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        隨鉆方位伽馬測井儀的設(shè)計(jì)與性能驗(yàn)證

        2022-01-16 08:28:18
        錄井工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:探管伽馬刻度

        王 重 云

        (中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

        0 引 言

        在油氣資源鉆探中,隨鉆自然伽馬測井方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。其原理是由于自然界的巖層中一般都含有數(shù)量不等的放射性元素,不同巖性的地層產(chǎn)生的射線強(qiáng)度存在差異,通過在鉆進(jìn)過程中測量地層的自然伽馬值并傳回地面,定向工程師可以識別地層巖性和油氣儲層,判斷鉆進(jìn)是否在目標(biāo)層位,并以此為依據(jù)進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向。不過自然伽馬測井也存在一定的局限性,當(dāng)鉆進(jìn)到地層交界位置時,由于測量的是地層的總伽馬,其數(shù)值是不同地層射線共同作用的結(jié)果,也就無法用于判斷地層界面的方位特征。方位伽馬測量方法則能夠在鉆進(jìn)過程中提供井眼圓周不同扇區(qū)的伽馬值,可用于分辨界面巖性結(jié)構(gòu),用于判定頁巖儲層的有機(jī)物質(zhì)豐富度和黏土含量,識別煤層氣的頂板和底板位置,在非常規(guī)油層定位與評估和煤層氣開發(fā)方面有著極高的應(yīng)用價值。

        國外油服公司對隨鉆方位伽馬儀器的研制開展較早,并投入了商業(yè)應(yīng)用,具代表性儀器有斯倫貝謝公司的新一代近鉆頭方位伽馬成像系統(tǒng)IPZIG、貝克休斯公司的多功能隨鉆儀器OnTrak、哈里伯頓公司的近鉆頭方位伽馬成像儀器GABI以及威德福公司的方位伽馬測井儀器SAGR等。國內(nèi)雖然陸續(xù)有幾家單位開展了研究與設(shè)計(jì),并取得了一定的進(jìn)展,但真正投入應(yīng)用的并不多見,其中代表性的有中國石油集團(tuán)測井有限公司、KeyDrill公司等[2-3]。

        1 方位伽馬測量原理

        隨鉆方位伽馬測井儀主要分為探管式和貼壁式兩種結(jié)構(gòu)[4]。探管式是把方位伽馬測量部分設(shè)計(jì)成與MWD定向探管類似的結(jié)構(gòu),晶體用鎢鋼等材質(zhì)作為屏蔽層包裹在里面,在屏蔽層切開60°~90°的開窗作為測量窗口,并利用姿態(tài)傳感器確定掃描方位。貼壁式是在無磁鉆鋌的外壁開凹槽,在凹槽壁上做屏蔽層,將晶體與姿態(tài)傳感器裝入槽中,外面加裝蓋板防護(hù)??紤]到貼壁式結(jié)構(gòu)對鉆鋌的密封性設(shè)計(jì)要求較高、鉆鋌對晶體的屏蔽效果存在方向差異等特性,而探管式結(jié)構(gòu)相對更加簡單靈活,因此本文的隨鉆方位伽馬測井儀采用探管式結(jié)構(gòu)。

        在進(jìn)行方位伽馬測量時,方位伽馬探管的微處理器首先采集姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù),并實(shí)時計(jì)算探管在當(dāng)前姿態(tài)下的窗口中心線位置,將中心線位置與設(shè)定位置比較,即可確定探管正在測量來自哪個方向的伽馬數(shù)據(jù)。如圖1所示,當(dāng)窗口中心線經(jīng)過A1點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)到A2點(diǎn)時,測得的伽馬計(jì)數(shù)為上伽馬;當(dāng)窗口中心線經(jīng)過B1點(diǎn)并旋轉(zhuǎn)到B2點(diǎn)時,測得的伽馬計(jì)數(shù)為下伽馬。在鉆進(jìn)過程中微處理器不斷對地層伽馬值和探管姿態(tài)進(jìn)行計(jì)算,即完成了方位伽馬的測量過程。

        圖1 上、下伽馬判定示意

        2 方位伽馬測井儀的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

        一套完整的隨鉆方位伽馬測井儀由井下儀器、地面系統(tǒng)和工具軟件三部分組成。下面對各部分進(jìn)行具體介紹。

        2.1 井下儀器

        井下儀器是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集、初步處理、編碼和回傳等環(huán)節(jié)的硬件結(jié)構(gòu)。通常由脈沖器、發(fā)電機(jī)、整流器、定向探管、方位伽馬探管等部分組成。有的儀器沒有發(fā)電機(jī)和整流器,而采用電池供電[5]。除了方位伽馬探管,其他部分可以組成常規(guī)的MWD儀器。在石油行業(yè)中,脈沖器、發(fā)電機(jī)和整流器屬于通用部件,一般采購專業(yè)公司生產(chǎn)的成品。因此,井下儀器的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容是定向探管和方位伽馬探管。

