隨鉆自然伽瑪測量儀在氣田開發中的應用

馬鴻彥 張斌 孔凡剛 龔大洪 中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司

隨鉆自然伽瑪測量儀在氣田開發中的應用

馬鴻彥 張斌 孔凡剛 龔大洪 中國石油渤海鉆探工程公司定向井分公司

隨鉆自然伽瑪測量儀通常與MWD隨鉆測量儀器結合使用。利用自然伽瑪的探測深度和探頭到鉆頭的距離以及其他相關數據，借助三角幾何關系就可以預測出鉆頭到目的層的距離或地層傾角。自然伽瑪曲線與其他測井曲線相比，能更敏感地反應地層的泥質含量變化。井下存儲的自然伽瑪數據是相對可靠的原始地層數據，不受地面解碼和平滑濾波的影響，可以用來計算地層的泥質含量或進行高頻地層回旋性研究。

隨鉆測井；自然伽瑪；MWD；泥質含量；水平井

1 技術背景

由于隨鉆測井時地層被鉆開之后暴露時間短，受泥漿侵入的影響小，地質資料更能反映地層的真實性，因此其在實時識別地層巖性和油氣層方面優于傳統的電纜測井。但是在氣井開發中對電阻率曲線的參考意義不大，所以用隨鉆自然伽瑪測井曲線和綜合錄井信息就能很好地評價地層。而且根據儀器自身的特點可以提前估算出鉆頭到目的層的距離，水平段調整時鉆頭到目的層邊界的距離以及地層傾角和復合鉆進時鉆頭的傾向，從而縮短鉆井周期，提高目的層鉆遇率，促進井眼軌跡平滑性，減少后期作業的難度，降低鉆井成本。

2 工作原理

在隨鉆測井過程中，當γ射線進入閃爍體（被置于閃爍探測器中）后其原子受到激發，被激發的原子恢復到正常能態時，就會放出光子，出現閃爍現象。入射的伽瑪射線能量越高，閃光的亮度就越大，脈沖幅度也越大。以此來測量巖石總的自然伽瑪射線強度，以研究井剖面地層性質，這也是隨鉆自然伽瑪測井應用的主要目的。

隨鉆自然伽瑪測量儀通常與MWD隨鉆測量儀器結合使用，伽瑪探管一般串接在MWD定向探管之下，工作時伽瑪探測器捕獲γ射線后被轉換成電脈沖信號，經過脈沖整形電路處理后，該信號變成標準脈沖，送入微處理器內的計數器中。微處理器定時采樣伽瑪脈沖的計數值，并計算出每秒計數率，然后存入非易失存儲器中；同時將該測量數據傳輸到MWD隨鉆測量儀器的井下探管中，通過一系列的運算將其轉化為泥漿脈沖信號傳到地面數據庫中；通過地面數據處理系統解算出工具面、井斜、方位和伽瑪值。

3 現場應用

3.1 施工中采取的相關措施

隸屬長慶油田的靖XXX區塊的所有生產井對水平段的設計都超過1000m，這些井在施工過程中都面對相似的施工難度。現已靖38—29H4井為例來說明在全井施工過程中的難度和采取的相關措施：

（1）表層13.5寸的大井眼防碰。該區塊設計井位較多，相鄰井在上直段的防碰距離僅為5m，開鉆之后就需要下入MWD來跟蹤井斜。但是在該段施工中由于排量太大，馬達振動過大，引起地面管線振動，使壓力傳感器接收到雜波信號而不能正確地解碼，從而不能得到井斜數據。

（2）井底溫度過高。儀器在井底能夠測到的循環溫度為105℃的左右，泥漿長期靜止溫度會更高，根據施工經驗，該儀器正常工作的溫度為100℃以下。為了能在高溫下正常工作，下鉆時采用分段制循環泥漿的方式來降低儀器到井底之后基礎溫度。

（3）水平段調整困難。這是所有水平井在后期都面臨的問題，5000m以上的井深、6寸的井眼、3寸的鉆桿，在長達2000m的水平裸眼段中調整一次工具面有時需要1h，而且要考慮托壓、防卡、防垮塌等井底的各種安全因素。國外公司在這方面的突破性研究為旋轉導向。而目前利用自然伽瑪的特性，采取調整鉆壓和復合鉆進的方式來彌補其缺陷并取得了良好的效果。

