方位伽馬測井儀數據處理軟件設計與實現

王重云

（中國石油集團長城鉆探工程有限公司鉆井技術服務公司, 遼寧盤錦 124010）

近年來, 隨著頁巖氣和煤層氣開采需求的提升, 常規LWD和MWD所具備的自然伽馬測量由于只能提供一條曲線難以判斷儲層邊界, 已經無法滿足施工要求。方位伽馬測井儀能夠在儀器旋轉過程中測量井眼圓周方向的地層伽馬值, 按照當前探測方向的工具面角度, 將井眼圓周分為多個扇形區域（通常為8或16扇區）進行數據記錄, 提供地層結構信息, 用于判定頁巖儲層的有機物質豐富度和粘土含量, 識別煤層氣的頂板和底板位置, 在非常規油層定位與評估和煤層氣開發方面有著較高的應用價值。因此, 研發隨鉆方位伽馬測井儀對于提升公司儀器裝備水品和開發外部市場具有重要意義。鑒于此, 2020年長城鉆探公司立項開展隨鉆方位伽馬技術研究, 基于GW-LWD隨鉆測井系統平臺研制出一套隨鉆方位伽馬測井儀及配套數據處理軟件, 實現了在井下對井周不同方位的自然伽馬測量, 并將測量數據通過泥漿信號傳回地面, 通過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時調整井眼軌跡。

1 軟件架構

方位伽馬數據處理軟件基于Windows操作系統和.NET Framework平臺, 采用C#語言開發, 數據庫采用SQL Server Express。按照系統整體設計, 軟件主要包括四個功能模塊：數據通信模塊、刻度校準模塊、地面測試模塊、解碼計算模塊, 后續還會增加成像處理模塊, 如圖1所示。

圖1 軟件基本架構

數據通信模塊是軟件的基礎功能, 通過測試盒利用CAN總線實現方位伽馬測井儀與數據處理軟件進行數據交換, 模塊不僅可以接收方位伽馬測井儀的數據, 也可以對測井儀下發控制和配置參數；刻度校準模塊用于在測井儀組裝完成后按照流程對測量結果進行校準, 計算校準系數, 確定識讀結果與測量數據的映射關系[1]；地面測試模塊將軟件接收的CAN協議格式數據轉換為獨立的測量數據, 計算后顯示在軟件界面上；解碼計算模塊通過地面機接收泥漿脈沖壓力信號, 對其進行解碼和計算, 利用校準系數修正后形成最終結果并顯示。

2 功能模塊開發

2.1 數據通信模塊

方位伽馬測井儀采集到測量數據后將通過CAN總線傳輸。測試盒的核心部件是CAN總線適配器, 將測試盒兩端分別與測井儀和計算機連接, 即可在數據通信模塊的控制下實現數據處理軟件對測井儀的識別、配置、校準以及數據傳輸等雙向通信。數據通信模塊對CAN總線適配器的控制通過組合調用適配器的接口函數實現, 開發過程中需要調用的接口函數如表1所示。圖2是數據處理軟件的主界面。

表1 數據通信模塊調用的接口函數

圖2 數據處理軟件的主界面

2.2 刻度校準模塊

新的隨鉆方位伽馬測井儀必須經過刻度校準后才能使用, 如果是經過修理的故障儀器則應在修理后檢定, 若出現異常就需要重新進行校準。刻度校準實質上是確立地層放射性強度參數與測井儀輸出計數率關系, 也就是確定測定測井儀的響應靈敏度[2]。下面以總伽馬為例將刻度校準模塊的工作原理, 即校準過程概述如下。

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

當測量對象的放射性為0時, 測井儀讀數必然為0, 即當x=0時有y=0, 故b=0, 因而刻度方程可以簡化為：

按照一級刻度標準,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讀數的差值, 單位為CPS,a為刻度系數, 其單位是API/CPS, 物理意義表示1個自然伽馬讀數代表的工程值API數量[3]。刻度系數代表儀器測量值向地層工程值的轉換。

方位伽馬測井儀的校準過程如圖3所示, 在本次校準中, 使用的放射源提供的高放層與低放層的射線強度差為362±2.5API, 調整方位伽馬測井儀測量點到放射源的相對位置, 在測井儀穩定工作后分別采集高放層計數值和低放層計數值, 如表2所示。

表2 高放層和低放層測量點記錄統計（100s）

圖3 方位伽馬測井儀校準過程

計算刻度系數a的值（未標注單位）為：

將a值保存在軟件中, 供地面測試模塊和解碼計算模塊使用。

必須指出, 前述為在室內試驗中利用放射源進行刻度校準的過程。測井儀在工程使用前, 應利用刻度井進行校準[4-5], 刻度井的常見結構如圖4所示。對于數據處理軟件來說, 使用刻度井進行校準的操作步驟 與使用放射源基本相同, 這里不再贅述。

