基于三軸磁通門傳感器的隨鉆方位伽馬測量系統設計

呂海川， 陶海君， 熊祖根

(1中國石油集團工程技術研究院 2中國石油集團川慶鉆探工程有限公司長慶鉆井總公司 3中國石油集團川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院)

LWD工具所測數據中，最常用的是伽馬數據由連續的伽馬數據形成的伽馬曲線是區分地層邊界的最佳選擇[1]，其他的LWD數據曲線(如電阻率、密度、中子等)都要結合伽馬曲線來確定分層，然后做數據分析[2]。自然伽馬工具測量的是測點位置井眼各方向地層的平均伽馬值，當鉆具穿過不同地層，伽馬測量數值會發生變化，雖然通過伽馬曲線可以直觀地顯示鉆具穿過的層位發生了變化，但是不能判斷出是從什么方位穿過層位分界的。在儲層較薄且地層存在不規則彎曲的情況下，僅靠自然伽馬數據，不能給采取準確的回調措施帶來更多的參考信息；不準確的回調措施存在降低儲層鉆遇率的風險[3]。方位伽馬是對自然伽馬的優化升級，給測量數據加上方位信息，即按照重力方向把測點的圓周等分為4、8或者16扇區，硬件測量和軟件計算相結合，測出每個扇區的伽馬數據。通過實時的上、下扇區伽馬數據曲線，在鉆具偏離儲層時，可以分析出鉆具偏離儲層的方向，這樣就可以采取正確的回調措施，及時正確調整鉆具返回儲層，減少儲層鉆遇率損失[4]。通常，劃分扇區依據的標準是重力工具面，在硬件上使用沿探管徑向和軸向分布的三軸正交重力加速度計，經過軟件計算出某個時刻的重力工具面并對應到相應的扇區。重力加速度計對震動和離心力都比較敏感，鉆井作業時的震動以及復合鉆進時的旋轉，都會對重力加速度計測量結果產生較大的影響，降低重力工具面的計算精度。在井斜和方位變化不大的情況下，重力工具面和磁性工具面之間角差相對固定，而磁通門不受震動和離心力影響，使用磁通門替代重力加速度測量和計算扇區，可以在隨鉆作業過程中，測量出準確的扇區位置。使用三軸磁通門代替兩軸磁通門的優點是可以檢驗磁通門傳感器是否處于正常工作狀態，確保測量數據正確。應用三軸磁通門技術設計扇區測量系統的方位伽馬工具，可以在震動較強、復合鉆進等工況狀態下提供準確的方位伽馬數據，為地質導向作業提供有效的方位數據，可優化井眼軌跡，提高儲層鉆遇率。

一、基本原理

方位伽馬測量系統，是在自然伽馬的基礎上，把井壁等分為若干扇區，實時計量出各個扇區內的伽馬數據[5]。自然伽馬數據通常由NaI晶體和光電倍增管構成的閃爍計數器來測量，地層各方向的伽馬射線都可以進入晶體形成計數，所以自然伽馬測量的是井眼平均伽馬。方位伽馬工具需要對晶體屏蔽，只留一定大小的窗口，只有窗口所在位置地層的伽馬射線進入到晶體中，經過光電倍增管形成計數，其他位置的伽馬射線不能穿透屏蔽層。這種帶有檢測窗口和屏蔽結構的伽馬傳感器，稱為聚焦伽馬傳感器。

通過旋轉聚焦伽馬傳感器，就可以實現對井眼圓周位置不同方向的伽馬射線按照劃分的扇區進行測量。聚焦伽馬傳感器不具備識別方向的功能，需要與扇區檢測模塊相配合，實現方位伽馬計數。通常測量位置按照重力工具面所在圓周可劃分為4、8或者16個扇區。扇區檢測模塊用來檢測當前開窗位置所在的扇區，通過計數軟件模塊，把每個扇區的伽馬計數準確地歸入到對應扇區計數數組項中，這樣得到方位伽馬數據。在實際的作業中，受泥漿脈沖器傳輸速率的限制，往往會實時上傳4扇區數據，重點分析上下扇區伽馬曲線；在井下工具中存儲8或者16扇區數據，用來做地層成像數據處理。

