鄭奕挺，宋紅喜*

(1.中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101; 2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

中外油氣勘探開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入后期，新探明儲(chǔ)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(fù)雜的油藏地質(zhì)結(jié)構(gòu)使得勘探開發(fā)難度大大增加，對(duì)鉆井技術(shù)的要求也越來越苛刻[1]。自然伽馬是隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向所必測的項(xiàng)目，它可以顯示即時(shí)的巖性信息，指導(dǎo)鉆頭順利地鉆穿薄油氣層和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造儲(chǔ)層，保證鉆頭能夠安全有效地在目的層中鉆進(jìn)。目前中國正在進(jìn)行隨鉆方位伽馬成像儀器的研制，所以對(duì)隨鉆伽馬的響應(yīng)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(diǎn)所在[2-3]。

張鵬云等[1]提出隨鉆方位伽馬成像測井技術(shù)，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(biāo)等。何貴松等[2]在使用了水平段“兩段式”地質(zhì)導(dǎo)向方法，使得甜點(diǎn)段遇鉆率高達(dá)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(xiàn)[3-4]提出使用近鉆頭伽馬高精度實(shí)時(shí)成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鉆頭在儲(chǔ)層內(nèi)精確控制，提高優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)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(duì)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(quán)重來綜合利用伽馬和中子、密度曲線反映儲(chǔ)層泥質(zhì)準(zhǔn)確含量的一種計(jì)算方法。

國外隨鉆伽馬測井已經(jīng)取得長足進(jìn)步，技術(shù)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(wù)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(tái)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(píng)價(jià)、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(shí)現(xiàn)近鉆頭測量地層自然放射性，測量時(shí)利用4個(gè)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(duì)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(yīng)的對(duì)比圖且給予了相應(yīng)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)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(guān)，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(jìn)入探頭后，與晶體發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)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?hào)[7]，一般的隨鉆測量儀器是通過將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為泥漿脈沖信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)?，傳輸?shù)降孛婺酀{脈沖信號(hào)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(qiáng)度值。

在鉆頭鉆進(jìn)的同時(shí)，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(qiáng)度被探測器接收后轉(zhuǎn)為電信號(hào)數(shù)據(jù)，一部分伽馬強(qiáng)度數(shù)據(jù)即時(shí)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(dǎo)鉆頭在目的層中鉆進(jìn)，從而提供即時(shí)的地質(zhì)導(dǎo)向服務(wù)；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(jì)算相對(duì)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(jì)算傾角的原理

隨鉆地質(zhì)導(dǎo)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(qiáng)度值，對(duì)測量的伽馬強(qiáng)度值進(jìn)行成像，再通過成像信息來估計(jì)井眼相對(duì)傾角的變化趨勢，從而調(diào)整鉆頭方向以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)導(dǎo)向[9]，如圖2所示。

圖2 傾斜地層與伽馬成像對(duì)比圖

利用成像計(jì)算相對(duì)傾角的公式為

(1)

式(1)中：α為井眼相對(duì)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(duì)比以下4種因素對(duì)成像系統(tǒng)的影響，采用圖3的計(jì)算模型，模擬不同井眼環(huán)境和地層參數(shù)下的成像響應(yīng)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(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，地層傾伏方向?yàn)閤軸方向，θ為儀器與地層之間的傾角。

圖3 傾斜地層模型

2.1 相對(duì)傾角成像

如圖4所示，不同相對(duì)傾角下的成像響應(yīng)特征差別明顯。當(dāng)相對(duì)傾角較小(≤45°)時(shí)，伽馬成像的放射性強(qiáng)度隨相對(duì)傾角的增大而明顯增強(qiáng)，當(dāng)相對(duì)傾角較大(>45°)時(shí)，伽馬成像的放射性強(qiáng)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(duì)傾角接近45°時(shí)接收的伽馬計(jì)數(shù)率最大。

圖4 不同地層傾角與成像響應(yīng)對(duì)比圖

圖5為不同相對(duì)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(duì)傾角的增大而急劇增大，兩者近似呈指數(shù)關(guān)系。圖6為利用公式求取的不同相對(duì)傾角下的成像深度DI，相對(duì)傾角對(duì)成像深度DI影響腳小。

圖5 伽馬成像正弦曲線高度與相對(duì)傾角對(duì)比圖

圖6 伽馬成像深度與相對(duì)傾角對(duì)比圖

2.2 地層密度成像

2.2.1 上下層密度相同時(shí)的成像響應(yīng)

如圖7所示，不同地層密度下的相對(duì)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(qiáng)度隨地層密度的增大而減小。

圖7 地層密度與成像響應(yīng)對(duì)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(duì)比圖

2.2.2 上下層密度不同時(shí)的成像響應(yīng)

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(qiáng)度僅與高放射性地層密度有關(guān)，高密度高放射性地層的伽馬成像強(qiáng)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(yīng)對(duì)比圖

表1為上下層密度不同時(shí)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(guān)，當(dāng)上下層平均密度相等時(shí)，上下層密度的變化對(duì)H和DI的影響較小。

表1 上下層密度不同時(shí)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(duì)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(qiáng)度明顯降低。

圖10 井眼尺寸與成像響應(yīng)對(duì)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(duì)比

2.4 泥漿密度成像

圖11為模擬得到的其他條件相同時(shí)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(qiáng)度明顯降低。

圖11 泥漿密度與成像響應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)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(shí)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(jī)構(gòu)，傳輸機(jī)構(gòu)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(gòu)框圖，近鉆頭短節(jié)采集與上短接進(jìn)行通訊，再利用MWD技術(shù)，把采集回的數(shù)據(jù)傳輸給地面。

