随钻自然伽玛测量仪在气田开发中的应用

马鸿彦 张斌 孔凡刚 龚大洪 中国石油渤海钻探工程公司定向井分公司

随钻自然伽玛测量仪在气田开发中的应用

马鸿彦 张斌 孔凡刚 龚大洪 中国石油渤海钻探工程公司定向井分公司

随钻自然伽玛测量仪通常与MWD随钻测量仪器结合使用。利用自然伽玛的探测深度和探头到钻头的距离以及其他相关数据，借助三角几何关系就可以预测出钻头到目的层的距离或地层倾角。自然伽玛曲线与其他测井曲线相比，能更敏感地反应地层的泥质含量变化。井下存储的自然伽玛数据是相对可靠的原始地层数据，不受地面解码和平滑滤波的影响，可以用来计算地层的泥质含量或进行高频地层回旋性研究。

随钻测井；自然伽玛；MWD；泥质含量；水平井

1 技术背景

由于随钻测井时地层被钻开之后暴露时间短，受泥浆侵入的影响小，地质资料更能反映地层的真实性，因此其在实时识别地层岩性和油气层方面优于传统的电缆测井。但是在气井开发中对电阻率曲线的参考意义不大，所以用随钻自然伽玛测井曲线和综合录井信息就能很好地评价地层。而且根据仪器自身的特点可以提前估算出钻头到目的层的距离，水平段调整时钻头到目的层边界的距离以及地层倾角和复合钻进时钻头的倾向，从而缩短钻井周期，提高目的层钻遇率，促进井眼轨迹平滑性，减少后期作业的难度，降低钻井成本。

2 工作原理

在随钻测井过程中，当γ射线进入闪烁体（被置于闪烁探测器中）后其原子受到激发，被激发的原子恢复到正常能态时，就会放出光子，出现闪烁现象。入射的伽玛射线能量越高，闪光的亮度就越大，脉冲幅度也越大。以此来测量岩石总的自然伽玛射线强度，以研究井剖面地层性质，这也是随钻自然伽玛测井应用的主要目的。

随钻自然伽玛测量仪通常与MWD随钻测量仪器结合使用，伽玛探管一般串接在MWD定向探管之下，工作时伽玛探测器捕获γ射线后被转换成电脉冲信号，经过脉冲整形电路处理后，该信号变成标准脉冲，送入微处理器内的计数器中。微处理器定时采样伽玛脉冲的计数值，并计算出每秒计数率，然后存入非易失存储器中；同时将该测量数据传输到MWD随钻测量仪器的井下探管中，通过一系列的运算将其转化为泥浆脉冲信号传到地面数据库中；通过地面数据处理系统解算出工具面、井斜、方位和伽玛值。

3 现场应用

3.1 施工中采取的相关措施

隶属长庆油田的靖XXX区块的所有生产井对水平段的设计都超过1000m，这些井在施工过程中都面对相似的施工难度。现已靖38—29H4井为例来说明在全井施工过程中的难度和采取的相关措施：

（1）表层13.5寸的大井眼防碰。该区块设计井位较多，相邻井在上直段的防碰距离仅为5m，开钻之后就需要下入MWD来跟踪井斜。但是在该段施工中由于排量太大，马达振动过大，引起地面管线振动，使压力传感器接收到杂波信号而不能正确地解码，从而不能得到井斜数据。

（2）井底温度过高。仪器在井底能够测到的循环温度为105℃的左右，泥浆长期静止温度会更高，根据施工经验，该仪器正常工作的温度为100℃以下。为了能在高温下正常工作，下钻时采用分段制循环泥浆的方式来降低仪器到井底之后基础温度。

（3）水平段调整困难。这是所有水平井在后期都面临的问题，5000m以上的井深、6寸的井眼、3寸的钻杆，在长达2000m的水平裸眼段中调整一次工具面有时需要1h，而且要考虑托压、防卡、防垮塌等井底的各种安全因素。国外公司在这方面的突破性研究为旋转导向。而目前利用自然伽玛的特性，采取调整钻压和复合钻进的方式来弥补其缺陷并取得了良好的效果。