扇區是根據重力工具面角來劃分，高邊為上，低邊為下。計算重力工具面常用的傳感器是重力加速度計，通過安裝在探管徑向相互垂直的X、Y重力加速度計來測量和計算重力工具面，再由重力工具面算出當前扇區。在實際的作業中，重力加速度計很容易受到鉆具震動和旋轉離心力的影響，嚴重降低計算精度。利用磁性工具面與重力工具面在井斜和方位角相對穩定的區域內角差相對固定的特點，使用磁通門代替重力加速度計計算工具面。用兩個安裝在儀器徑向的互相垂直的兩個磁通門X和Y，在儀器靜態時，采集磁通量，計算出磁性工具面，同時采集并計算出在該位置下的重力工具面，算出兩者之間的角差。磁通門受到震動和旋轉的影響很小，在工具鉆進的過程中，實時測量磁性工具面，根據角差計算出重力工具面，獲得當前伽馬探管的開窗位置，由此得到窗口所在扇區，為伽馬計數模塊提供較準確的扇區信息。

重力工具面角GTF與磁工具面角MTF之間的角差GM是地磁在鉆具橫截面上的投影與高邊的夾角，只與井斜角α和方位角β有關，與鉆具轉動角度(即GTF自身)無關，如圖1所示。而磁工具面角MTF可由兩軸磁通門(X軸、Y軸)的測量值直接解算而得出，且磁通門的測量精度幾乎不受震動沖擊和旋轉工況的影響。所以，在連續旋轉條件下，對重力工具面角的實時測量，可轉化為對磁工具面角的實時測量，然后再利用兩者間的角差GM進行補償。

圖1 重力工具面與磁性工具面關系圖

二、系統設計

整個方位伽馬測量系統由硬件和軟件兩大子系統組成，硬件子系統實現扇區檢測和伽馬測量，軟件子系統實現以扇區為單位的伽馬計數。從系統功能的角度來劃分，分為扇區檢測模塊和伽馬計數模塊更為合理，前者實現扇區測量，軟件與硬件相結合，后者實現針對扇區的伽馬計數，主要以軟件算法為主。

1. 扇區測量模塊設計

扇區測量模塊的功能是給伽馬計數模塊提供準確的扇區指示，并計算實時轉速。扇區測量模塊要求在靜態狀態下，精度達到±0.2°；旋轉狀態下，精度達到±2°。在滑動鉆進和復合鉆進過程中，扇區測量精度不小于±2°。

扇區測量模塊由兩個子系統組成：硬件子系統和軟件子系統。其中硬件子系統由三軸磁通門及與之配套的激勵電路、AD采樣電路組成；軟件子系統實現測量控制和數據計算，并對外輸出扇區指示。

1.1 傳感器選型

使用磁通門替代重力加速度計實現扇區測量。根據功能和性能要求，選擇TRI-MAG-210C型三軸磁通門作為扇區測量模塊用的磁傳感器，該磁通門的主要技術指標見表1。

表1 TRI-MAG-210C技術指標

選用其中的X軸和Y軸作為檢測軸，Z軸輔助檢測和確認磁通門工作狀態正常，確認測量數據不超標。

1.2 扇區測量模塊結構設計

磁通門模塊需要外部提供+5VDC和-5VDC供電，內置激勵電路，輸出三軸模擬電壓信號，信號范圍[-3 V,+3 V]。為提高采樣精度，使用獨立的AD采樣模塊，選擇ADS1220系列AD轉換芯片，該芯片高精度、低功耗，支持24 bit高精度模數轉換。

為提高測量響應速度，使用獨立的MCU管理扇區測量模塊。扇區測量模塊與MWD和伽馬計數模塊之間通過485數據總線通訊，扇區測量模塊與伽馬計數模塊之間通過特定的IO管腳實現扇區指示。

整套系統使用統一的電源供電，電源電壓20VDC。電源進入扇測模塊后，通過一個專用設計的電源模塊，轉換為±5 V電源輸出，給三軸磁通門供電。

采用485數據總線連接各個模塊，實現數據通訊。485總線具有穩定可靠、可掛接多個子節點的有點，適用于工業產品應用。系統結構圖見圖2。

圖2 扇區測量模塊結構示意圖

1.3 扇區測量算法

扇區測量模塊的主要功能是向伽馬計數模塊提供扇區指示，同時，在靜態時響應來自上位機的工具面查詢請求。扇區測量算法的流程如圖3。

圖3 扇區測量算法流程圖

準確地計算出磁性工具面和重力工具面之間的角差，是保證扇區計量結果準確的基礎。必須在儀器處于靜態的時候，測量出這兩個工具面，計算出角差。為提高測量數據的精度，可使用MWD測斜儀測量結果作為計算參考量。

