旋轉導向近鉆頭方位伽馬測量儀研制與應用

孫龍飛，王曉鵬，張啟龍，謝濤，林海，董平華，尚捷

1.中海石油（中國）有限公司天津分公司（天津 300459）

2.海洋石油高效開發國家重點實驗室（天津 300459）

3.中海油田服務股份有限公司（河北 廊坊 065201）

隨鉆方位伽馬測井儀是石油勘探開發必不可少的儀器，該儀器通過測量地層自然放射性的差異，確定地層巖性及泥質含量，以評價油氣藏可能性及儲量[1-3]。以斯倫貝謝、哈里伯頓為代表的各大油服公司相繼推出隨鉆方位伽馬儀器，可準確識別地層信息，在現場得到廣泛應用。近年來隨著我國部分海上油田進入開發中后期，薄油層、斷塊油層地開發越來越多，傳統的隨鉆方位伽馬測井儀由于伽馬測點距離鉆頭較遠，不利于鉆井軌跡的及時調整，導致鉆出儲層，難以實現高效開發。針對此問題，介紹了旋轉導向近鉆頭方位伽馬，該儀器集成安裝在中海油服研發的旋轉導向鉆井系統加長柔性短節內部，是旋轉導向鉆井系統的一部分，可實現內存8 扇區和實時上傳4 扇區的伽馬測量，且伽馬測點距離鉆頭只有4.069 m，測量精度±5API@100API（鉆進速度ROP≤30 m/h），并且與旋轉導向鉆井系統高度集成，借助旋轉導向的軌跡控制能力實現及時回調，確保軌跡在儲層穿行，提高鉆遇率。

1 旋轉導向近鉆頭方位伽馬系統結構

旋轉導向近鉆頭方位伽馬測量系統集成了自然伽馬測井技術和方位扇區測量技術。由伽馬測量模塊、方位扇區測量模塊和雙伽馬探測器組成，如圖1所示。伽馬測量模塊與系統總線掛接，實現取電和通訊，同時從系統總線讀取井斜INC 和方位AZI 值，并采用雙伽馬探測器實現伽馬射線的采集處理和計數。方位扇區測量模塊采用三軸磁通門傳感器實現方位測量，其原理是通過測量磁場強度在x軸、y軸、z軸的分量Hx、Hy、Hz，再利用其三角函數關系得到方位角。同時，通過向伽馬測量模塊發送扇區整周期標記信號S0 和分扇區標記信號S1，實現對應扇區的伽馬強度測量，以反映地層巖性變化信息。

圖1 系統結構圖

2 方位扇區測量模塊

2.1 方位扇區測量原理

旋轉導向近鉆頭方位伽馬測量儀可實現8扇區和4 扇區兩種測量模式。8 扇區是環井周8 等分，每個扇區45°，扇區編號順時針分為0 扇區至7 扇區，并將對應扇區的伽馬計數記錄到內存中。4 扇區是環井周4 等分，每個扇區90°，分為上、下、左、右扇區，并通過泥漿脈沖信號實時上傳對應扇區的伽馬計數，地面工程師可通過4 個扇區伽馬強度變化的先后順序，判斷進出油氣層的方向[4]，從而及時調整鉆井軌跡。

方位扇區角?是儀器橫截面上伽馬探測器環井周掃過的扇區角[5]，如圖2 所示，它由兩部分組成：一是磁工具面角γ；二是地磁北在橫截面上的投影與該截面高邊的夾角ω。利用安裝在鉆鋌骨架上的正交磁通門傳感器可測得地磁矢量的兩個分量Hx和Hy，則有：

圖2 扇區角幾何關系示意圖

已知ω只與磁傾角θ、井斜角α、方位角β有關，且磁傾角只與緯度位置有關，井斜角和方位角可通過隨鉆測量儀（MWD）測量得到，則有：

在旋轉鉆進工況下，方位扇區角?的計算公式為：

因此只需通過雙軸磁通門傳感器快速測量Hx和Hy，即可實現方位扇區角的準確實時測量。

2.2 方位扇區測量電路設計

為滿足測量需求，旋轉導向方位扇區測量模塊由MCU 主控電路、磁通門測量采集處理電路[6-7]、溫度測量電路、數據存儲電路、通訊電路、基準電壓電路構成。

MCU 主控電路是方位扇區測量模塊的控制核心，采用ADUC845 處理器，主要功能是實現方位扇區角解算[8]、A/D 轉換、數據存儲和通訊及時間同步。磁通門測量采集處理電路將地磁場3 個軸向上的分量轉化為對應的電壓信號Hx、Hy、Hz，并進行激勵放大后輸入到主控電路完成采集處理，如圖3所示。主控電路根據溫度測量電路輸入的電壓信號，進行溫度補償計算，得到扇區角。數據存儲電路由電源轉換芯片、電平轉換芯片和FLASH 存儲器芯片構成，實現測量數據和加載參數的存儲。基準電壓采用ADR421 芯片提供+2.5 V 和+1.25 V 的參考電壓。通訊電路采用SN65HVD11QD 芯片與上位機實現差分異步串口通訊，實現程序和參數下載。

