鉆具轉速對隨鉆伽馬成像測量影響的分析

龐海波，郭福祥，裴 斐

(大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413)

1 隨鉆伽馬成像測量原理

傳統的隨鉆伽馬測量儀是在隨鉆測量工具內安裝自然伽馬傳感器，通過伽馬傳感器內的計數管來獲取其周圍巖層中放射出的γ射線，然后乘以一個API刻度系數后傳輸至地面，進而判斷目標地層的平均自然伽馬值［3］。因測量資料沒有方向性，當測量參數反映出軌跡已經不在目標層時，不能確定鉆頭從油層上界面出層，還是從下界面出層，所以也無法制定重返油層的具體措施。隨鉆伽馬成像測量技術是近年來發展起來的一種新型隨鉆測量技術，要實現八扇區（或十六扇區）的伽馬成像測量，不僅要對儀器進行自然伽馬API單位刻度，還需要對儀器的方位響應進行刻度，這樣才能準確得出不同扇區方位地層的響應貢獻。隨鉆伽馬成像儀器通常將一只或多只自然伽馬傳感器安裝于鉆鋌表面，用來記錄來自其對應地層的自然伽馬射線。井下鉆具旋轉鉆進過程中，利用井下扇區方位測量系統分時、分區累計來自巖層不同方位的自然伽馬射線，經過實體刻度及修正技術得到國際通用的API數據，用于表征對應地層的泥質含量[4]。

2 儀器轉動測量實驗

隨鉆方位伽馬成像儀器具有轉動測量特點，伽馬儀器對井下鉆具轉速敏感特性，當井下鉆具的轉速特別低時，不同扇區自然伽馬采樣數據點較少，導致儀器測量精度偏低，可信度就會很差，當井下鉆具的轉速提高時，每個扇區采集的自然伽馬數據也相應大幅度地提高，這樣，實際測量結果才更加符合實際鉆井施工需要。

2.1 地面模擬鉆具井下轉動測量

為了實現伽馬成像儀器的地面轉動測量實驗，我們使用了鋰電池組供電，并實時存儲各個扇區的測量數據，把隨鉆伽馬成像儀器放置在機械加工機床上，開展模擬轉動測量實驗，模擬伽馬成像儀器的轉速范圍為5～300r/min，轉動測量實驗從上午9時開始，上午11時結束，因地面轉動實驗設備的部分金屬屏蔽作用，導致不同方向的自然伽馬值有很大區別，上方向自然伽馬值偏大，而下方向伽馬值比較小，這樣就可以模擬井下泥巖—砂巖過渡層。

2.2 實驗數據分析

模擬伽馬成像儀器轉動測量實驗能控制不同轉速檔位（見表1），實驗過程中，可分為不同轉速檔位條件，并設定每種速度檔位的儀器旋轉測量時間為10min，為了處理測量數據方便，我們繪制了8個扇區的自然伽馬測量曲線，通過對這8條動態測井曲線的分析，得出鉆具轉速對隨鉆方位伽馬成像測量的影響。

表1 實驗臺轉速檔位表

8條曲線對應8個扇區的自然伽馬值，對應關系如圖1所示。

圖1 扇區分布

第一扇區和第八扇區的測量數據可描述儀器上端地層自然伽馬值，第二、三扇區數據可描述儀器的右端，第四、五扇區數據可描述儀器的下端，第六、七扇區數據可描述儀器的左端。

圖2 八扇區自然伽馬曲線

分析了8個扇區的自然伽馬曲線（如圖2），我們發現如下結果：在實驗時間段9：00～9：50，方位伽馬成像儀器的轉速范圍為5～35r/min，伽馬傳感器這時在各扇區采集的數據點少，8條自然伽馬曲線測量值接近，這樣的測量結果無法區分不同扇區；在實驗時間段9：50～10：30，儀器轉速在45～110r/min之間，隨著儀器轉速逐漸增加，每個扇區采樣數據點數相應提高，8條自然伽馬曲線也逐漸拉開，可以明顯分辨出不同扇區伽馬測量值，符合儀器上方向測量值大、下方向測量值小的實際情況；當實驗時間超過10：30時，各條自然伽馬測量曲線趨于穩定，說明了方位伽馬成像儀器轉速超過110r/min后，儀器轉速已不是影響各扇區自然伽馬值測量的主要因素，可以忽略轉速引起的測量誤差。

2.3 伽馬成像分析

測量數據生成方位伽馬圖象過程：在預設30s時間內，2只自然伽馬晶體傳感器掃描8個扇區，記錄各扇區的自然伽馬脈沖，并把每個深度點上所測量的8組數據作為一個數據區間，因實際測量的數據點少，要生成沿井周360°的連續測井圖像效果，必須要進行插值才能實現，我們采用插值方法為3次樣條函數插值[5]，這種插值方法保證了插值結果包含所測量的方位伽馬真值，并且數據區間上一階導數平滑和二階導數連續，從而使得每個深度點上的測量數據都具有8扇區方位伽馬分布，方位伽馬數據較好的相關性，且插值結果光滑。插值處理將伽馬儀器測量的不同方位自然伽馬數據展開為沿井周的連續變化圖像，能直觀顯示地層界面8個方位的巖性變化趨勢。通過后續計算機圖像學的進一步處理，還可以提高隨鉆方位伽馬測井圖像解釋結果的精度，這樣就能滿足不同地層地質分析的要求［6-7］。

圖3 數據成像分析

圖3 縱坐標為時間數據，對應了方位伽馬成像儀器的轉速變化，00：00時刻的儀器轉速為5r/min，01：39時刻對應的儀器轉速為300r/min；橫坐標表示8個測量扇區，通過特定插值處理，實現扇區圖像的連續變化。伽馬成像結果顯示：轉速對伽馬成像儀器影響較大，轉速較低時，因方位伽馬儀器的采樣數據點少，圖像質量不佳，不同扇區間圖像連續性較差，不能反映儀器轉動測量實驗的實際情況，當儀器轉速區間為60～300r/min時，扇區成像結果趨于穩定，真實反映了伽馬儀器周圍的自然伽馬值變化趨勢。為保證隨鉆方位伽馬測井的成像質量達到最佳，在鉆具進入目標層段時，需要調整井下鉆具轉速在一個合理的區間內。

3 結論

（1）井下鉆具轉速是影響隨鉆方位伽馬成像質量的關鍵因素之一，本文研究了鉆具轉速對其影響，并給出了井下鉆具的合理轉速區間，對隨鉆方位伽馬成像儀器的現場施工有重要指導意義。

（2）精確方位伽馬成像資料更能真實反映地層不同方位巖性的變化，依此判斷鉆具進出儲層的詳細情況，可大幅提高砂巖鉆遇率，為大慶油田致密油勘探開發提供了一種低成本、精細化的地質導向技術。