扇區測量模塊中，計算扇區是優先級最高事件，一旦測量定時到時，要優先計算出當前位置的扇區數據，在伽馬開窗跨越扇區時及時給出扇區指示。低優先級事件可以在扇區定時到時之前去響應。

為降低系統符合，還可以對扇區測量算法進行優化，加入一定的預測機制。根據前一圈的轉速，預測本圈每個扇區的到達時間。

2. 伽馬計數模塊設計

方位伽馬計數模塊設計的重點在伽馬計數和扇區對應兩個方面。要求準確、穩定、能夠動態反映出伽馬的變化，為地質導向控制提供可靠的參考數據。

2.1 伽馬計數算法設計

伽馬射線具有放射性漲落[6]，在相等的時間間隔內做重復測量，每次記錄的數值是不同的。放射性漲落是微觀世界的客觀現象，與測量條件無關。如果按照實時測量值來上傳，就會得到波動性很大的數據，無法以此為依據來判斷巖性。為降低波動性，需要增加測量時間，在一定的測量時間內，伽馬測量結果會相對穩定。較直接的伽馬計數算法是設定一個計數周期T，在計數周期內，累計伽馬計數n，計數期滿之后，把計數結果n轉換成對應的API值[7]，作為測量結果；同時啟動下一輪計數。這種方法的優點是簡單、穩定、易于實現，只要T設置恰當，伽馬測量結果就會保持相對穩定。不足在一輪計數中期內，上報給上位機的結果都是一樣的，T值較大的話，有可能漏掉地層細節。

改進的算法是，把T再細分為更小的時間間隔t，每隔時間t完成一個計數項并保存，再啟動下一個t時間計數。當上位機需要伽馬數據時，從最近的一個已經完成的計數項開始，逆向累加各個計數項的時間和伽馬計數，直到累加時間≥T，把伽馬計數結果n轉換成對應的API值。這樣的算法改進，不僅保持了伽馬測量穩定的優點，同時又使伽馬測量具備實時性，尤其是在地層變化時，能夠精細地反映出地層變化的細節。在算法實現上，要求在內存中開辟至少(int)[(T+t-1)/t]+1個數據項，用來記錄每個t周期的測量數據。

2.2 扇區計數算法設計

扇區計數算法，是在伽馬計數算法的基礎上，為每個數據項增加了方位信息，即扇區信息。每個數據項由三個基本元素組成：計數時間、伽馬計數和扇區。每完成一個數據項的條件為：計數時間到達周期t，或者儀器旋轉到下一個扇區。當上位機要某個扇區的伽馬測量值時，從最近的已經完成的計數項開始逆向查找，對比扇區號與當前要查找的扇區一致，然后累加時間和伽馬計數值，當計數時間累加夠T時，用伽馬計數累加和換算出API值返回。這個算法的優點是數據穩定性好，同時兼顧了實時性；不足之處在于內存占用較大。假設劃分為8個扇區，則在理想勻速旋轉的狀態下，每轉一圈需要時間t，則至少(int)[(T+t-1)/t]×8+1個數據項。如果轉速提高，一圈的時間小于t，則需要按比例增加數據項。在實測中記錄到，復合鉆進中，近鉆頭位置的轉速會達到240 r/min以上，在這種情況下，每個扇區的時間只有30 ms。假設T為30 s，至少要8 000個以上的數據項，對內存要求很高。

上述的算法雖然易于實現，但是內存占用高，能夠滿足應用的單片機的選擇范圍會大大縮小。對算法做適當改進，在保證性能的基礎上，降低內存占用。把每個數據項的元素改為：計數時間、伽馬計數數組[8]，其中伽馬計數數組分別對應1～8個扇區。計數時間片依然使用t，在時間片t內，按照扇區模塊的指示，把伽馬計數寫到對應的數組項中；時間滿t，本數據項計數完成，開始使用下一個數據項計數。這個算法，雖然增加了實現的復雜度，但是解決了數據項數與轉速的關聯關系，數據項數不再受到轉速影響，有效地降低系統對內存容量的要求。

