近钻头伽马响应特征及实验分析

郑奕挺，宋红喜*

(1.中国石化石油工程技术研究院，北京 100101; 2.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，北京 100101)

中外油气勘探开发已经进入后期，新探明储区大多处于地层深处、海洋、滩海、沙漠等地区，特殊的油藏开发条件和复杂的油藏地质结构使得勘探开发难度大大增加，对钻井技术的要求也越来越苛刻[1]。自然伽马是随钻地质导向所必测的项目，它可以显示即时的岩性信息，指导钻头顺利地钻穿薄油气层和复杂地质构造储层，保证钻头能够安全有效地在目的层中钻进。目前中国正在进行随钻方位伽马成像仪器的研制，所以对随钻伽马的响应特征和数据处理方法的研究存在着迫切需求，这也是本文研究的重点所在[2-3]。

张鹏云等[1]提出随钻方位伽马成像测井技术，显著提高了钻井效率，提高单井产量和建产效率的目标等。何贵松等[2]在使用了水平段“两段式”地质导向方法，使得甜点段遇钻率高达100%，井眼轨迹较光滑且气测显示较好，得到了良好钻探效果。文献[3-4]提出使用近钻头伽马高精度实时成像技术可以实现钻头在储层内精确控制，提高优质储层钻遇率。宁波等[5]利用自然伽马能谱测井提出黏土矿物中含量的方法，这对石油天然气勘探开发具有重要的意义。吴一雄等[6]提出了调整权重来综合利用伽马和中子、密度曲线反映储层泥质准确含量的一种计算方法。

国外随钻伽马测井已经取得长足进步，技术和测量仪器成熟，仪器形成系列化，工业化程度较高。Schlumberger、Halliburton和Baker Hughes公司的仪器基本上能代表现在随钻自然伽马仪器发展现状和趋势。Schlumberger公司MWD/LWD(measure while drilling/log while drilling)服务中提供自然伽马测量的仪器有EcoScope、GeoVision、PeriScope、ArcVision、SlimPulse以及IPZIG，其中EcoScope、GeoVision、PeriScope和IPZIG可提供伽马成像[7-8]。

近几年推出的多功能随钻测井平台EcoScope HT最大的操作温度和操作压力分别为175 ℃和140 MPa，将地层评价、井位布置以及钻井优化测量集于一体。常规随钻测量安装位置距离钻头一般在10 m以上，自然伽马测量部分位于仪器的最前端，实现近钻头测量地层自然放射性，测量时利用4个伽马探测器，最多可提供16扇区的方位伽马成像[9]。

现深入分析4种不同的因素对伽马成像影响，得出随钻伽马成像在地层界面处正弦曲线高度随地层倾角的增大而增大，随地层密度的增大而减小，受井眼尺寸和泥浆密度的影响较小，受仪器偏心的影响较大，成像深度主要受地层密度的影响，受井眼尺寸、泥浆密度和地层倾角的影响较小，给出相应的对比图且给予了相应论证。

1 地层伽马成像模拟

1.1 成像的测量原理

岩石的放射性来源于其所含有的放射性物质，地层中的伽马强度是由岩石所含有的放射性元素的种类及其在矿物中的含量决定的，目前已发现的天然放射性核素约有60种，在这些放射性核素中，除了40 K外，其余大多数分处于半衰期较长的自然放射系中。

对于不同种类的岩石，放射性物质的含量存在明显差异，由其产生的伽马射线强度也明显不同。整体上，岩浆岩的放射性活度随着其酸性减弱而有规律的降低。变质岩的放射性活度与岩石的变质过程和变质程度有关，其放射性核素活度往往介于高放射性岩浆岩和普通的沉积岩之间。在沉积岩中，岩石的放射性活度往往活度取决于黏土矿物的种类和含量，黏土岩放射性活度最高，而石膏、硬石膏等放射性活度最低[5]。

与普通的自然伽马测量原理相似，地层中含放射性物质的岩石产生的伽马射线通过钻铤开窗进入探头后，与晶体发生光电效应和康普顿效应而产生荧光，光电倍增管和协同的电子线路将荧光转变为电信号[7]，一般的随钻测量仪器是通过将电信号转化为泥浆脉冲信号进行传输的，传输到地面泥浆脉冲信号经过一系列的数据处理后转化为测量方位地层的伽马强度值。

