隨鉆多扇區(qū)方位伽馬的實現(xiàn)及應用

魯超　張玉　蘇瑞

摘 要：隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測量技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型隨鉆測量技術(shù)，通過獨特的數(shù)據(jù)處理技術(shù)在鉆具連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中分扇區(qū)測量對應地層自然伽馬數(shù)據(jù)，用以判斷所鉆軌跡處于儲層內(nèi)的相對位置、進出儲層情況等，能有效的實現(xiàn)在隨鉆過程中及時指導鉆頭沿最佳軌跡鉆進。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)導向;隨鉆工具;多扇區(qū);方位伽馬;動態(tài)測量

1引言

傳統(tǒng)的水平井地質(zhì)導向技術(shù)是在隨鉆測量工具內(nèi)安裝自然伽馬傳感器，通過伽馬傳感器內(nèi)的計數(shù)管來獲取其周圍巖層中放射出的γ射線的能級寬度，然后采用API 刻度傳輸至地面，判斷地層的平均伽馬。由于該技術(shù)沒有方位信息，雖然其能較好地指示鉆頭是否在儲層中行進，但當鉆頭出儲層后卻無法及時指明如何重返其中，即不具有捕捉方位信息的能力，因此不能實時、有效地獲取地層層位信息。方位伽馬測量技術(shù)是通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)的革新，對現(xiàn)有的平均伽馬探測技術(shù)進行改造，使其可對指定區(qū)域地層進行測量及明確邊界，拾取地層傾角，確定地層厚度，尤其適合地質(zhì)條件復雜多變且儲層厚度分布不均的儲層氣田開采領(lǐng)域。

2 隨鉆多扇區(qū)方位測量儀的實現(xiàn)原理及方法

通常情況下，鉆探定向井、水平井過程中需要實時的獲取井下鉆具相對于某一參考點的相對位置，也即一定的偏移角，在工程上稱為工具面或工具面角。工具面角在直井中通常以磁北為參考點，工程上稱這種以磁北為參考點的工具面為磁工具面MTF（Magnetic Tool Face）。在定向井、水平井的井斜大于一定角度后，工具面通常是以重力方向作為參考點，工程上稱為重力工具面GTF（Gravity Tool Face）。重力工具面GTF是基于測量物體的當?shù)刂亓龆贸龅模缰亓隹梢源怪庇阢@具軸向。測量重力場通常利用加速度計測量的。然而在鉆具連續(xù)旋轉(zhuǎn)鉆進中要瞬時地采集計算出重力工具面幾乎是不可能的，因為井下的強振動通常都遠遠大于一個G。如何通過消除這種因鉆具旋轉(zhuǎn)對重力測量形成的干擾是實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)中測量的關(guān)鍵。國內(nèi)學者通過濾波，校驗的方法，在動態(tài)測量技術(shù)方面取得了不少成果。本文提供了一種全新的動態(tài)工具面測量的方法，一種基于磁測量的動態(tài)工具面高效準確的測量方法，可用于在任意時刻計算工程所常用的重力工具面。

在經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，各種井場中，重力工具面與磁工具面，當?shù)卮艃A角、井斜角和方位角具有一定的函數(shù)關(guān)系。且在空間內(nèi)可以經(jīng)過向量轉(zhuǎn)化的計算，實時可將磁向量經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)到工具軸線的重力向量。從而利用常規(guī)計算重力的給類計算公式計算我們熟悉的重力工具面GTF。設磁傾角為DIP，井斜角INC，方位角AZI，重力工具面角為GTF，磁工具面角為MTF，重力和為G，磁場為B。則其函數(shù)關(guān)系可以用下面的等式表示：

GTF=Function（INC，AZI，DIP，MTF）（1）

從式（1）可知，重力工具面是井斜角INC、方位角AZI和磁傾角DIP、磁工具面MTF的函數(shù)，通過該函數(shù)的計算，從原理上規(guī)避了計算重力工具面時受井下振動、旋轉(zhuǎn)所帶來的所有影響。

該方法解決了傳統(tǒng)測量方法無法得到動態(tài)GTF的難題，實現(xiàn)了扇區(qū)方位測量，并可以廣泛應用于井下要求動態(tài)GTF的各類設備中。通過以上敘述和分析，方法從原理上實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)中重力工具面的準確測量，以下介紹方位伽馬及伽馬成像如何實現(xiàn)。方位伽馬儀器主要利用井下扇區(qū)方位測量系統(tǒng)實時得到儀器的旋轉(zhuǎn)工具面，通過實時工具面的位置反饋信號，產(chǎn)生扇區(qū)時序控制信號，將伽馬傳感器測量值分配到劃分好的某一扇區(qū)中。

