王重云

（中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井技術(shù)服務(wù)公司, 遼寧盤(pán)錦 124010）

近年來(lái), 隨著頁(yè)巖氣和煤層氣開(kāi)采需求的提升, 常規(guī)LWD和MWD所具備的自然伽馬測(cè)量由于只能提供一條曲線難以判斷儲(chǔ)層邊界, 已經(jīng)無(wú)法滿足施工要求。方位伽馬測(cè)井儀能夠在儀器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中測(cè)量井眼圓周方向的地層伽馬值, 按照當(dāng)前探測(cè)方向的工具面角度, 將井眼圓周分為多個(gè)扇形區(qū)域（通常為8或16扇區(qū)）進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄, 提供地層結(jié)構(gòu)信息, 用于判定頁(yè)巖儲(chǔ)層的有機(jī)物質(zhì)豐富度和粘土含量, 識(shí)別煤層氣的頂板和底板位置, 在非常規(guī)油層定位與評(píng)估和煤層氣開(kāi)發(fā)方面有著較高的應(yīng)用價(jià)值。因此, 研發(fā)隨鉆方位伽馬測(cè)井儀對(duì)于提升公司儀器裝備水品和開(kāi)發(fā)外部市場(chǎng)具有重要意義。鑒于此, 2020年長(zhǎng)城鉆探公司立項(xiàng)開(kāi)展隨鉆方位伽馬技術(shù)研究, 基于GW-LWD隨鉆測(cè)井系統(tǒng)平臺(tái)研制出一套隨鉆方位伽馬測(cè)井儀及配套數(shù)據(jù)處理軟件, 實(shí)現(xiàn)了在井下對(duì)井周不同方位的自然伽馬測(cè)量, 并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)泥漿信號(hào)傳回地面, 通過(guò)軟件接收和處理后提供給工程人員用于判斷地層巖性特征以及實(shí)時(shí)調(diào)整井眼軌跡。

1 軟件架構(gòu)

方位伽馬數(shù)據(jù)處理軟件基于Windows操作系統(tǒng)和.NET Framework平臺(tái), 采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā), 數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQL Server Express。按照系統(tǒng)整體設(shè)計(jì), 軟件主要包括四個(gè)功能模塊：數(shù)據(jù)通信模塊、刻度校準(zhǔn)模塊、地面測(cè)試模塊、解碼計(jì)算模塊, 后續(xù)還會(huì)增加成像處理模塊, 如圖1所示。

圖1 軟件基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)通信模塊是軟件的基礎(chǔ)功能, 通過(guò)測(cè)試盒利用CAN總線實(shí)現(xiàn)方位伽馬測(cè)井儀與數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 模塊不僅可以接收方位伽馬測(cè)井儀的數(shù)據(jù), 也可以對(duì)測(cè)井儀下發(fā)控制和配置參數(shù)；刻度校準(zhǔn)模塊用于在測(cè)井儀組裝完成后按照流程對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn), 計(jì)算校準(zhǔn)系數(shù), 確定識(shí)讀結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)的映射關(guān)系[1]；地面測(cè)試模塊將軟件接收的CAN協(xié)議格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立的測(cè)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(guò)地面機(jī)接收泥漿脈沖壓力信號(hào), 對(duì)其進(jìn)行解碼和計(jì)算, 利用校準(zhǔn)系數(shù)修正后形成最終結(jié)果并顯示。

2 功能模塊開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)通信模塊

方位伽馬測(cè)井儀采集到測(cè)量數(shù)據(jù)后將通過(guò)CAN總線傳輸。測(cè)試盒的核心部件是CAN總線適配器, 將測(cè)試盒兩端分別與測(cè)井儀和計(jì)算機(jī)連接, 即可在數(shù)據(jù)通信模塊的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)測(cè)井儀的識(shí)別、配置、校準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)入p向通信。數(shù)據(jù)通信模塊對(duì)CAN總線適配器的控制通過(guò)組合調(diào)用適配器的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn), 開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要調(diào)用的接口函數(shù)如表1所示。圖2是數(shù)據(jù)處理軟件的主界面。

表1 數(shù)據(jù)通信模塊調(diào)用的接口函數(shù)

圖2 數(shù)據(jù)處理軟件的主界面

2.2 刻度校準(zhǔn)模塊

新的隨鉆方位伽馬測(cè)井儀必須經(jīng)過(guò)刻度校準(zhǔn)后才能使用, 如果是經(jīng)過(guò)修理的故障儀器則應(yīng)在修理后檢定, 若出現(xiàn)異常就需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)?？潭刃?zhǔn)實(shí)質(zhì)上是確立地層放射性強(qiáng)度參數(shù)與測(cè)井儀輸出計(jì)數(shù)率關(guān)系, 也就是確定測(cè)定測(cè)井儀的響應(yīng)靈敏度[2]。下面以總伽馬為例將刻度校準(zhǔn)模塊的工作原理, 即校準(zhǔn)過(guò)程概述如下。