        定向探管的功能由電源板、傳感器和微處理器板三部分實(shí)現(xiàn)。電源板的功能是將整流器輸出的30 V電源轉(zhuǎn)換為5 V和13 V,分別給傳感器、微處理器板以及方位伽馬探管供電[6-7]。微處理器的功能包括采集傳感器原始數(shù)據(jù)、根據(jù)原始數(shù)據(jù)計(jì)算井斜和工具面等數(shù)據(jù)、根據(jù)標(biāo)定值和溫度值修正數(shù)據(jù)、接收方位伽馬探管數(shù)據(jù)、存儲定向探管和方位伽馬探管數(shù)據(jù)、將需要回傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并驅(qū)動脈沖器動作等。

        方位伽馬探管主要包括晶體和微處理器板兩部分,姿態(tài)傳感器已集成在微處理器板上。微處理器板負(fù)責(zé)方位伽馬、粘滑系數(shù)、動態(tài)井斜等參數(shù)計(jì)算,其PCB圖如圖2所示。考慮到測井儀未來會在四川頁巖氣區(qū)域使用,在設(shè)計(jì)上執(zhí)行175℃標(biāo)準(zhǔn),能夠在300 r/min轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)方位伽馬測量。方位伽馬探管最高可實(shí)現(xiàn)16扇區(qū)成像,受鉆井液脈沖傳輸速率限制,可選2扇區(qū)、4扇區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時上傳。裝配完成的微處理器板短節(jié)如圖3所示。

        圖2 方位伽馬探管微處理器板PCB圖

        圖3 方位伽馬探管微處理器板短節(jié)

        2.2 地面系統(tǒng)

        地面系統(tǒng)包括壓力傳感器、絞車傳感器、鉤載傳感器、司鉆顯示器、地面解碼箱及配套線纜等。司鉆顯示器采用防爆防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),適用于野外惡劣環(huán)境。為了確保在井場電壓不穩(wěn)的情況下能夠正常工作,除了在使用時建議配備UPS電源外,在設(shè)計(jì)上也增加了防電氣浪涌保護(hù)功能。司鉆顯示器內(nèi)部運(yùn)行WINCE系統(tǒng),界面簡潔美觀,顯示效果如圖4所示。

        圖4 司鉆顯示器的顯示效果

        地面解碼箱主要功能是通信、給外圍傳感器供電、采集傳感器信號、獲取儀器數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)濾波等,采用FPGA實(shí)現(xiàn)。箱體外部留有各種傳感器輸入和通信接口。地面解碼箱有工作和測試兩種使用模式。工作模式是指儀器在井下工作,數(shù)據(jù)通過鉆井液脈沖信號傳回,信號被傳感器采集后經(jīng)隔離柵由FPGA進(jìn)行濾波處理,處理過的數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給工具軟件,由工具軟件進(jìn)行解碼,并通過地面解碼箱傳送至司鉆顯示器。測試模式對應(yīng)的是儀器在車間內(nèi)進(jìn)行的各種數(shù)據(jù)交換操作,數(shù)據(jù)通過QBUS總線從儀器傳給地面解碼箱,再經(jīng)串口發(fā)送給工具軟件,此模式不需要解碼,數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換即可直接顯示。地面解碼箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

        圖5 地面解碼箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

        2.3 工具軟件

        工具軟件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收、解碼、處理、顯示和存儲數(shù)據(jù),以及寫入標(biāo)定與配置參數(shù)、繪制曲線與成像等功能,可以劃分為5個功能模塊,如圖6所示。數(shù)據(jù)通信模塊是軟件的基礎(chǔ)功能模塊,通過地面解碼箱和協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)測井儀與工具軟件的數(shù)據(jù)交換,軟件不僅可以接收方位伽馬測井儀的數(shù)據(jù),對測井儀的配置參數(shù)也通過數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行下發(fā);刻度校準(zhǔn)模塊用于在測井儀組裝完成后按照流程對測量結(jié)果進(jìn)行校正,計(jì)算標(biāo)定系數(shù)與刻度系數(shù),確定識讀結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系[8];地面測試模塊將軟件接收的總線協(xié)議格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的測量數(shù)據(jù),計(jì)算后顯示在軟件界面上;解碼計(jì)算模塊通過地面解碼箱接收傳感器信號,對其進(jìn)行解碼和計(jì)算,修正后形成最終的伽馬數(shù)據(jù)并顯示;成像處理模塊將數(shù)據(jù)繪制成曲線和圖像,實(shí)現(xiàn)顯示、出圖或者保存為LAS文件。

        圖6 工具軟件功能模塊劃分

        3 方位伽馬測井儀的刻度校準(zhǔn)