在钻头钻进的同时，随钻伽马探头一般紧邻钻头安装无磁钻铤内，仪器探测到的来自各方位地层的伽马强度被探测器接收后转为电信号数据，一部分伽马强度数据即时通过泥浆脉冲传输至地面[9]，利用这些数据可以精确的指导钻头在目的层中钻进，从而提供即时的地质导向服务；还有一些采集的伽马值存留于井下，经过处理后可以得到计算相对倾角的记忆伽马成像。近钻头伽马成像测井原理如图1所示。

图1 近钻头伽马成像测井原理

1.2 成像计算倾角的原理

随钻地质导向伽马利用在随钻过程中测量得到的随方位和深度变化的伽马强度值，对测量的伽马强度值进行成像，再通过成像信息来估计井眼相对倾角的变化趋势，从而调整钻头方向以实现地质导向[9]，如图2所示。

图2 倾斜地层与伽马成像对比图

利用成像计算相对倾角的公式为

(1)

式(1)中：α为井眼相对倾角；H为正弦曲线宽度；d为井眼直径；DI为成像深度。

2 伽马成像特征研究

依据地层伽马成像原理，分析对比以下4种因素对成像系统的影响，采用图3的计算模型，模拟不同井眼环境和地层参数下的成像响应特征。放射性地层密度2.5 g/cm3，非放射性地层2.65 g/cm3，选择O点为坐标原点，地层倾伏方向为x轴方向，θ为仪器与地层之间的倾角。

图3 倾斜地层模型

2.1 相对倾角成像

如图4所示，不同相对倾角下的成像响应特征差别明显。当相对倾角较小(≤45°)时，伽马成像的放射性强度随相对倾角的增大而明显增强，当相对倾角较大(>45°)时，伽马成像的放射性强度有所降低[5-6]。这是由于随钻伽马仪器的纵向探测距离和径向探测距离相近，因此仪器与地层相对倾角接近45°时接收的伽马计数率最大。

图4 不同地层倾角与成像响应对比图

图5为不同相对倾角的伽马成像下求取的正弦曲线H，正弦曲线高度随相对倾角的增大而急剧增大，两者近似呈指数关系。图6为利用公式求取的不同相对倾角下的成像深度DI，相对倾角对成像深度DI影响脚小。

图5 伽马成像正弦曲线高度与相对倾角对比图

图6 伽马成像深度与相对倾角对比图

2.2 地层密度成像

2.2.1 上下层密度相同时的成像响应

如图7所示，不同地层密度下的相对倾角70°，不同密度下伽马成像特征差别明显，伽马成像的放射性强度随地层密度的增大而减小。

图7 地层密度与成像响应对比图

图8(a)为求取的正弦曲线高度值H随地层密度的变化，随着地层密度的增大，伽马成像的正弦曲线高度值逐渐减小。图8(b)为利用公式求取的不同地层下的成像深度DI，从图中可以成像深度DI受地层密度影响较明显，随地层密度的增大，DI明显减小。

图8 地层密度与两种参数对比图

2.2.2 上下层密度不同时的成像响应

图9(a)为由密度为2.75 g/cm3低放射性地层穿过2.25 g/cm3的高放射性地层的伽马成像；图9(b)为由2.25 g/cm3密度低放射性地层穿过2.75 g/cm3密度的高放射性地层的伽马成像。伽马成像的放射性强度仅与高放射性地层密度有关，高密度高放射性地层的伽马成像强度明显低于低密度高放射性地层。

图9 上下层密度与成像响应对比图

表1为上下层密度不同时伽马成像的DI与H值。从表1中可以看出，伽马成像在边界正弦曲线高度H和成像深度DI仅于上下层平均密度有关，当上下层平均密度相等时，上下层密度的变化对H和DI的影响较小。

表1 上下层密度不同时伽马成像的DI与H值

2.3 井眼尺寸成像

图10为井眼直径24、28、32 cm下相同相对倾角和地层密度的伽马成像模拟图，从图10中可以看出，随着井眼尺寸的增大，伽马成像的强度明显降低。

图10 井眼尺寸与成像响应对比图

表2为不同井眼尺寸伽马成像的DI与H，从表2可以看出，伽马成像在边界正弦曲线高度H随井眼尺寸的增大而增大，成像深度DI受井眼尺寸影响不大。

表2 井眼尺寸与伽马成像参数对比

2.4 泥浆密度成像

图11为模拟得到的其他条件相同时井眼内分别充填淡水泥浆、20%的重晶石泥浆以及30%的重晶石泥浆下的伽马成像模拟图，从图11中可以看出，随着泥浆密度的增大，伽马成像的强度明显降低。

