CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀研制

王俊超, 陳輝, 衛(wèi)一多, 陳緒濤, 安旅行, 范思航

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710065; 2.中國石油集團(tuán)測井有限公司隨鉆測井中心, 陜西 西安 710054)

0 引 言

隨鉆測井具有地質(zhì)導(dǎo)向、實(shí)時(shí)地層評(píng)價(jià)和減少占井時(shí)間提高鉆井時(shí)效等優(yōu)點(diǎn),其作業(yè)量增長迅速[1]。密度測井對(duì)于計(jì)算地層孔隙度有著重要的作用,斯倫貝謝、貝克休斯和哈里伯頓等測井公司均推出了各自的隨鉆密度測井儀,并成功地進(jìn)行了商業(yè)化應(yīng)用[1-2]。

中國石油集團(tuán)測井有限公司立項(xiàng)研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的補(bǔ)償密度隨鉆測井儀(Chemical Source Compensated Density,CSCD)。本文介紹了儀器機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路組成及井下軟件流程,重點(diǎn)討論了應(yīng)用于實(shí)鉆環(huán)境中安全可靠的源倉結(jié)構(gòu),探討了建立適合隨鉆測井環(huán)境的密度刻度方法,分析了儀器在標(biāo)準(zhǔn)井中的試驗(yàn)情況。

1 測井原理及儀器結(jié)構(gòu)

補(bǔ)償密度測井是利用137Cs向地層輻射伽馬射線,再利用與源不同距離的2個(gè)探測器測量經(jīng)過地層散射和吸收后的伽馬射線強(qiáng)度。根據(jù)γ射線與物質(zhì)間的相互作用關(guān)系,在源強(qiáng)和源距一定的情況下,地層的密度值越高,探測器接收到的散射伽馬計(jì)數(shù)率就越低。為消除儀器探測器與地層之間的泥漿間隙的影響,用近探測器獲取的信息對(duì)遠(yuǎn)探測器進(jìn)行校正補(bǔ)償,從而獲得地層密度[3],即

ρb=ρL+Δρ

(1)

式中,ρb為地層密度,g/cm3;ρL為長源距視密度,g/cm3;Δρ為密度補(bǔ)償值,g/cm3,Δρ是ρL-ρS的函數(shù),其中ρS為短源距視密度,g/cm3。

CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀由鉆鋌主體、短源距探測器、長源距探測器、電子線路組件、137Cs伽馬源及源倉等組成,儀器探測器及電子線路采用側(cè)壁開槽安裝(見圖1)。為了與國產(chǎn)MWD系統(tǒng)及其他LWD儀器配接通訊,儀器上下兩端為泥漿導(dǎo)流套,通訊、供電口采用7芯魚雷結(jié)構(gòu)。儀器整機(jī)裝機(jī)尺寸長度約為2.5 m,主體直徑為4.75 in*非法定計(jì)量單位,1 in=25.4 mm,下同。為保證機(jī)械強(qiáng)度,鉆鋌主體材料采用進(jìn)口P550無磁不銹鋼。為了在隨鉆測井過程中更好貼合井壁,儀器鉆鋌主體在源倉及探測器部分作了變徑處理。

圖1 補(bǔ)償密度隨鉆測井儀總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 儀器電路組成

儀器電路部分包括由NaI晶體和光電倍增管組成的一體化的長短源距探測器、信號(hào)溫度補(bǔ)償電路、前置放大電路、采集通訊處理電路、電源及濾波電路(見圖2)。低壓電源電路將來自電池或者泥漿發(fā)電機(jī)的28.8 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V和24 V這2路輸出,分別供采集通訊板中數(shù)字電路使用及模擬電路使用。高壓電源電路將24 V轉(zhuǎn)換為1 600 V的負(fù)高壓用于把進(jìn)入NaI晶體內(nèi)的伽馬射線轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào),該信號(hào)提供給前置放大電路進(jìn)行放大、鑒別、分頻和整形處理。經(jīng)整形處理后的脈沖信號(hào)進(jìn)入采集通訊電路,用于計(jì)數(shù)和存儲(chǔ)處理,同時(shí)部分采集數(shù)據(jù)通過MWD的井下系統(tǒng)以泥漿脈沖方式上傳至地面進(jìn)行實(shí)時(shí)處理?？紤]到儀器工作環(huán)境惡劣,為提高儀器的抗振能力和信號(hào)穩(wěn)定,前置放大模擬電路采用了厚膜封裝技術(shù)處理。

圖2 CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀電路框架圖

3 井下程序主要流程

CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀使用的處理器是TI公司基于ARM7TDMI內(nèi)核的SM470R1B1M-HT耐高溫芯片,可在-55～220 ℃極端范圍內(nèi)工作。它擁有豐富的外設(shè)通訊資源、多個(gè)精簡計(jì)時(shí)器(HET)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力,非常適合隨鉆儀器使用。隨鉆測井儀器需要及時(shí)將井下測量數(shù)據(jù)及處理結(jié)果存入儀器內(nèi)部存儲(chǔ)器;設(shè)計(jì)選用具有1 GB內(nèi)存的Flash存儲(chǔ)器,耐溫性能達(dá)到175 ℃。

