安置在短節(jié)外壁能夠使測量系統(tǒng)擁有更大的探測半徑，提高了方位伽馬探測的敏銳度。

將井筒截面的一周平均分為8個扇區(qū)，在近鉆頭發(fā)射短節(jié)旋轉(zhuǎn)過程中，短節(jié)內(nèi)部的伽馬傳感器對各個扇區(qū)的伽馬射線強(qiáng)度進(jìn)行測量。方位伽馬探管采用了高頻、高分辨率的角度傳感器，實時監(jiān)控伽馬傳感器的朝向，是方位伽馬實現(xiàn)方向性測量的關(guān)鍵組件。0扇區(qū)和7扇區(qū)的伽馬射線強(qiáng)度的算術(shù)平均值為上部伽馬數(shù)值。3扇區(qū)和4扇區(qū)的伽馬射線強(qiáng)度的算術(shù)平均值為下部伽馬數(shù)值。

如圖1所示，伽馬探測器的伽馬脈沖信號經(jīng)過整形濾波處理后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)化電路ADC0809的輸入端，ADC0809將電脈沖信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，將數(shù)字信號提供給單片機(jī)AT89C52進(jìn)行采集、檢測和處理。AT89C52可以進(jìn)一步對檢測到的信號進(jìn)行運(yùn)算和轉(zhuǎn)換，將伽馬脈沖信號轉(zhuǎn)換成單位為API的標(biāo)準(zhǔn)伽馬值，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。74LS573芯片是數(shù)據(jù)寄存器，在AT89C52和ADC0809之間起到數(shù)據(jù)緩沖的作用。AT89C52可以將計算完成的數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器芯片中。

1.1.2 通信模塊

發(fā)射短節(jié)中的井斜和方位伽馬傳感器將井斜和方位伽馬測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨l(fā)射電路，發(fā)射電路將數(shù)據(jù)調(diào)制為電磁波信號，再由發(fā)射短節(jié)中的發(fā)射天線發(fā)射。通信模塊選擇柱狀非對稱式天線，采用6.2 kHz載波頻率，選擇高斯最小頻移鍵控作為近鉆頭電磁波短傳的基本調(diào)制方式。接收短節(jié)通過接收天線接收發(fā)射短節(jié)發(fā)送的電磁波信號，通過內(nèi)部信號處理電路將電磁波信號還原為測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送至MWD/LWD ，MWD/LWD將近鉆頭測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成鉆井液脈沖信號，傳輸?shù)骄诘膲毫鞲衅骱蛿?shù)據(jù)處理儀進(jìn)行解碼。

井下近鉆頭傳感器采集的數(shù)據(jù)存儲在電子倉中的存儲器中，可編程邏輯門序列模塊組件利用協(xié)議對存儲器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，每讀取一個字節(jié)，就將該字節(jié)存儲在可編程邏輯門序列的存儲單元中進(jìn)行脈沖拓展，然后利用數(shù)字信號混頻發(fā)生器對擴(kuò)展后的基帶碼元進(jìn)行檢測使得輸出兩種不同頻率的正弦載波，這兩種不同頻率的載波頻率分別為10 kHz和20 kHz,完成高斯最小頻移鍵控調(diào)制。頻移鍵控即當(dāng)載波頻率變化時傳遞不同的信息。系統(tǒng)根據(jù)二進(jìn)制基帶信號傳遞兩種頻率的載波，分別代表基帶信號的0和1， 10 kHz的信號代表0，20 kHz信號代表1。

圖1 發(fā)射短節(jié)測量模塊中的信號處理電路Fig. 1 Signal processing circuit in the measurement module of launching nipple

如圖2所示，高斯最小頻移鍵控是在數(shù)據(jù)流送入頻率調(diào)制器前先通過1個高斯濾波器進(jìn)行預(yù)調(diào)制濾波，以減小2個不同頻率的載波切換時的跳變能量，使其在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率時頻道間距可以變得更緊密。由于進(jìn)行了高斯最小頻移鍵控預(yù)調(diào)制濾波，調(diào)制信號在交越零點不但相位連續(xù)，而且平滑過濾，因此采用高斯最小頻移鍵控技術(shù)調(diào)制的信號頻譜緊湊、誤碼率低。高斯最小頻移鍵控調(diào)制技術(shù)能夠提高通信頻譜利用率和通信質(zhì)量。

圖2 高斯最小頻移鍵控調(diào)制后生成的兩種載波Fig. 2 Carrier wave with two frequencies generated after Gauss minimum frequency-shift keying modulation

在可編程邏輯門序列內(nèi)部進(jìn)行調(diào)制后的正弦波還是數(shù)字信息，需要利用D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化，將數(shù)字正弦載波轉(zhuǎn)化為模擬正弦波，利用一個7階巴特沃斯低通濾波器濾除高頻噪聲干擾，然后通過放大電路進(jìn)行放大，由于該正弦載波信號是D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送出來的，因此功率很小，故需要采用同相比例放大電路進(jìn)行放大，然后經(jīng)過發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射。