3 隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測量儀的特點及技術(shù)指標

隨鉆多扇區(qū)方位伽馬測量儀目前有2種形式，集成在鉆井院MRC電磁波電阻率上，組成緊湊型地質(zhì)導向系統(tǒng)。也可以制作成一根 獨立短節(jié)的形式，與其他的系統(tǒng)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)共享。短節(jié)上集成了伽馬測量，井斜以及環(huán)空壓力測量，伽馬測量經(jīng)過標準的API刻度，測量扇區(qū)數(shù)量可以根據(jù)用戶需要設置為傳統(tǒng)平均伽馬，2扇區(qū)、4扇區(qū)或者8扇區(qū)方位伽馬，當然還可以擴展到16扇區(qū)測量。當前通常情況下位8扇區(qū)測量，用于實時成像和數(shù)據(jù)回放成像使用。短節(jié)中的井斜測量采用高溫抗振的封裝型井斜測量模塊，大大提高了測量的可靠性。模塊封裝體積小，功耗小，便于安裝，更加適合嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)與應用。另外，短節(jié)上集成安裝的鉆具內(nèi)外環(huán)空壓力測量，主要用于檢測井下循環(huán)系統(tǒng)的壓力情況，可以實現(xiàn)環(huán)空壓力的實時監(jiān)測。

4 多扇區(qū)方位伽馬測量儀現(xiàn)場應用

方位伽馬測量參數(shù)在水平井中邊界識別原理：如果鉆頭從頂部進層時，下伽馬值首先降低，然后上伽馬值降低;從頂部出層時，上伽馬值首先抬起，然后下伽馬值抬起; 從底部進層時，上伽馬值首先降低，然后下伽馬值降低;從底部出層時，下伽馬值首先抬起，然后上伽馬值抬起; 完全進層或出層后，上、下伽馬值基本一致。依據(jù)這些原理，在水平井施工中就可以避免少出目標層，即使出層也可以及時返回目標層，提高儲層鉆遇率。

方位伽馬在勝利墾*-平2井的應用，設計目的層為Es3-8層，在水平段施工過程中按采油廠要求：穿越Es3-8層和一小夾層進入Es3-8地層并在其中穿行，直至完鉆，鉆遇率接近100%。設計模型隨時更新，指導下一步軌跡走向。下圖是在實鉆過程中的曲線及模型情況。

井深2364m確定鉆出油層，電阻率值降低，上、下伽馬值均顯著增大，且下伽馬值明顯大于上伽馬值，從下邊界出層。調(diào)整軌跡，增加井斜，使軌跡重回儲層中上部，實現(xiàn)了實時地質(zhì)導向。通過多輪次的現(xiàn)場應用，隨鉆方位伽馬，伽馬成像井進一步完善和成熟，性能穩(wěn)定，可靠的自主品牌指日可待。從圖1的實時方位伽馬曲線顯示可以看出，當前所鉆井眼處于靠近儲層下方位置，可能要從下方出層，需要及時增加井斜，是鉆頭重回儲層中上部。

5 結(jié)論及認識

基于動態(tài)方向測量模塊在鉆具旋轉(zhuǎn)時有效克服了傳統(tǒng)基于加速度計測量的所有缺陷，為井下需要動態(tài)方位、扇區(qū)測量的各類儀器提供了準確可靠的方向測量數(shù)據(jù)，并成功應用于勝利鉆井院研制隨鉆方位伽馬測量儀器。基于多扇區(qū)方位伽馬、伽馬成像，多深度電阻率參數(shù)的配合使用，為成功實現(xiàn)隨鉆地質(zhì)導向鉆井提供了又一設備利器。隨鉆方位伽馬測量儀器的成功現(xiàn)場試驗應用，為進一步開發(fā)隨鉆伽馬成像測量儀提供了堅實的基礎，隨著電子技術(shù)及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的完善，隨鉆成像技術(shù)指日可待。

參考文獻：

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基金項目：國家科技重大專項“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測控技術(shù)”（項目編號：2016ZX05021-001）