圖3 軸磁通門輸出信號調理電路

3 伽馬測量模塊設計

根據井下作業工況和測量要求，選用型號為NGT-075 的伽馬探測器，外徑為19.05 mm（0.75″)。該伽馬探測器將NaI 晶體、光電倍增管、高壓模塊、前置放大電路集成于一體，以節省安裝空間。伽馬測量模塊由主控電路、電源電路、系統總線接口電路、RTC 時鐘電路、數據存儲電路構成，如圖4所示。主控電路完成雙伽馬探測器伽馬射線采集計數、扇區中斷信號處理、伽馬強度計算及系統總線指令收發等功能。 電源電路實現系統總線取電，并轉化為3.3 V、±5 V、24 V輸出，為其他芯片、磁通門傳感器和伽馬探測器供電。RTC時鐘電路完成同步時間，數據存儲電路實現方位伽馬測量數據的存儲。伽馬測量模塊的固件程序包含5個業務處理單元和10個外設接口處理單元，如圖5所示，可實現方位伽馬的測量、存儲和傳輸功能。

圖4 伽馬測量系統電路結構

圖5 伽馬測量模塊程序結構

4 方位伽馬刻度方法與軟件開發

由于不同伽馬探測器的計數效率存在差異，以及安裝伽馬探測器的機械結構及材料對伽馬射線的屏蔽程度不同，所以需要在儀器出廠前進行刻度標定[9]。針對不同井眼尺寸的儀器，選用對應的刻度井進行刻度標定[10-11]。對于675 型旋轉導向近鉆頭方位伽馬儀器選擇井眼直徑216 mm 的刻度井，低刻值伽馬強度為11.8 API，高刻值伽馬強度為264.5 API，刻度井的結構如圖6 所示。刻度過程分低刻和高刻兩步進行：低刻時，下入低刻井；高刻時，下入高刻井，且保證伽馬測點距離井口1.25 m。

圖6 刻度井結構圖

為了提高刻度標定的效率和精度，以Visual Studio 2012為平臺開發了刻度標定專用軟件，如圖7所示。該軟件具有刻度參數自動擬合、刻度數據自動保存及刻度時間寫入等功能。通過采集100組實測數據，利用最小二乘法擬合得到伽馬強度Gr與單位時間伽馬計數值cps的線性關系，即：Gr = K × cps + B,其中K為比例系數，B為截距，并將K和B加載到儀器當中，以計算伽馬強度。

圖7 刻度標定軟件

5 現場應用

旋轉導向近鉆頭方位伽馬在海上油田順利完成作業，總進尺1 480 m，循環時間48.8 h，驗證了測量電路及機械結構穩定可靠，上、下、左、右4扇區伽馬測量數值穩定，方位信號輸出正常，且能正確反映地層巖性變化信息，與同一趟鉆常規電阻率方位伽馬儀器測量數據相吻合。伽馬測量曲線如圖8所示，縱坐標為井深，橫坐標分別為旋轉導向近鉆頭方位伽馬PGRUm（上伽馬值）、PGRDm（下伽馬值）、電阻率方位伽馬PGRUm_ACPR（上伽馬值）、PGRDm_ACPR（下伽馬值）。從圖8 可判斷出在井深2 037 m位置，下伽馬值先增大，上伽馬值后增大，說明儀器從儲層下部穿出，進入泥巖，為現場工程師及時調整軌跡指明了方向。

圖8 旋轉導向方位伽馬測井曲線

現場應用表明，該儀器運行正常，測量電路及機械結構穩定可靠，能正確反映地層巖性變化信息；并為現場工程師及時決策提供依據。

6 結論

旋轉導向近鉆頭方位伽馬測量儀作為中海油服自主研發的旋轉導向鉆井系統的組成部分，使旋轉導向鉆井系統具備了近鉆頭地層識別能力，為井下閉環系統和地面決策人員提供了更為精準、及時的軌跡調整依據，可有效防止軌跡出層，保證鉆井軌跡始終在目標油氣層中鉆進。其成果如下：

1）距離鉆頭更近，測點距離鉆頭只有4.069 m，可及時判斷儲層情況，并第一時間調整軌跡。

2）具備扇區方位測量功能，設計溫度補償電路和磁通門信號調理電路消除溫度波動誤差，提升扇區方位測量精度。

3）優化扇區中斷信號處理機制，提升測量采集速度，防止丟失扇區脈沖信號，實現環井周實時4扇區、內存8扇區的伽馬測量。

4）開發方位伽馬刻度軟件，實現伽馬刻度“一鍵化”，提升了工作效率和刻度精度。

隨著油氣勘探開發的深入，深井、超深井、大位移井越來越多，需要進一步提高方位伽馬測量儀對高溫、高壓及強烈震動工況的適應能力，從制造工藝、電路設計優化和處理算法優化方面進行改進，以滿足應用需求。