随钻多扇区方位伽马的实现及应用

鲁超　张玉　苏瑞

摘 要：随钻多扇区方位伽马测量技术是近年来发展起来的一种新型随钻测量技术，通过独特的数据处理技术在钻具连续旋转过程中分扇区测量对应地层自然伽马数据，用以判断所钻轨迹处于储层内的相对位置、进出储层情况等，能有效的实现在随钻过程中及时指导钻头沿最佳轨迹钻进。

关键词：地质导向;随钻工具;多扇区;方位伽马;动态测量

1引言

传统的水平井地质导向技术是在随钻测量工具内安装自然伽马传感器，通过伽马传感器内的计数管来获取其周围岩层中放射出的γ射线的能级宽度，然后采用API 刻度传输至地面，判断地层的平均伽马。由于该技术没有方位信息，虽然其能较好地指示钻头是否在储层中行进，但当钻头出储层后却无法及时指明如何重返其中，即不具有捕捉方位信息的能力，因此不能实时、有效地获取地层层位信息。方位伽马测量技术是通过数据处理技术的革新，对现有的平均伽马探测技术进行改造，使其可对指定区域地层进行测量及明确边界，拾取地层倾角，确定地层厚度，尤其适合地质条件复杂多变且储层厚度分布不均的储层气田开采领域。

2 随钻多扇区方位测量仪的实现原理及方法

通常情况下，钻探定向井、水平井过程中需要实时的获取井下钻具相对于某一参考点的相对位置，也即一定的偏移角，在工程上称为工具面或工具面角。工具面角在直井中通常以磁北为参考点，工程上称这种以磁北为参考点的工具面为磁工具面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为参考点，工程上称为重力工具面GTF（Gravity Tool Face）。重力工具面GTF是基于测量物体的当地重力场而得出的，例如重力场可以垂直于钻具轴向。测量重力场通常利用加速度计测量的。然而在钻具连续旋转钻进中要瞬时地采集计算出重力工具面几乎是不可能的，因为井下的强振动通常都远远大于一个G。如何通过消除这种因钻具旋转对重力测量形成的干扰是实现连续旋转中测量的关键。国内学者通过滤波，校验的方法，在动态测量技术方面取得了不少成果。本文提供了一种全新的动态工具面测量的方法，一种基于磁测量的动态工具面高效准确的测量方法，可用于在任意时刻计算工程所常用的重力工具面。

在经过研究发现，各种井场中，重力工具面与磁工具面，当地磁倾角、井斜角和方位角具有一定的函数关系。且在空间内可以经过向量转化的计算，实时可将磁向量经过一定的旋转到工具轴线的重力向量。从而利用常规计算重力的给类计算公式计算我们熟悉的重力工具面GTF。设磁倾角为DIP，井斜角INC，方位角AZI，重力工具面角为GTF，磁工具面角为MTF，重力和为G，磁场为B。则其函数关系可以用下面的等式表示：

GTF=Function（INC，AZI，DIP，MTF）（1）

从式（1）可知，重力工具面是井斜角INC、方位角AZI和磁倾角DIP、磁工具面MTF的函数，通过该函数的计算，从原理上规避了计算重力工具面时受井下振动、旋转所带来的所有影响。

该方法解决了传统测量方法无法得到动态GTF的难题，实现了扇区方位测量，并可以广泛应用于井下要求动态GTF的各类设备中。通过以上叙述和分析，方法从原理上实现了旋转中重力工具面的准确测量，以下介绍方位伽马及伽马成像如何实现。方位伽马仪器主要利用井下扇区方位测量系统实时得到仪器的旋转工具面，通过实时工具面的位置反馈信号，产生扇区时序控制信号，将伽马传感器测量值分配到划分好的某一扇区中。

3 随钻多扇区方位伽马测量仪的特点及技术指标

随钻多扇区方位伽马测量仪目前有2种形式，集成在钻井院MRC电磁波电阻率上，组成紧凑型地质导向系统。也可以制作成一根 独立短节的形式，与其他的系统实现测量数据共享。短节上集成了伽马测量，井斜以及环空压力测量，伽马测量经过标准的API刻度，测量扇区数量可以根据用户需要设置为传统平均伽马，2扇区、4扇区或者8扇区方位伽马，当然还可以扩展到16扇区测量。当前通常情况下位8扇区测量，用于实时成像和数据回放成像使用。短节中的井斜测量采用高温抗振的封装型井斜测量模块，大大提高了测量的可靠性。模块封装体积小，功耗小，便于安装，更加适合嵌入式系统的开发与应用。另外，短节上集成安装的钻具内外环空压力测量，主要用于检测井下循环系统的压力情况，可以实现环空压力的实时监测。

4 多扇区方位伽马测量仪现场应用

方位伽马测量参数在水平井中边界识别原理：如果钻头从顶部进层时，下伽马值首先降低，然后上伽马值降低;从顶部出层时，上伽马值首先抬起，然后下伽马值抬起; 从底部进层时，上伽马值首先降低，然后下伽马值降低;从底部出层时，下伽马值首先抬起，然后上伽马值抬起; 完全进层或出层后，上、下伽马值基本一致。依据这些原理，在水平井施工中就可以避免少出目标层，即使出层也可以及时返回目标层，提高储层钻遇率。

方位伽马在胜利垦*-平2井的应用，设计目的层为Es3-8层，在水平段施工过程中按采油厂要求：穿越Es3-8层和一小夹层进入Es3-8地层并在其中穿行，直至完钻，钻遇率接近100%。设计模型随时更新，指导下一步轨迹走向。下图是在实钻过程中的曲线及模型情况。

井深2364m确定钻出油层，电阻率值降低，上、下伽马值均显著增大，且下伽马值明显大于上伽马值，从下边界出层。调整轨迹，增加井斜，使轨迹重回储层中上部，实现了实时地质导向。通过多轮次的现场应用，随钻方位伽马，伽马成像井进一步完善和成熟，性能稳定，可靠的自主品牌指日可待。从图1的实时方位伽马曲线显示可以看出，当前所钻井眼处于靠近储层下方位置，可能要从下方出层，需要及时增加井斜，是鉆头重回储层中上部。

5 结论及认识

基于动态方向测量模块在钻具旋转时有效克服了传统基于加速度计测量的所有缺陷，为井下需要动态方位、扇区测量的各类仪器提供了准确可靠的方向测量数据，并成功应用于胜利钻井院研制随钻方位伽马测量仪器。基于多扇区方位伽马、伽马成像，多深度电阻率参数的配合使用，为成功实现随钻地质导向钻井提供了又一设备利器。随钻方位伽马测量仪器的成功现场试验应用，为进一步开发随钻伽马成像测量仪提供了坚实的基础，随着电子技术及数据压缩技术的完善，随钻成像技术指日可待。

参考文献：

[1]薛启龙，王瑞和，孙峰等.捷联式旋转导向井斜方位动态解算方法[J].中国石油大学学报（自然科学版），2012，36（3）： 93-107.

[2]方锡贤等.非常规油气水平井地质导向方法探讨[J].石油地质与工程2012，26（5）：89-91.

基金项目：国家科技重大专项“低渗透油气深层高温高压随钻测控技术”（项目编号：2016ZX05021-001）