最小高斯頻移鍵控信號調(diào)制技術(shù)采用的信號頻率為10 kHz到20 kHz，而其他廠商其近鉆頭儀器大多采用相移鍵控調(diào)制技術(shù)，大部分以1～2 MHz的高頻信號作為通信載波。在現(xiàn)場應(yīng)用中，經(jīng)常出現(xiàn)在特定地層，比如山西煤層氣田的沁水盆地15號煤底部和四川頁巖氣田的龍馬溪組底部，發(fā)生發(fā)射端和接收端通信失聯(lián)的現(xiàn)象。發(fā)生這種失聯(lián)現(xiàn)象的原因是高頻相移鍵控調(diào)制信號在地層中更容易發(fā)生信號強(qiáng)度的衰減，在含少量鐵礦的地層中這種衰減現(xiàn)象更為明顯，進(jìn)而發(fā)生通信失聯(lián)的現(xiàn)象。BH-NWD近鉆頭方位伽馬測量系統(tǒng)采用高斯最小頻移鍵控通信技術(shù)，信號在地層傳輸過程中能量衰減率很低，能夠很好地克服地層對電磁波信號的衰減，在特殊地層施工中，沒有發(fā)生過通信失聯(lián)的情況。高斯最小頻移鍵控調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用使BH-NWD井下儀器電磁波通信更為穩(wěn)定和可靠。

1.2 接收短節(jié)

發(fā)射線圈將D/A轉(zhuǎn)換后的正弦載波通過發(fā)射天線進(jìn)行發(fā)射，根據(jù)電磁感應(yīng)，接收線圈應(yīng)該接收到發(fā)射線圈頻率相同的正弦載波，但由于經(jīng)過傳輸介質(zhì)衰減，信號功率很小，因此需要通過同相比例放大電路對信號功率進(jìn)行放大，放大后的信號還是模擬信號，還需要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬正弦波信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再利用可編程邏輯門序列組件解調(diào)。解調(diào)后的信號通過接收短節(jié)中的總線轉(zhuǎn)換接口將RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成MWD的RS485總線數(shù)據(jù)。

如圖3所示，近鉆頭方位伽馬系統(tǒng)采用RS-232協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令通信，而MWD系統(tǒng)則采用RS-485協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)與指令通信。RS-485采用半雙工工作方式，平衡發(fā)送和差分接收，任何時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)。RS-232總線的電氣接口電路采用的是不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將MWD系統(tǒng)的RS-485接口轉(zhuǎn)換成RS-232通信接口，實現(xiàn)與方位伽馬工具的RS-232通信接口的電氣連接。該電路由主控單片機(jī)、DCDC電源模塊、低壓差線性穩(wěn)壓器、RS-485通信接口芯片、RS-232通信接口芯片組成，主要實現(xiàn)了RS-232與RS-485的通信接口相互轉(zhuǎn)換的功能。由MWD將接收短節(jié)的輸出信號轉(zhuǎn)化成測量數(shù)據(jù)，再由MWD中的調(diào)制模塊調(diào)制成鉆井液脈沖信號，由脈沖發(fā)生器傳出。接收短節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊使得近鉆頭伽馬井下測量系統(tǒng)能夠和公司現(xiàn)有的MWD儀器直接連接，實現(xiàn)了近鉆頭井下測量系統(tǒng)和MWD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議最終一致性，使得近鉆頭方位伽馬測量數(shù)據(jù)能夠在MWD系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

圖3 接收短節(jié)中的通信模塊Fig. 3 Communication module of receiving nipple

1.3 地面信號數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)井下儀器根據(jù)組合碼規(guī)則將近鉆頭方位伽馬測量數(shù)據(jù)編制成由脈沖和時間槽構(gòu)成的組合碼序列，再將組合碼序列調(diào)制成一系列鉆井液壓力脈沖信號，由井下脈沖發(fā)生器發(fā)出，脈沖信號經(jīng)由鉆井液環(huán)空信道向地面進(jìn)行傳輸。在信號傳輸過程中，脈沖信號容易受到泥漿泵噪聲、鉆具和立管震動引發(fā)的噪聲、電磁噪聲等噪聲信號的干擾。脈沖信號其他噪聲信號混疊在一起被地面壓力傳感器檢測。這種有大量噪聲混疊的信號需要進(jìn)行有效的濾除，否則會造成地面解碼軟件解碼錯誤或是無法解碼。