（4）泥漿體系復雜，伽瑪曲線失真。泥漿是鉆井工程的核心體系，整個體系保持動態平衡，也是制約水平段長度的關鍵所在。隨著井深的增加，井下情況也變得復雜，同時加入的泥漿材料也在增加，最后形成高比重、高黏度、高固相的“三高”體系。該體系除了影響儀器的正常工作之外，最關鍵的是導致隨鉆自然伽瑪曲線的失真，使得現場無法完成伽瑪曲線的定性分析，而只能通過曲線的變化趨勢來判斷地層的變化。例如XXX井水平段的參數為：斜深2915m、垂深2300m、黏度140s、比重1.38g/cm3、固相含量40%，由于MWD+GAMMA無法正常工作，且泥漿體系失衡，更換LWD和泥漿體系之后，復測所得曲線可以看出，伽瑪曲線變化趨勢相同，但是幅值相差20API。

3.2 自然伽瑪特性的應用

（1）利用自然伽瑪的探測深度預測鉆頭到目的層的距離。利用自然伽瑪的探測深度和探頭到鉆頭的距離以及其他相關數據，借助三角幾何關系就可以預測出鉆頭到目的層的距離或地層傾角。在水平段施工過程中當伽瑪曲線的值剛好出現層變趨勢時，就可以提前通過調整鉆壓和復合鉆進的方式控制井斜，以減少定向鉆進時托壓、防卡、防垮塌的風險和調整井斜的時間。

（2）自然伽瑪在現場的實際應用。例如靖38—29H4井，其中工程設計水平段井斜為89.16°，說明地層下傾。地層傾角θ=0.84°、“著陸”點的設計井斜為86.5°，因為地層尚未鉆開，取伽瑪的探測半徑為0.5m，鉆頭到伽瑪探測點的距離為10m，由相關公式即可計算出鉆頭到目的層界面的距離為0.8m。也就是說，當在伽瑪曲線上看到明顯的數值變化（層變效應）時，按照“著陸”點的設計井斜（86.5°），此時鉆頭與目的層的距離為0.8m。如果繼續鉆進0.8m，綜合錄井信息任然沒有標明進入目的層，說明地層傾角θ＞0.84°，即需要鉆進更多的距離才能找到目的層。因為存在1°地層傾角的原因，在穿越目的層時井斜會自然下降，如果工程師知道地層傾角引起的井斜變化，就可以提前通過調整鉆壓和復合鉆進來施工，從而大大減輕了施工難度，減少了卡鉆、垮塌的潛在風險。在水平段施工過程中，井斜角往往被要求控制在1°以內波動，如果通過定向探管測得數據來控制井斜時，鉆頭早已鉆出目的層，因為定向探管的探測盲區遠遠大于伽瑪探管的探測盲區。

3.3 計算儲層泥質含量

自然伽瑪曲線與其他測井曲線相比，能更敏感地反應地層的泥質含量變化。井下存儲的自然伽瑪數據是相對可靠的原始地層數據，不受地面解碼和平滑濾波的影響，可以用來計算地層的泥質含量或進行高頻地層回旋性研究。泥質含量計算公式為

式中ΔVsh為相對泥質含量；Vsh為泥質含量；Vsh.1為測井值；Gmin和Gmax為純砂巖和純泥巖的測井值；Gc為計算泥質含量的經驗系數。

在計算過程中Vsh.1測井值只能通過完井之后的電纜測井獲得；然后通過綜合信息來研究地層，對以后的施工提供參考依據。

4 結語

自然伽瑪隨鉆測井（MWD+伽瑪）是以地層剖面中各種巖層的自然放射性強度為基礎，只提供一條地質參數曲線的測井方法。由于地殼巖層中存在的天然放射性核素在衰變時會發出不同的射線，使巖石有天然的放射性。放射性物質在巖層中含量不同，在自然伽瑪曲線上就有不同的反映，將其特征與綜合錄井信息相結合，可以在現場對地層進行實時評價。

（欄目主持 楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.012