图11 泥浆密度与成像响应对比图

表3为不同泥浆密度下伽马成像的DI与H，从表3中可以看出，泥浆密度对正弦曲线高度H和成像深度DI受井眼尺寸影响不大。

表3 泥浆密度与伽马成像参数对比

3 数据采集传输单元研制

3.1 近钻头短节采集单元

近钻头伽马成像系统整体包括三大部分：近钻头短节、上短节、地面接收。首先近钻头短节测量地层方位伽马、井底温度、井斜、钻头转速，通过无线通道将数据传输至上短节。上短节同时测量地层总量伽马、环空压力、温度，上短节将所有数据通过有线方式传输至井下传输机构，传输机构将数据发送至地面，地面接收软件接收井下数据并成像显示[10]。图12为近钻头伽马整体结构框图，近钻头短节采集与上短接进行通讯，再利用MWD技术，把采集回的数据传输给地面。

图12 总体结构框图

近钻头短节电路总体结构如图13所示，包括4块电路板和5个传感器，主要功能有数据采集(近钻头伽马、井斜、转速)和发送数据到上短节。

图13 近钻头短节电路结构

系统按功能划分进行设计，包括伽马成像探测、动态井斜测量、无线传输、电源管理、MWD接口、机械短节、地面软件等。在系统集成方面，电路板需要抗振封装、天线防护耐磨封装、接线绝缘等工艺。

3.2 伽马成像探测方法

伽马成像是对地层圆周的不同扇区分别进行测量，获得圆周360°不同扇区的数据集合[11-12]。

(1)伽马探测器和工具面传感器在伽马成像测量钻具内的布局。①伽马探测器的伽马敏感区域背向地层的内侧，采用伽马屏蔽材料填充，减少背部地层伽马射线作用于伽马探测器的强度；②两个工具面传感器以垂直布置于测量钻具内，如图14所示。

图14 伽马探测器与磁传感器结构图

(2)计算地层扇区累积测量时间。①将360°平均划分为n个扇区(如n=4、8、16或32)，对应的角度区间分别为：[0，360/n]，[360/n，2×360/n]，…，[360-360/n，360]；如图15所示，n=16，整个圆划分为16个扇区，Sn代表一个扇区；②采用两个磁传感器实时测量钻具旋转角度θ，并用时钟实时获得时间t；③每旋转一周，当θ=扇区界面角度时，记录此时的时间：t0，t1，…，tn，计算每个扇区对应的测量时间：t1-t0，t2-t1，…，tn-tn-1；④在总的测量时间内，累加旋转过程中记录的每个扇区对应的测量时间：T1，T2，…，Tn，即地层扇区的累积测量时间。

图15 扇区、时间、伽马计数示意图

(3)判别伽马测量脉冲对应的扇区。①n个扇区对应的伽马计数值归零；②当采集到一个伽马脉冲时，记录此时的测量钻具旋转角度θt，判别θt对应的扇区nt，此时将nt扇区对应的伽马计数值Cnt+1；③当测量时间结束时，累计得到伽马计数序列为：C1，C2，…，Cn。

(4)计算扇区对应的伽马测量值。扇区对应的伽马值：G1，G2，…，Gn，Gx=Cx/Tx。

3.3 数据传输

MWD按照下井前设定的传输数据组合，将测量的数据传输到地面。地面系统经过解码将近钻头伽马成像数据和上短节本身测量的总量伽马、环空压力提取出来，通过钻井现场总线协议WITS(wellsite information transfer specification)。将数据传给地面的地质导向数据处理系统[13],如图16所示。整个数据传输链包括4个数据传输过程：①近钻头伽马上短节到MWD中控系统(采用485总线)；②MWD中控系统到脉冲器，采用单片机UART(universal asynchronous receiver/transmitter)总线；③脉冲器到地面数据接收系统(采用压力波)；④地面数据接收系统到地质导向系统(采用WITS总线)。

