隨鉆多扇區方位伽馬的實現及應用

魯超　張玉　蘇瑞

摘 要：隨鉆多扇區方位伽馬測量技術是近年來發展起來的一種新型隨鉆測量技術，通過獨特的數據處理技術在鉆具連續旋轉過程中分扇區測量對應地層自然伽馬數據，用以判斷所鉆軌跡處于儲層內的相對位置、進出儲層情況等，能有效的實現在隨鉆過程中及時指導鉆頭沿最佳軌跡鉆進。

關鍵詞：地質導向;隨鉆工具;多扇區;方位伽馬;動態測量

1引言

傳統的水平井地質導向技術是在隨鉆測量工具內安裝自然伽馬傳感器，通過伽馬傳感器內的計數管來獲取其周圍巖層中放射出的γ射線的能級寬度，然后采用API 刻度傳輸至地面，判斷地層的平均伽馬。由于該技術沒有方位信息，雖然其能較好地指示鉆頭是否在儲層中行進，但當鉆頭出儲層后卻無法及時指明如何重返其中，即不具有捕捉方位信息的能力，因此不能實時、有效地獲取地層層位信息。方位伽馬測量技術是通過數據處理技術的革新，對現有的平均伽馬探測技術進行改造，使其可對指定區域地層進行測量及明確邊界，拾取地層傾角，確定地層厚度，尤其適合地質條件復雜多變且儲層厚度分布不均的儲層氣田開采領域。

2 隨鉆多扇區方位測量儀的實現原理及方法

通常情況下，鉆探定向井、水平井過程中需要實時的獲取井下鉆具相對于某一參考點的相對位置，也即一定的偏移角，在工程上稱為工具面或工具面角。工具面角在直井中通常以磁北為參考點，工程上稱這種以磁北為參考點的工具面為磁工具面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為參考點，工程上稱為重力工具面GTF（Gravity Tool Face）。重力工具面GTF是基于測量物體的當地重力場而得出的，例如重力場可以垂直于鉆具軸向。測量重力場通常利用加速度計測量的。然而在鉆具連續旋轉鉆進中要瞬時地采集計算出重力工具面幾乎是不可能的，因為井下的強振動通常都遠遠大于一個G。如何通過消除這種因鉆具旋轉對重力測量形成的干擾是實現連續旋轉中測量的關鍵。國內學者通過濾波，校驗的方法，在動態測量技術方面取得了不少成果。本文提供了一種全新的動態工具面測量的方法，一種基于磁測量的動態工具面高效準確的測量方法，可用于在任意時刻計算工程所常用的重力工具面。

在經過研究發現，各種井場中，重力工具面與磁工具面，當地磁傾角、井斜角和方位角具有一定的函數關系。且在空間內可以經過向量轉化的計算，實時可將磁向量經過一定的旋轉到工具軸線的重力向量。從而利用常規計算重力的給類計算公式計算我們熟悉的重力工具面GTF。設磁傾角為DIP，井斜角INC，方位角AZI，重力工具面角為GTF，磁工具面角為MTF，重力和為G，磁場為B。則其函數關系可以用下面的等式表示：

GTF=Function（INC，AZI，DIP，MTF）（1）

從式（1）可知，重力工具面是井斜角INC、方位角AZI和磁傾角DIP、磁工具面MTF的函數，通過該函數的計算，從原理上規避了計算重力工具面時受井下振動、旋轉所帶來的所有影響。

該方法解決了傳統測量方法無法得到動態GTF的難題，實現了扇區方位測量，并可以廣泛應用于井下要求動態GTF的各類設備中。通過以上敘述和分析，方法從原理上實現了旋轉中重力工具面的準確測量，以下介紹方位伽馬及伽馬成像如何實現。方位伽馬儀器主要利用井下扇區方位測量系統實時得到儀器的旋轉工具面，通過實時工具面的位置反饋信號，產生扇區時序控制信號，將伽馬傳感器測量值分配到劃分好的某一扇區中。

3 隨鉆多扇區方位伽馬測量儀的特點及技術指標

隨鉆多扇區方位伽馬測量儀目前有2種形式，集成在鉆井院MRC電磁波電阻率上，組成緊湊型地質導向系統。也可以制作成一根 獨立短節的形式，與其他的系統實現測量數據共享。短節上集成了伽馬測量，井斜以及環空壓力測量，伽馬測量經過標準的API刻度，測量扇區數量可以根據用戶需要設置為傳統平均伽馬，2扇區、4扇區或者8扇區方位伽馬，當然還可以擴展到16扇區測量。當前通常情況下位8扇區測量，用于實時成像和數據回放成像使用。短節中的井斜測量采用高溫抗振的封裝型井斜測量模塊，大大提高了測量的可靠性。模塊封裝體積小，功耗小，便于安裝，更加適合嵌入式系統的開發與應用。另外，短節上集成安裝的鉆具內外環空壓力測量，主要用于檢測井下循環系統的壓力情況，可以實現環空壓力的實時監測。

4 多扇區方位伽馬測量儀現場應用

方位伽馬測量參數在水平井中邊界識別原理：如果鉆頭從頂部進層時，下伽馬值首先降低，然后上伽馬值降低;從頂部出層時，上伽馬值首先抬起，然后下伽馬值抬起; 從底部進層時，上伽馬值首先降低，然后下伽馬值降低;從底部出層時，下伽馬值首先抬起，然后上伽馬值抬起; 完全進層或出層后，上、下伽馬值基本一致。依據這些原理，在水平井施工中就可以避免少出目標層，即使出層也可以及時返回目標層，提高儲層鉆遇率。

方位伽馬在勝利墾*-平2井的應用，設計目的層為Es3-8層，在水平段施工過程中按采油廠要求：穿越Es3-8層和一小夾層進入Es3-8地層并在其中穿行，直至完鉆，鉆遇率接近100%。設計模型隨時更新，指導下一步軌跡走向。下圖是在實鉆過程中的曲線及模型情況。

井深2364m確定鉆出油層，電阻率值降低，上、下伽馬值均顯著增大，且下伽馬值明顯大于上伽馬值，從下邊界出層。調整軌跡，增加井斜，使軌跡重回儲層中上部，實現了實時地質導向。通過多輪次的現場應用，隨鉆方位伽馬，伽馬成像井進一步完善和成熟，性能穩定，可靠的自主品牌指日可待。從圖1的實時方位伽馬曲線顯示可以看出，當前所鉆井眼處于靠近儲層下方位置，可能要從下方出層，需要及時增加井斜，是鉆頭重回儲層中上部。

5 結論及認識

基于動態方向測量模塊在鉆具旋轉時有效克服了傳統基于加速度計測量的所有缺陷，為井下需要動態方位、扇區測量的各類儀器提供了準確可靠的方向測量數據，并成功應用于勝利鉆井院研制隨鉆方位伽馬測量儀器?；诙嗌葏^方位伽馬、伽馬成像，多深度電阻率參數的配合使用，為成功實現隨鉆地質導向鉆井提供了又一設備利器。隨鉆方位伽馬測量儀器的成功現場試驗應用，為進一步開發隨鉆伽馬成像測量儀提供了堅實的基礎，隨著電子技術及數據壓縮技術的完善，隨鉆成像技術指日可待。

參考文獻：

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基金項目：國家科技重大專項“低滲透油氣深層高溫高壓隨鉆測控技術”（項目編號：2016ZX05021-001）