一般情況下隨鉆伽馬刻度校準(zhǔn)采用的是兩點(diǎn)刻度法, 其刻度方程可以描述成截距式線性方程：

當(dāng)測(cè)量對(duì)象的放射性為0時(shí), 測(cè)井儀讀數(shù)必然為0, 即當(dāng)x=0時(shí)有y=0, 故b=0, 因而刻度方程可以簡(jiǎn)化為：

按照一級(jí)刻度標(biāo)準(zhǔn),y為高放層與低放層之間的差值, 單位為API,x為儀器在高放層與低放層時(shí)讀數(shù)的差值, 單位為CPS,a為刻度系數(shù), 其單位是API/CPS, 物理意義表示1個(gè)自然伽馬讀數(shù)代表的工程值A(chǔ)PI數(shù)量[3]。刻度系數(shù)代表儀器測(cè)量值向地層工程值的轉(zhuǎn)換。

方位伽馬測(cè)井儀的校準(zhǔn)過(guò)程如圖3所示, 在本次校準(zhǔn)中, 使用的放射源提供的高放層與低放層的射線強(qiáng)度差為362±2.5API, 調(diào)整方位伽馬測(cè)井儀測(cè)量點(diǎn)到放射源的相對(duì)位置, 在測(cè)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2所示。

表2 高放層和低放層測(cè)量點(diǎn)記錄統(tǒng)計(jì)（100s）

圖3 方位伽馬測(cè)井儀校準(zhǔn)過(guò)程

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(cè)試模塊和解碼計(jì)算模塊使用。

必須指出, 前述為在室內(nèi)試驗(yàn)中利用放射源進(jìn)行刻度校準(zhǔn)的過(guò)程。測(cè)井儀在工程使用前, 應(yīng)利用刻度井進(jìn)行校準(zhǔn)[4-5], 刻度井的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。對(duì)于數(shù)據(jù)處理軟件來(lái)說(shuō), 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4 常見(jiàn)刻度井結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 地面測(cè)試模塊

方位伽馬測(cè)井儀不僅能夠測(cè)量伽馬數(shù)據(jù), 也能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)井斜、溫度和轉(zhuǎn)速等。在完成采集后, 這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)兩種形式被使用。一種是儀器在地面測(cè)試時(shí), 數(shù)據(jù)以CAN協(xié)議格式進(jìn)入總線, 經(jīng)過(guò)測(cè)試盒被計(jì)算機(jī)獲得, 由地面測(cè)試模塊解析成數(shù)據(jù)；另一種是儀器在井下時(shí), 數(shù)據(jù)由定向探管編碼為脈沖信號(hào), 通過(guò)泥漿脈沖傳回地面, 經(jīng)地面機(jī)被計(jì)算機(jī)獲得, 由解碼計(jì)算模塊解析成數(shù)據(jù)。兩種形式得到的數(shù)據(jù)最終都要經(jīng)歷計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)過(guò)程。

地面測(cè)試模塊得到的數(shù)據(jù)是多個(gè)CAN幀的拼接, 格式為十六進(jìn)制字符串, 長(zhǎng)度為100個(gè)字節(jié), 如“1E 13 60 00 87 40 13 F4 36 BF 13 F4 36 BF 90 91 33 3F 90 91 33 3F 27 4B BE 3A A8 F8 09 3E EC FA FE BE EE 79 40 3D EE 79 40 3D 4B F1 C8 41 B7 4E D4 3B AB 08 8C 43 78 D5 B3 42 78 D5 B3 42 87 3B 9D 43 63 B9 27 43 BB DF 6C 42 D8 9E 04 3F 37 2D 80 3F 00 00 80 3F 00 00 80 3F 00 00 80 3F 00 00 80 3F DC 60”。方位伽馬測(cè)井儀的數(shù)據(jù)格式如圖5所示, 但這些數(shù)據(jù)并非都是原始測(cè)量數(shù)據(jù)。地面測(cè)試模塊將通過(guò)如下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)解析：

圖5 方位伽馬測(cè)井儀的數(shù)據(jù)格式

（1）該組數(shù)據(jù)的前6個(gè)字節(jié)表示儀器指令, “1E 13”表示數(shù)據(jù)來(lái)自方位伽馬測(cè)井儀, “60 00”表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度校驗(yàn), “87 40”為報(bào)頭, 表示數(shù)據(jù)來(lái)自儀器上傳, 這6個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容是固定的, 合稱為命令頭數(shù)據(jù), 不作為數(shù)值計(jì)算。