图16 数据传输链路

3.4 主控芯片选型

伽马脉冲信号一般在1～10 μs，所有成像数据的根源都来自这些脉冲信号，所以对这些脉冲信号的检测要尽可能满足不失真。但是由于放射性统计涨落，导致伽马光子出现是一个随机状态，并不具有一定频率。在某些极端情况下，两个伽马光子产生的脉冲信号的间隔要小于10 μs，这就无可避免地造成了脉冲信号的混叠，导致采样得到的计数率存在误差。对于这种误差，在成像数据生成时，采用统计学的方法能够一定程度消除这种误差。所以在嵌入式软硬件方面只能够尽量减少因为采样或处理造成的误差，在可能的范围内使得地层放射性导致的伽马脉冲不丢失[13]。这就要求对伽马脉冲处理的速度尽可能快，以减少每一个伽马脉冲从接收到处理完成的周期，从而在相同采样率下减少失真程度。由于伽马脉冲峰值持续10 μs，认为伽马脉冲处理时间为伽马峰值持续时间的1%，即0.1 μs时，处理时间对伽马脉冲周期的贡献可以忽略不计。这就要求处理伽马脉冲的实际频率要在10 MHz以上。所以选择的主控芯片的实际处理速度必须要高于10 MHz。由于在采集伽马值的同时还要不断采集工具面及井斜的数值，选择的主控芯片必须还能够对各个任务进行调度。

4 现场实验

使用研制的近钻头伽马成像系统进行现场实验和测试，2017年5月27—31日在山东省德州市临邑县胜利油田临盘油区的商55-斜20井、盘32-斜2井两口井进行测试，完成了井下通讯及测量。工作过程中，整个系统共入井两次，信号传输可靠，工作稳定，实现伽马成像、井斜、转速、温度采集准确，采集、存储、上下短节跨螺杆无线传输通信正常、MWD传输工作正常，完成原理的样机的全功能验证，为近钻头伽马成像系统工程化应用和市场推广打下坚实的基础。

(1)商55-斜20井。5月29日19:00下井，下部钻具组合为钻头-下短节-双母接头-9 m长螺旋钻铤-上短节-螺旋钻铤。近钻头伽马成像系统下至400 m处裸眼段，30 min后起钻，起钻后在地面对上下短节中的数据进行分析，整个系统通讯常，数据采集正常，完成地层适应性检测。

(2)盘32-斜2井。5月31日17：22下井，下部钻具组合为钻头-下短节-双母接头-9米长螺旋钻铤-上短节-扶正器，近钻头伽马成像系统下至300 m处。6月1日13:30下至井底1 900 m，划眼，16:17泥浆循环并开启转盘，16:50停泵起钻，22:30起钻。仪器在地下连续工作近34 h，仪器工作稳定，数据传输正常，下钻测量的总伽马与测井伽马对比趋势基本一致，如图17所示。

图17 伽马曲线对比图

5 结论

(1)深入分析了4种不同的因素对伽马成像影响，给出了相应的对比图，通过对比论证，很好的得出随钻伽马成像在地层界面处正弦曲线高度随地层倾角的增大而增大，随地层密度的增大而减小，受井眼尺寸和泥浆密度的影响较小，受仪器偏心的影响较大，成像深度主要受地层密度的影响，受井眼尺寸、泥浆密度和地层倾角的影响较小。

(2)研制出近钻头伽马成像系统，形成了高转速8/16扇区伽马成像方法，建立了动态井斜测量方法，攻克了无线短传技术和天线耐磨抗压抗振封装技术，设计高振动机械密封结构，取得良好的效果。

(3)近钻头伽马成像系统陆续完成7口井现场试验，包括4口井循环划眼测试和3口井实钻测试，通过试验，发现和解决问题。在唐1-斜22获得实钻成功，实钻进尺1 200 m，工作时间96 h，整体仪器运行良好，这些实验为后续改进该仪器设备提供了可能。

(4)近钻头伽马成像测井技术在国际上属于前沿领域，也是该领域的高端设备，具有很高的产品附加值，其中伽马仪器几乎成为区分地层岩性必须使用的工具之一。依靠中石化在非常规勘探开发领域的专业优势，进行近钻头伽马成像系统井场快速应用推广，具有很好的经济、社会效益及广阔的应用前景。项目研究成果形成了中国石化的核心技术，打破国外技术垄断，具有良好的效益。