        新的隨鉆方位伽馬測井儀必須經(jīng)過刻度校準(zhǔn)后才能使用,如果是故障儀器則應(yīng)在修理后檢定,若出現(xiàn)異常就需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)。定向探管與方位伽馬探管均需要進(jìn)行校準(zhǔn)操作,這里僅以方位伽馬探管為例進(jìn)行說明??潭刃?zhǔn)實(shí)質(zhì)上是確立地層放射性強(qiáng)度參數(shù)與測井儀輸出計(jì)數(shù)率關(guān)系,也就是確定、測定測井儀的響應(yīng)靈敏度[9]。

        一般情況下隨鉆伽馬刻度校準(zhǔn)采用的是兩點(diǎn)刻度法,可以描述成截距式線性方程y=ax+b。

        當(dāng)測量對象的放射性為0時,測井儀讀數(shù)必然為0,即當(dāng)x=0時有y=0,故b=0,因而刻度方程可以進(jìn)一步簡化為y=ax。

        由此可得:a=y/x。

        按照一級刻度標(biāo)準(zhǔn),y為高放層與低放層之間的差值(API);x為儀器在高放層與低放層之間讀數(shù)的差值(CPS);a為刻度系數(shù)(單位是API/CPS),其物理意義為表示1個自然伽馬讀數(shù)所代表的工程值A(chǔ)PI數(shù)量,刻度系數(shù)代表儀器測量值向地層工程值的轉(zhuǎn)換。

        在本次校準(zhǔn)中,所用放射源提供的高放層與低放層的射線強(qiáng)度差為362±2.5 API,調(diào)整方位伽馬探管測點(diǎn)到放射源的相對位置,在測井儀穩(wěn)定工作后分別采集高放層計(jì)數(shù)值和低放層計(jì)數(shù)值,如表1所示。

        表1 高放層和低放層測量計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)(100 s) CPS

        計(jì)算刻度系數(shù)a的值(未標(biāo)注單位)為:

        將a值保存在軟件中,供地面測試模塊和解碼計(jì)算模塊使用。

        必須指出,上文系指在室內(nèi)研制中利用放射源進(jìn)行刻度校準(zhǔn)的過程,測井儀在工程使用前,還應(yīng)利用刻度井進(jìn)行校準(zhǔn)[10-11],刻度井的常見結(jié)構(gòu)如圖7所示。對于工具軟件來說,使用刻度井進(jìn)行校準(zhǔn)的操作步驟與使用放射源基本相同,這里不再贅述。

        圖7 常見刻度井結(jié)構(gòu)示意

        4 試驗(yàn)情況

        為了檢驗(yàn)隨鉆方位伽馬測井儀的實(shí)際應(yīng)用效果,在完成室內(nèi)研制和標(biāo)定刻度等環(huán)節(jié)后,項(xiàng)目組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和下井試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的目的是檢查測井儀在不同的轉(zhuǎn)速下能否正確測出伽馬源的所在方位,如果測量的偏差較大,則需要對測量算法進(jìn)行修正??梢钥闯觯瑴y井儀正確計(jì)算出了伽馬源的所在方位。除了方位伽馬測量功能外,方位伽馬探管的測斜功能也需要驗(yàn)證,其井斜測點(diǎn)與定向探管井斜測點(diǎn)的距離為1.5 m。項(xiàng)目組在遼河油田雷61區(qū)塊某井開展了現(xiàn)場試驗(yàn)。本次試驗(yàn)井段1 265~1 447 m,入井時間44 h,在試驗(yàn)井段中選取多點(diǎn)進(jìn)行測量。在測深1 282.74 m位置,定向探管與方位伽馬探管的測斜數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)顯示,方位伽馬探管測量的井斜值與定向探管相比,最大偏差為0.027 2°,滿足偏差在±0.1°以內(nèi)的要求。試驗(yàn)期間井下儀器工作正常,各項(xiàng)數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確,整套系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,能夠滿足現(xiàn)場的施工需求。

        圖8 測井儀對伽馬源的方位檢測測試

        表2 方位伽馬探管與定向探管測斜數(shù)據(jù)對比 (°)

        5 結(jié) 論

        隨鉆方位伽馬測井儀的研制,有效解決了自然伽馬測量儀在地層邊界方位判斷上的不足。利用方位伽馬信息,井場工程技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確判斷地層傾斜角度和邊界方位,及時掌握地層特征和油氣藏分布,獲得調(diào)整井眼軌跡的時間,解決地質(zhì)導(dǎo)向入靶及水平軌跡控制難題,實(shí)現(xiàn)實(shí)時地質(zhì)導(dǎo)向,降低鉆井成本。現(xiàn)階段,由于大多數(shù)隨鉆儀器接在螺桿后方,測點(diǎn)距鉆頭仍有10 m以上的距離,測量結(jié)果存在一定的滯后性。建議開展方位伽馬測量前置研究,借助近鉆頭短節(jié)等方式實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)前移,并利用無線短傳技術(shù)向MWD回傳數(shù)據(jù),進(jìn)一步提升地質(zhì)導(dǎo)向的及時性。

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