（2）最后2個(gè)字節(jié)表示校驗(yàn)結(jié)果, 對(duì)去掉前6個(gè)和后2個(gè)數(shù)剩下的92個(gè)字節(jié)進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn), 如果得到的結(jié)果與最后2個(gè)字節(jié)數(shù)一致, 表明數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤, 可以進(jìn)行下一步計(jì)算, 否則丟棄該組數(shù)據(jù)。

（3）對(duì)92個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)按每4個(gè)字節(jié)為一組進(jìn)行分組, 得到長(zhǎng)度為92/4=23的字節(jié)數(shù)組。這里指出, 為滿足數(shù)據(jù)傳輸需要和便于后續(xù)擴(kuò)展, 定義數(shù)據(jù)格式時(shí)預(yù)留了23個(gè)數(shù)據(jù)的位置, 但并未全部使用, 目前使用了13個(gè)數(shù)據(jù)。

（4）遍歷該數(shù)組, 將每組長(zhǎng)度為4的字節(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類(lèi)型, 得到長(zhǎng)度為23的浮點(diǎn)類(lèi)型數(shù)組。

（5）按照方位伽馬測(cè)井儀芯片固件生成數(shù)據(jù)的順序, 從該數(shù)組的對(duì)應(yīng)位置獲取所需的數(shù)據(jù)。

（6）對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償和校準(zhǔn)計(jì)算, 得到的結(jié)果將顯示在軟件界面上, 并存儲(chǔ)到軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中。

至此, 地面測(cè)試模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算。除此之外, 方位伽馬測(cè)井儀的數(shù)據(jù)回傳間隔和解碼時(shí)的回傳數(shù)據(jù)項(xiàng)也在地面測(cè)試模塊中進(jìn)行配置。

2.4 解碼計(jì)算模塊

立管傳感器采集到壓力信號(hào)后傳給地面機(jī), 通過(guò)相連的計(jì)算機(jī)交由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行解碼。目前, 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)了13個(gè)參數(shù), 用于接收和調(diào)用方位伽馬測(cè)井儀的回傳數(shù)據(jù), 如表3所示。

表3 解碼計(jì)算模塊使用泥漿脈沖參數(shù)表

解碼得到的是整型原始值, 要得到測(cè)量值還需要進(jìn)一步計(jì)算。令測(cè)量值用M表示, 原始值用R表示,L表示參數(shù)低值,H表示參數(shù)高值,S表示參數(shù)范圍, 則有：

對(duì)于一般的參數(shù),M即為最終計(jì)算結(jié)果。而有些特殊參數(shù), 受傳感器提供的數(shù)值范圍不同和主控?cái)?shù)據(jù)傳送方式等因素影響, 需要進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算[6], 才能得到最終的計(jì)算結(jié)果。

3 軟件測(cè)試與應(yīng)用

隨鉆方位伽馬測(cè)井儀數(shù)據(jù)處理軟件的第一個(gè)版本已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成, 正在配合工程樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)改進(jìn)。軟件的各模塊工作正常, 在旋轉(zhuǎn)測(cè)量狀態(tài)下, 軟件能夠識(shí)別伽馬源所在方位并顯示在解碼計(jì)算模塊界面上, 如圖6所示。2020年7月, 方位伽馬測(cè)井儀工程樣機(jī)在遼河油田雷61區(qū)塊首次下井試驗(yàn), 試驗(yàn)期間儀器工作正常, 軟件能夠采集數(shù)據(jù)并正確解碼和顯示, 展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。目前, 工程樣機(jī)正在進(jìn)行耐高溫測(cè)試和改進(jìn)升級(jí), 數(shù)據(jù)處理軟件也將隨之進(jìn)一步優(yōu)化完善, 爭(zhēng)取早日完成后續(xù)試驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定型。

圖6 解碼計(jì)算模塊對(duì)伽馬源的識(shí)別和數(shù)據(jù)顯示

4 結(jié)論

隨鉆方位伽馬測(cè)井儀數(shù)據(jù)處理軟件能夠快速接收、處理和解析測(cè)井儀的測(cè)量數(shù)據(jù), 具備較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。利用方位伽馬地層方向測(cè)量信息, 工程技術(shù)人員能夠準(zhǔn)確地判斷地層傾斜角度和邊界方位, 及時(shí)掌握了解地層特征和油氣藏分布, 獲得調(diào)整井眼軌跡的時(shí)間, 解決地質(zhì)導(dǎo)向入靶及水平軌跡控制難題[7], 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向, 降低鉆井成本。