圖4 常見刻度井結構示意圖

2.3 地面測試模塊

方位伽馬測井儀不僅能夠測量伽馬數據, 也能夠測量動態井斜、溫度和轉速等。在完成采集后, 這些數據可以通過兩種形式被使用。一種是儀器在地面測試時, 數據以CAN協議格式進入總線, 經過測試盒被計算機獲得, 由地面測試模塊解析成數據；另一種是儀器在井下時, 數據由定向探管編碼為脈沖信號, 通過泥漿脈沖傳回地面, 經地面機被計算機獲得, 由解碼計算模塊解析成數據。兩種形式得到的數據最終都要經歷計算、顯示和存儲過程。

地面測試模塊得到的數據是多個CAN幀的拼接, 格式為十六進制字符串, 長度為100個字節, 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”。方位伽馬測井儀的數據格式如圖5所示, 但這些數據并非都是原始測量數據。地面測試模塊將通過如下步驟進行數據解析：

圖5 方位伽馬測井儀的數據格式

（1）該組數據的前6個字節表示儀器指令, “1E 13”表示數據來自方位伽馬測井儀, “60 00”表示數據長度校驗, “87 40”為報頭, 表示數據來自儀器上傳, 這6個數據的內容是固定的, 合稱為命令頭數據, 不作為數值計算。

（2）最后2個字節表示校驗結果, 對去掉前6個和后2個數剩下的92個字節進行循環冗余校驗, 如果得到的結果與最后2個字節數一致, 表明數據傳輸過程沒有出現錯誤, 可以進行下一步計算, 否則丟棄該組數據。

（3）對92個字節數據按每4個字節為一組進行分組, 得到長度為92/4=23的字節數組。這里指出, 為滿足數據傳輸需要和便于后續擴展, 定義數據格式時預留了23個數據的位置, 但并未全部使用, 目前使用了13個數據。

（4）遍歷該數組, 將每組長度為4的字節數據轉為浮點數據類型, 得到長度為23的浮點類型數組。

（5）按照方位伽馬測井儀芯片固件生成數據的順序, 從該數組的對應位置獲取所需的數據。

（6）對獲取的數據進行補償和校準計算, 得到的結果將顯示在軟件界面上, 并存儲到軟件數據庫中。

至此, 地面測試模塊完成對數據的計算。除此之外, 方位伽馬測井儀的數據回傳間隔和解碼時的回傳數據項也在地面測試模塊中進行配置。

2.4 解碼計算模塊

立管傳感器采集到壓力信號后傳給地面機, 通過相連的計算機交由數據處理軟件進行解碼。目前, 數據處理軟件設計了13個參數, 用于接收和調用方位伽馬測井儀的回傳數據, 如表3所示。

表3 解碼計算模塊使用泥漿脈沖參數表

解碼得到的是整型原始值, 要得到測量值還需要進一步計算。令測量值用M表示, 原始值用R表示,L表示參數低值,H表示參數高值,S表示參數范圍, 則有：

對于一般的參數,M即為最終計算結果。而有些特殊參數, 受傳感器提供的數值范圍不同和主控數據傳送方式等因素影響, 需要進行補償計算[6], 才能得到最終的計算結果。

3 軟件測試與應用

隨鉆方位伽馬測井儀數據處理軟件的第一個版本已經開發完成, 正在配合工程樣機進行試驗改進。軟件的各模塊工作正常, 在旋轉測量狀態下, 軟件能夠識別伽馬源所在方位并顯示在解碼計算模塊界面上, 如圖6所示。2020年7月, 方位伽馬測井儀工程樣機在遼河油田雷61區塊首次下井試驗, 試驗期間儀器工作正常, 軟件能夠采集數據并正確解碼和顯示, 展現了良好的應用前景。目前, 工程樣機正在進行耐高溫測試和改進升級, 數據處理軟件也將隨之進一步優化完善, 爭取早日完成后續試驗, 實現產品定型。

圖6 解碼計算模塊對伽馬源的識別和數據顯示

4 結論

隨鉆方位伽馬測井儀數據處理軟件能夠快速接收、處理和解析測井儀的測量數據, 具備較高的穩定性和準確度。利用方位伽馬地層方向測量信息, 工程技術人員能夠準確地判斷地層傾斜角度和邊界方位, 及時掌握了解地層特征和油氣藏分布, 獲得調整井眼軌跡的時間, 解決地質導向入靶及水平軌跡控制難題[7], 實現實時地質導向, 降低鉆井成本。