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)處理儀對接收到的壓力傳感器模擬信號進(jìn)行濾波和功率放大以及初步的濾波處理，再將處理好的信號送入模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字信號輸入到數(shù)字信號處理組件中，數(shù)字信號處理組件利用快速傅里葉變換技術(shù)對信號進(jìn)行解析和數(shù)字濾波，濾除噪聲干擾信號。經(jīng)過數(shù)字信號處理后的數(shù)字信號，再輸送到計算機(jī)中的信號解碼軟件進(jìn)行解碼，從而轉(zhuǎn)化成近鉆頭方位伽馬測量數(shù)據(jù)。

1.3.1 供電穩(wěn)壓電路

如圖4所示，系統(tǒng)進(jìn)行信號處理時，系統(tǒng)內(nèi)部電路的工作電壓需要保持穩(wěn)定。電路系統(tǒng)中采用LM2576芯片和電容、電感、二極管構(gòu)建成系統(tǒng)和供電電路，同時能夠起到穩(wěn)壓作用。

圖4 LM2576和其他電子器件構(gòu)成的供電電路Fig. 4 Feed circuit composed of LM2576 and other electronic devices

LM2576芯片是一種降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路，其內(nèi)部具有較為完善的保護(hù)電路，其中包括熱關(guān)斷電路與電流限制電路等。該芯片只需極少的外圍電子器件就能構(gòu)建高效穩(wěn)壓電路同時還能夠?qū)崿F(xiàn)電源電能變換，起到穩(wěn)壓作用。圖4所示的電路中，VD表示續(xù)流二極管，L 表示電感，C 表示濾波電容，R1、R2 為分壓電阻，利用這兩個分壓電阻能夠完成輸出電壓的反饋輸出。

1.3.2 濾波放大電路

如圖5所示，地面系統(tǒng)中的壓力傳感器和深度傳感器輸出的是模擬電壓信號。模擬電壓信號比較微弱，而且摻雜著一些干擾信號，在經(jīng)過地面系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要經(jīng)過濾波放大處理。模擬電壓信號首先耦合電容 C1 ，輸入到由R4、R5、VD1、R1、C2 等電子器件構(gòu)成的低通濾波器，該低通濾波器能夠去除模擬信號中的高頻噪聲形成的干擾信號，經(jīng)過低通濾波處理的信號再經(jīng)過電容 C3將經(jīng)過濾波處理后信號輸入到由VT2、VT3、VT4構(gòu)成的一個放大輸出級電路，對波形進(jìn)行功率放大后，再送入ADC芯片的計數(shù)端，模數(shù)轉(zhuǎn)化，通過數(shù)據(jù)運(yùn)算從而得到最終的測量數(shù)據(jù)。

圖5 信號濾波整形放大電路Fig. 5 Signal filtering, shaping and amplifying circuit

1.3.3 軟件設(shè)計

BH-NWD近鉆頭方位伽馬信息處理軟件包括探管配置模塊，信號采集、處理和解碼模塊，井下參數(shù)恢復(fù)模塊，工具面模塊，解碼數(shù)據(jù)顯示模塊，司鉆通信模塊，wits交互模塊，數(shù)據(jù)存儲模塊，狀態(tài)監(jiān)控模塊。軟件設(shè)計是以主程序為數(shù)據(jù)中心，與各功能模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。BH-NWD地面信息處理軟件能夠?qū)⑿盘柸ピ胩幚?、信號解碼、井深控制、伽馬圖形顯示處理、定向信息與伽馬數(shù)據(jù)處理等多項功能集成在一個軟件界面中，和同類型儀器地面信息處理軟件相比，使用起來更為快捷、方便。

2 近鉆頭方位伽馬測量系統(tǒng)的成像功能

基于近鉆頭方位伽馬測量數(shù)據(jù)而形成的井眼泥質(zhì)含量二維成像資料可以清晰準(zhǔn)確地反映地層巖性特征，還可以根據(jù)這些資料進(jìn)行地層構(gòu)造分析，為復(fù)雜油氣藏勘探開發(fā)提供了高精度的地質(zhì)導(dǎo)向技術(shù)［5-6］。

近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)是利用近鉆頭方位伽馬儀器對井眼環(huán)向的空間進(jìn)行測量所獲得的各扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、編輯、處理而得到的可視化圖像技術(shù)，能更加清晰地反映地層巖性特征。當(dāng)近鉆頭方位伽馬探測傳感器被選定為成像模式時，近鉆頭儀器輸出8個扇區(qū)的伽馬測量數(shù)據(jù)。地面信息處理系統(tǒng)將8個扇區(qū)的伽馬數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，同時根據(jù)動態(tài)或是靜態(tài)色度標(biāo)定法，定義成像色譜，將各扇區(qū)伽馬數(shù)值按照一定的刻度規(guī)則分配不同級別的色度。最后將各扇區(qū)被分配的顏色在相應(yīng)的位置顯示出來，從而生成隨鉆方位伽馬數(shù)據(jù)二維或三維圖像。伽馬成像的顯示效果與色譜的選擇有著密切的關(guān)系，一般情況下伽馬值越高則對應(yīng)的顏色越深，伽馬值越低所對應(yīng)的顏色就越淺。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