圖12 總體結(jié)構(gòu)框圖

近鉆頭短節(jié)電路總體結(jié)構(gòu)如圖13所示，包括4塊電路板和5個(gè)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(gòu)

系統(tǒng)按功能劃分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括伽馬成像探測、動(dòng)態(tài)井斜測量、無線傳輸、電源管理、MWD接口、機(jī)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(hù)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(duì)地層圓周的不同扇區(qū)分別進(jìn)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(qiáng)度；②兩個(gè)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(gòu)圖

(2)計(jì)算地層扇區(qū)累積測量時(shí)間。①將360°平均劃分為n個(gè)扇區(qū)(如n=4、8、16或32)，對(duì)應(yīng)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(gè)圓劃分為16個(gè)扇區(qū)，Sn代表一個(gè)扇區(qū)；②采用兩個(gè)磁傳感器實(shí)時(shí)測量鉆具旋轉(zhuǎn)角度θ，并用時(shí)鐘實(shí)時(shí)獲得時(shí)間t；③每旋轉(zhuǎn)一周，當(dāng)θ=扇區(qū)界面角度時(shí)，記錄此時(shí)的時(shí)間：t0，t1，…，tn，計(jì)算每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的測量時(shí)間：t1-t0，t2-t1，…，tn-tn-1；④在總的測量時(shí)間內(nèi)，累加旋轉(zhuǎn)過程中記錄的每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的測量時(shí)間：T1，T2，…，Tn，即地層扇區(qū)的累積測量時(shí)間。

圖15 扇區(qū)、時(shí)間、伽馬計(jì)數(shù)示意圖

(3)判別伽馬測量脈沖對(duì)應(yīng)的扇區(qū)。①n個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的伽馬計(jì)數(shù)值歸零；②當(dāng)采集到一個(gè)伽馬脈沖時(shí)，記錄此時(shí)的測量鉆具旋轉(zhuǎn)角度θt，判別θt對(duì)應(yīng)的扇區(qū)nt，此時(shí)將nt扇區(qū)對(duì)應(yīng)的伽馬計(jì)數(shù)值Cnt+1；③當(dāng)測量時(shí)間結(jié)束時(shí)，累計(jì)得到伽馬計(jì)數(shù)序列為：C1，C2，…，Cn。

(4)計(jì)算扇區(qū)對(duì)應(yīng)的伽馬測量值。扇區(qū)對(duì)應(yīng)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(shè)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(dǎo)向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[13],如圖16所示。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸鏈包括4個(gè)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(jī)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(dǎo)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(hào)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(hào)，所以對(duì)這些脈沖信號(hào)的檢測要盡可能滿足不失真。但是由于放射性統(tǒng)計(jì)漲落，導(dǎo)致伽馬光子出現(xiàn)是一個(gè)隨機(jī)狀態(tài)，并不具有一定頻率。在某些極端情況下，兩個(gè)伽馬光子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的間隔要小于10 μs，這就無可避免地造成了脈沖信號(hào)的混疊，導(dǎo)致采樣得到的計(jì)數(shù)率存在誤差。對(duì)于這種誤差，在成像數(shù)據(jù)生成時(shí)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)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?yàn)椴蓸踊蛱幚碓斐傻恼`差，在可能的范圍內(nèi)使得地層放射性導(dǎo)致的伽馬脈沖不丟失[13]。這就要求對(duì)伽馬脈沖處理的速度盡可能快，以減少每一個(gè)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(rèn)為伽馬脈沖處理時(shí)間為伽馬峰值持續(xù)時(shí)間的1%，即0.1 μs時(shí)，處理時(shí)間對(duì)伽馬脈沖周期的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)。這就要求處理伽馬脈沖的實(shí)際頻率要在10 MHz以上。所以選擇的主控芯片的實(shí)際處理速度必須要高于10 MHz。由于在采集伽馬值的同時(shí)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€(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度。

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

使用研制的近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)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(jìn)行測試，完成了井下通訊及測量。工作過程中，整個(gè)系統(tǒng)共入井兩次，信號(hào)傳輸可靠，工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)伽馬成像、井斜、轉(zhuǎn)速、溫度采集準(zhǔn)確，采集、存儲(chǔ)、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(jī)的全功能驗(yàn)證，為近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)工程化應(yīng)用和市場推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(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(duì)上下短節(jié)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，整個(gè)系統(tǒng)通訊常，數(shù)據(jù)采集正常，完成地層適應(yīng)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(duì)比趨勢基本一致，如圖17所示。

圖17 伽馬曲線對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1)深入分析了4種不同的因素對(duì)伽馬成像影響，給出了相應(yīng)的對(duì)比圖，通過對(duì)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(dòng)態(tài)井斜測量方法，攻克了無線短傳技術(shù)和天線耐磨抗壓抗振封裝技術(shù)，設(shè)計(jì)高振動(dòng)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，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(yàn)，包括4口井循環(huán)劃眼測試和3口井實(shí)鉆測試，通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)和解決問題。在唐1-斜22獲得實(shí)鉆成功，實(shí)鉆進(jìn)尺1 200 m，工作時(shí)間96 h，整體儀器運(yùn)行良好，這些實(shí)驗(yàn)為后續(xù)改進(jìn)該儀器設(shè)備提供了可能。

(4)近鉆頭伽馬成像測井技術(shù)在國際上屬于前沿領(lǐng)域，也是該領(lǐng)域的高端設(shè)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(lǐng)域的專業(yè)優(yōu)勢，進(jìn)行近鉆頭伽馬成像系統(tǒng)井場快速應(yīng)用推廣，具有很好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益及廣闊的應(yīng)用前景。項(xiàng)目研究成果形成了中國石化的核心技術(shù)，打破國外技術(shù)壟斷，具有良好的效益。