（4）泥浆体系复杂，伽玛曲线失真。泥浆是钻井工程的核心体系，整个体系保持动态平衡，也是制约水平段长度的关键所在。随着井深的增加，井下情况也变得复杂，同时加入的泥浆材料也在增加，最后形成高比重、高黏度、高固相的“三高”体系。该体系除了影响仪器的正常工作之外，最关键的是导致随钻自然伽玛曲线的失真，使得现场无法完成伽玛曲线的定性分析，而只能通过曲线的变化趋势来判断地层的变化。例如XXX井水平段的参数为：斜深2915m、垂深2300m、黏度140s、比重1.38g/cm3、固相含量40%，由于MWD+GAMMA无法正常工作，且泥浆体系失衡，更换LWD和泥浆体系之后，复测所得曲线可以看出，伽玛曲线变化趋势相同，但是幅值相差20API。

3.2 自然伽玛特性的应用

（1）利用自然伽玛的探测深度预测钻头到目的层的距离。利用自然伽玛的探测深度和探头到钻头的距离以及其他相关数据，借助三角几何关系就可以预测出钻头到目的层的距离或地层倾角。在水平段施工过程中当伽玛曲线的值刚好出现层变趋势时，就可以提前通过调整钻压和复合钻进的方式控制井斜，以减少定向钻进时托压、防卡、防垮塌的风险和调整井斜的时间。

（2）自然伽玛在现场的实际应用。例如靖38—29H4井，其中工程设计水平段井斜为89.16°，说明地层下倾。地层倾角θ=0.84°、“着陆”点的设计井斜为86.5°，因为地层尚未钻开，取伽玛的探测半径为0.5m，钻头到伽玛探测点的距离为10m，由相关公式即可计算出钻头到目的层界面的距离为0.8m。也就是说，当在伽玛曲线上看到明显的数值变化（层变效应）时，按照“着陆”点的设计井斜（86.5°），此时钻头与目的层的距离为0.8m。如果继续钻进0.8m，综合录井信息任然没有标明进入目的层，说明地层倾角θ＞0.84°，即需要钻进更多的距离才能找到目的层。因为存在1°地层倾角的原因，在穿越目的层时井斜会自然下降，如果工程师知道地层倾角引起的井斜变化，就可以提前通过调整钻压和复合钻进来施工，从而大大减轻了施工难度，减少了卡钻、垮塌的潜在风险。在水平段施工过程中，井斜角往往被要求控制在1°以内波动，如果通过定向探管测得数据来控制井斜时，钻头早已钻出目的层，因为定向探管的探测盲区远远大于伽玛探管的探测盲区。

3.3 计算储层泥质含量

自然伽玛曲线与其他测井曲线相比，能更敏感地反应地层的泥质含量变化。井下存储的自然伽玛数据是相对可靠的原始地层数据，不受地面解码和平滑滤波的影响，可以用来计算地层的泥质含量或进行高频地层回旋性研究。泥质含量计算公式为

式中ΔVsh为相对泥质含量；Vsh为泥质含量；Vsh.1为测井值；Gmin和Gmax为纯砂岩和纯泥岩的测井值；Gc为计算泥质含量的经验系数。

在计算过程中Vsh.1测井值只能通过完井之后的电缆测井获得；然后通过综合信息来研究地层，对以后的施工提供参考依据。

4 结语

自然伽玛随钻测井（MWD+伽玛）是以地层剖面中各种岩层的自然放射性强度为基础，只提供一条地质参数曲线的测井方法。由于地壳岩层中存在的天然放射性核素在衰变时会发出不同的射线，使岩石有天然的放射性。放射性物质在岩层中含量不同，在自然伽玛曲线上就有不同的反映，将其特征与综合录井信息相结合，可以在现场对地层进行实时评价。

（栏目主持 杨军）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.012