2.3 伽馬刻度方法

因為方位伽馬對自然伽馬探管做了屏蔽處理，需要對方位伽馬儀器做刻度，得到準確的刻度系數k；同時，為確保數據統一，把計數轉換到API標準中。為確?？潭认禂档臏蚀_性，使用二級刻度器進行標定刻度。首先在低值刻度模塊中，計數時間Tc，得到計數值N1；再放置到高值刻度模塊中，計數時間Tc，得到計數值N2。高低刻度模塊標稱值差為A，刻度系數K=(N2-N1)/A，用這個系數完成伽馬計數與API值的轉換。

三、現場試驗情況

2017年11月6日至11月11日，方位伽馬工具在山西臨汾大寧3-7向2水平井進行現場試驗。鉆具組合：PDC鉆頭+螺桿+扶正器+無磁鉆鋌+MWD懸掛短節+鉆鋌(13根)+鉆桿，其中測量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實時上傳工具面、上下左右四扇區方位伽馬數據，地面軟件繪制上下方位伽馬曲線。

試驗井段為1 980～2 491 m，總進尺511 m，循環時間198 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.1 g/cm3，黏度45～55 s。整個試驗過程中，儀器工作正常。

鉆進至2 122 m左右時，曲線顯示下伽馬數據開始增大，隨后上伽馬數據增大，增大之后兩條曲線又穩定重疊。從伽馬數據變化分析，鉆具從砂巖進入泥巖，離開儲層。經過觀察方位伽馬曲線，下伽馬先變化，判斷為鉆具從下方穿出儲層。調整鉆進方向，在2 140 m時，上伽馬開始變小，隨后下伽馬也開始降低，后兩條伽馬曲線穩定重疊，數據顯示為進入砂巖。經過與測井數據對比，確認這一段進入到泥巖，調整后返回儲層，如圖4所示。

根據方位伽馬曲線顯示的鉆具與層位變化關系，準確地采取回調措施，及時返回儲層，降低鉆遇率損失。實時方位伽馬數據以及數據變化趨勢，與測井數據吻合，儀器工作正常，數據可靠。

圖4 方位伽馬曲線

2018年5月25日至6月1日，方位伽馬工具在四川德陽中江江沙203-7HF井進行實鉆試驗，該井為水平井，設計井深3 126.05 m。方位伽馬工具入井井深2 461 m，鉆具組合：?215.9 mm鉆頭+?172 mm單彎螺桿+尾扶+回壓凡爾+無磁鉆鋌+鉆桿(35柱)+加重鉆桿(23柱)+轉換接頭+加重鉆桿(16柱)+鉆桿，測量工具組合為居中式方位伽馬+定向探管。實時上傳工具面、上下左右四扇區方位伽馬數據，地面軟件繪制上下方位伽馬曲線。

試驗井段為2 461～3 095 m(提前完鉆)，總進尺634 m，循環時間108 h，排量30 L/s，鉆井液密度1.85 g/cm3，黏度45～55 s。整個試驗過程中，儀器工作正常。

鉆進至3 012 m時，下伽馬數據變大，疑似穿出儲層，但測量的伽馬數據小于泥巖內伽馬值，結合工程參數的井斜角判斷，分析為鉆具下部接近層位邊緣，于是調整鉆進方向，增斜處理，大約10 m之后，整個鉆具返回到儲層。對伽馬數據做定量分析，確認當時并未進入泥巖，而是接近儲層邊緣。由于調整及時，未引起偏離儲層，保證了鉆遇率。如圖5所示。

圖5 方位伽馬曲線

經過與測井數據對比，方位伽馬測量數據與伽馬測井數據一致。

四、結論

(1)方位伽馬工具在自然伽馬工具的基礎上增加了方位信息，可分辨井眼不同方向的地層伽馬數據，方位伽馬數據能為提高儲層鉆遇率提供基礎參考數據；同時存儲在工具中的高密度多扇區伽馬測量數據，可繪制成像伽馬圖，豐富地層信息，判斷地層傾角，更好地服務于油氣勘探開發。

(2)使用三軸磁通門代替重力加速度計進行扇區檢測有理論依據，磁通門具有不受震動和旋轉干擾的優勢，在復合鉆進的過程中實時精度測量方位伽馬數據，為地質導向決策提供依據。

(3)方位伽馬工具可用于居中式工具串中及近鉆頭短節中，在薄儲層和復雜地層作業中可優化鉆井軌跡，且方位伽馬工具穩定可靠、操作簡單、維護方便，經濟性好，因此具有良好的應用前景。