CGDS近鉆頭地質導向鉆井系統搭載伽馬成像技術

潘興明，張海波，石 倩，王 晨，李明印

(1.中國石油工程技術研究院有限公司 北京石油機械有限公司，北京 102206；2.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

CGDS近鉆頭地質導向鉆井系統是中石油自主研發的具備測量鉆頭電阻率，方位電阻率，方位伽馬等近鉆頭地質參數的地質導向工具，其方位電阻率和方位伽馬傳感器呈圓周180°布置，可以通過擺動工具面實現具有方位性的地層電阻率和伽馬測量[1]。但是，隨著近年來鉆井提速及頁巖氣水平井大規模開發，各大油田對近鉆頭方位伽馬成像技術的需求日益迫切。目前，國外三大油服公司都已掌握該項高端技術且對國內實施技術封鎖，國內目前還未出現成熟的近鉆頭伽馬成像產品規模化應用。

CGDS經歷約10 a的產業化過程，已經完成穩定性、可靠性優化改進，現已具備成本低，續航時間長等優點。為響應油田現場需求，CGDS項目團隊著手立項研發近鉆頭伽馬成像技術。CGDS前期產業化過程中，項目團隊通過優選電路元器件，實現電路系統小型化集成設計，將CGDS原電路系統多塊電路板集成為1塊電路板，從而在短節艙體上釋放了2個倉槽空間，為下一步搭載伽馬成像電路創造了空間。

1 近鉆頭伽馬成像技術國內外研究簡況

1.1 國外近鉆頭伽馬成像儀器

國外各大油服公司在近鉆頭伽馬成像技術方面處于領先水平，他們研發制造的近鉆頭伽馬成像儀器已經實現規模化應用。例如Schlumberger公司的IPzig，Baker Hughes公司的ZoneTrak，Halliburton公司的GABI都是出色的近鉆頭伽馬成像導向儀器。這些儀器的共同優勢在于傳感器距離鉆頭非常近，使得伽馬探測器測量得到的數據相較于鉆頭處真實數據滯后時間大幅減少；在近鉆頭伽馬成像方面，它們可以實現實時傳輸、處理8扇區隨鉆方位伽馬數據，同時支持16扇區隨鉆方位伽馬數據存儲，以備起鉆后讀取成像[2]。

1.2 國內近鉆頭伽馬成像儀器

國內各大石油研究院也相繼研究出了擁有自主知識產權的近鉆頭伽馬隨鉆儀器，有一些帶有初步的方位伽馬測井功能。典型代表有中國石油公司推出的第1代地質導向儀器CGDS-1,以及中國石化勝利研究院于“十二五”期間推出的SL-NBGST地質導向儀器。

表1為國內研發的儀器與國際先進水平的近鉆頭伽馬成像儀器的主要技術指標對比。從表1可以看出，國內近鉆頭方位伽馬儀器在成像精度及耐溫等級上與國外先進儀器存在較大差距，所以研究開發具有自主知識產權的近鉆頭方位伽馬成像儀器，有助于對超薄油藏和非常規油氣儲層等的開發，還對于打破國外技術壟斷具有重大意義。

表1 國內外主要近鉆頭伽馬成像儀器技術指標對比

2 CGDS近鉆頭伽馬成像技術

2.1 儀器結構及功能

傳統的隨鉆伽馬測量儀器所測參數為地層的平均伽馬值，不具備方向性。當測量參數反映出軌跡已經不在儲層時，無法確定鉆頭是“底出”還是“頂出”，因此也無法確定如何調整井眼軌跡使鉆頭返回儲層[3-6]。近幾年興起的新型隨鉆測量技術——隨鉆伽馬成像測量技術通過對儀器的方位響應進行刻度，準確得出每個扇區方位地層的響應貢獻。因此，高轉速方位精確測量及校正技術是研制伽馬成像儀器的關鍵技術之一。

近鉆頭伽馬成像測井儀可以搭載的伽馬探頭數量為1個、2個、4個等，實時測量不同方位的自然伽馬放射性強度。本次搭載伽馬成像技術的CGDS儀器使用1個伽馬探頭實現復合鉆井時的上下伽馬測量，下一步擬計劃安裝2個伽馬探頭實現復合及定向工況下的上下伽馬測量。如果需要，還可以將扇區配置為4、8或16個方位進行測量，起鉆后讀取數據，實現成像。