樊67平2-4L井是華北油田煤層氣分公司在沁水盆地南部晉城斜坡帶樊莊區(qū)塊布署的一口水平井。設(shè)計井深1 808.74 m，垂深614.00 m，閉合距1 292.47 m，設(shè)計造斜點250.00 m，軌道類型為直-增-穩(wěn)-增-水平。該井于670 m井斜60°時下入BHNWD近鉆頭測量系統(tǒng)進(jìn)行隨鉆測量和地質(zhì)導(dǎo)向，該井水平段累計鉆進(jìn)1 050.00 m，煤層段累計進(jìn)尺1 020.00 m，鉆遇率達(dá)97%，達(dá)到設(shè)計要求。

如圖6(a)所示，在井深877 m以上為煤層，伽馬值保持在20～50 API，伽馬值較低，同時成像圖總體為淺色，說明煤層中煤的含量較高，此時的井斜為94°。在870～877 m井段成像圖橫向兩側(cè)的顏色逐漸加深，說明井眼頂部接近泥巖，底部還在煤層中。877 m以下上伽馬、下伽馬曲線數(shù)值逐漸增大，并且上伽馬曲線數(shù)值整體高于下伽馬曲線數(shù)值。上、下伽馬數(shù)值增大至90～110 API，成像圖在877 m以下顏色也逐漸加深，說明鉆頭正由煤層頂部出層，進(jìn)入泥巖層。此時應(yīng)該盡快調(diào)整井眼軌跡，進(jìn)行降斜，使得井眼軌跡由頂部泥巖重新回到煤層中。

如圖6(b)所示，880～913 m井段上、下兩條伽馬曲線數(shù)值整體偏高，伽馬數(shù)值在120 API左右。成像圖的顏色也較深，可以確定此時井眼軌跡發(fā)生頂出。之后將井斜由94°降至88°，在913 m上、下伽馬曲線數(shù)值逐漸降低，并且下伽馬曲線先于上伽馬曲線先降低，并且成像圖顏色也變淺，說明井眼軌跡由上部泥巖層重新回到了煤層。之后上、下兩條伽馬曲線的數(shù)值保持在20～30 API，說明鉆頭回到了純度較高的煤層中。

如圖6(c)所示，在井深1 350 m之前為煤層，伽馬值保持在20～40 API。上、下兩條伽馬曲線沒有發(fā)生明顯分離，同時成像圖總體為淺色，說明此時煤層中煤含量較高，此時井斜為86°。在1 350～1 360 m井段成像圖中部顏色逐漸加深，說明井眼底部接近泥巖，頂部還在煤層中。1 350 m以下上伽馬和下伽馬曲線數(shù)值逐漸增大，下伽馬曲線先增大，上伽馬曲線后增大。上、下伽馬數(shù)值增大至90～110 API，結(jié)合成像圖在1 360 m后顏色也逐漸加深，說明鉆頭正由煤層底部出層，進(jìn)入泥巖層。此時應(yīng)該盡快調(diào)整井眼軌跡，進(jìn)行增斜，使得井眼軌跡由底部泥巖重新回到煤層中。

圖6 方位伽馬曲線與井筒剖面成像圖Fig. 6 Azimuth gamma curve and borehole lithological image

4 結(jié)論

(1) BH-NWD近鉆頭發(fā)射短節(jié)和接收短節(jié)之間的數(shù)據(jù)通信傳輸采用了電磁波高斯最小頻移鍵控調(diào)制通信技術(shù)，和其他廠商常用的相移鍵控調(diào)制技術(shù)相比，高斯最小頻移鍵控調(diào)制通信技術(shù)能夠明顯克服特殊地層對電磁波信號的衰減作用，從而保證井下儀器良好的數(shù)據(jù)通信功能。

(2) BH-NWD井下儀器的電路系統(tǒng)和地面信息信號處理系統(tǒng)中的多個模塊組件中使用了單片機(jī)、可編程邏輯門序列等信息處理專用集成電路組件，極大地提高了方位伽馬測量系統(tǒng)的集成度、智能化、系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(3)近鉆頭方位伽馬隨鉆測量儀和傳統(tǒng)伽馬測量儀相比零長短，能更早探測到地層巖性的變化，并且具有上伽馬和下伽馬兩條伽馬曲線，有利于技術(shù)人員進(jìn)行精確的地質(zhì)導(dǎo)向。從現(xiàn)場應(yīng)用情況看，采用BH-NWD近鉆頭隨鉆測量系統(tǒng)的水平井儲層鉆遇率均達(dá)到93%以上，明顯高于應(yīng)用常規(guī)伽馬儀器施工水平井的平均鉆遇率。