CGDS所用脈沖器基于正脈沖信號傳輸方式，鑒于傳輸能力有限，本儀器只將扇區中最上方和最下方的伽馬值傳輸到地面。扇區中最上方的伽馬測量值簡稱為“上伽馬”，最下方的伽馬測量值簡稱為“下伽馬”。地質導向工程師根據上、下伽馬值判斷鉆頭在地層中的位置，預測井眼相對傾角的變化趨勢，從而及時調整鉆頭前進方向，實現鉆頭在油藏最佳位置鉆進，提高儲層鉆遇率。

如圖1所示，儀器從頂部進入儲層時，軌跡下方地層伽馬值首先降低，然后軌跡上方地層伽馬值降低；從頂部出層時，軌跡上方地層伽馬值首先升高，然后軌跡下方地層伽馬值升高；從底部進層時，軌跡上方地層伽馬值首先降低，然后軌跡下方地層伽馬值降低；從底部出層時，軌跡下方地層伽馬值首先升高，然后軌跡上方地層伽馬值升高；完全進層或出層后，軌跡上下方地層伽馬值基本一致[3]。

2.2 電路組成

在CGDS原有電路系統中融入上下伽馬測量功能，完成伽馬成像測量電路架構設計，主要包括方位扇區測量電路及伽馬計數模塊測量電路[7-9]。如圖2～3所示。

儀器中安裝的三軸磁阻傳感器和三軸加速度傳感器測得數據計算出儀器重力工具面、方位角和磁工具面等信息，并通過這些信息將儀器軸向界面分成多個測量扇區[10-14]，并將每個扇區中所測量的伽馬數據與其相結合得到帶有“方向性的伽馬數據”。

圖3 伽馬成像方位扇區測量電路模塊

2.3 室內試驗

項目團隊將伽馬成像樣機短節裝夾于車床之上，如圖4，利用其旋轉工件的特點模擬儀器在井下的旋轉工況，在短節上方懸掛類地層核素模擬地層。因為類地層核素位于儀器(伽馬傳感器)正上方，所以當儀器工具面為0°時，測得伽馬值應為最大，工具面為180°時最小。以上2個扇區的伽馬值分別為上伽馬值，下伽馬值。

圖4 伽馬成像樣機室內旋轉試驗

通過車床旋轉樣機，測得54、95、125、170、225、300 r/min 6種不同轉速下的上下伽馬值。試驗數據如圖5所示，表明樣機已經初步具備高轉速下方位精確測量及伽馬成像測量功能。

此外，還對伽馬成像測量單元及方位扇區數據測量融合單元及伽馬傳感器進行抗振動試驗，試驗結果表明方位扇區測量功能在強振動條件下解算出穩定工具面，扇區測量準確可靠。

圖5 伽馬成像樣機室內旋轉試驗數據曲線

3 現場應用

CGDS搭載近鉆頭伽馬成像技術2套樣機先后在吉林油田讓70-4-12井，乾246F平11-5井，伊22-2-3井完成3井次現場應用，其中1#儀器累計試驗時間533 h，循環356 h，純鉆293 h，這表明CGDS電池續航時間已經達到500 h，循環時間超350 h。

表2為儀器現場應用主要數據匯總。

表2 CGDS伽馬成像儀器現場應用情況統計

CGDS現場施工時通過CGMWD正脈沖泥漿傳輸系統將近鉆頭伽馬成像模塊測量的扇區中最上方和最下方的伽馬測量值實時傳輸到地面的地質導向軟件平臺，從而判斷鉆頭在地層中的位置，并及時調整鉆頭鉆進方向，以保證鉆頭在儲層最佳位置中穿行。圖6為CGDS地面軟件輸出的上下伽馬曲線圖。采用隨鉆方位伽馬進行地質導向施工，利用方位伽馬、伽馬成像技術的邊界效應，可以及時發現儲層邊界，從而確定進入儲層的最佳時機，并提高對井眼軌跡的控制能力和儲層鉆遇率，進而更好地指導地質導向鉆井施工。

4 結語

現場應用效果表明伽馬成像技術已經完全融入CGDS近鉆頭地質導向系統，實現了CGDS測量功能的初步升級。通過不斷迭代，優化設計方案，目前CGDS已經具備穩定性高等優勢。下一步擬將圍繞這一成熟的系統方案，繼續升級其核心的測量及傳輸功能，包括實現全工況伽馬成像技術、電阻率成像技術、自適應無線短傳技術、電磁波遙測技術、連續波脈沖傳輸技術、并且完成儀器耐高溫等級提升。

圖6 CGDS實時上傳上、下扇區伽馬數據曲線