ARM7芯片實(shí)現(xiàn)的控制流程見圖3。儀器上電之后,單片機(jī)開始工作,等待有效指令。一旦有效指令被接收,單片機(jī)將按設(shè)置進(jìn)行硬件環(huán)境、系統(tǒng)參數(shù)以及存儲(chǔ)器初始化工作。初始化結(jié)束后,儀器進(jìn)入延時(shí)狀態(tài);該階段結(jié)束后儀器進(jìn)入對(duì)遠(yuǎn)近伽馬脈沖計(jì)數(shù)、處理及存儲(chǔ)階段。具體過程:2個(gè)精簡計(jì)時(shí)器在采樣時(shí)間內(nèi)完成對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)后提出中斷申請(qǐng),MPU響應(yīng)后將長短2個(gè)計(jì)數(shù)通道一起依次封裝為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)幀,并將其放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū),當(dāng)緩沖區(qū)存儲(chǔ)幀達(dá)到設(shè)定數(shù)量,全部數(shù)據(jù)被一次性寫入Flash存儲(chǔ)器一頁,并將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的地址往后順延一頁。整頁存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式可以避免頻繁訪問Flash芯片,從而提高ARM7芯片的使用壽命及效率。

圖3 井下軟件主流程圖

圖4 源倉結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

4 儀器的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 源倉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆具鉆井時(shí)受到振動(dòng)、沖擊、磨損和泥漿沖刷等情況十分突出,放射源的安全和可靠是隨鉆密度測井工作的前提。CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀的137Cs測井源為美國QSA公司隨鉆測井專用源。此類源內(nèi)核采用玻璃熔澆工藝制作,不溶于水;外層采用雙層承壓包殼焊接密封,由MP35N高強(qiáng)度合金包殼制成,通過了210 MPa高壓試驗(yàn),防止變形和泄漏,安全級(jí)別高。為解決源固定的可靠性、抗沖刷和安裝等問題,項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)了具有雙保險(xiǎn)側(cè)壁式安裝結(jié)構(gòu)的隨鉆密度源倉[4]。

源倉由密度大、屏蔽效果好的鎢鎳鐵合金制成[見圖4(a)]。源倉上部前后兩端分別設(shè)置有用于固定其位置的兩凸耳和臺(tái)階,下部設(shè)計(jì)有橫向貫穿彈性卷銷孔。源倉在安裝時(shí),依靠其凸耳內(nèi)的螺釘和橫向貫穿鉆鋌及源倉的彈性卷銷予以固定[見圖4(b)]。在鉆鋌的相應(yīng)部位加工源倉槽、通孔和臺(tái)階孔等[見圖4(c)]。臺(tái)階孔內(nèi)安裝有定位螺母并用螺釘固定在鉆鋌上。放射源一端通過螺紋固定在定位螺母上,另一端被套裝在與通孔螺紋連接的源帽內(nèi)。源帽上設(shè)置有開口擋圈,防止其松脫,進(jìn)而防止源的脫落,避免重大測井事故發(fā)生。該結(jié)構(gòu)將泥漿沖刷轉(zhuǎn)移到定位螺母和源帽上,避免了放射源受到?jīng)_刷,有效保護(hù)了源,降低了測井裝備的使用成本。

4.2 刻度關(guān)系建立

為了建立密度測井工程值與儀器測量γ射線計(jì)數(shù)率間的關(guān)系,必須在儀器下井前進(jìn)行刻度[5]。石油工業(yè)測井計(jì)量站的密度基準(zhǔn)井是由純度較高的石灰?guī)r、砂巖、白云巖以及混凝土和有機(jī)玻璃等模塊堆砌而成,其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,密度測量范圍大,并且含有液壓推靠裝置,能保證儀器在合適的井眼與井壁貼合良好[6-7]。選擇基準(zhǔn)井井徑為200 mm的9口標(biāo)準(zhǔn)井(密度分別為1.684、2.17、2.295、2.432、2.64、2.703、2.864、2.916 g/cm3)進(jìn)行測量,再分別對(duì)每口井依次加4個(gè)不同厚度的輕、重泥餅(5、10、15、20 mm)進(jìn)行測量。在實(shí)鉆環(huán)境中儀器不會(huì)一直貼井壁測量[8]。為了模擬儀器與井壁泥漿間隙帶來的影響,設(shè)計(jì)了可以控制儀器與井壁距離的間隙控制工裝。刻度過程中利用工裝對(duì)每一口井各測量4種間隙,得到不同間隙下的計(jì)數(shù)值。

圖5為利用無泥餅影響時(shí)不同材質(zhì)井中的長源距計(jì)數(shù)率、短源距計(jì)數(shù)率和地層密度數(shù)據(jù)擬合得出的長、短源距視密度計(jì)算公式,分別為

ρL=-0.5245 lnNL+5.4634

(2)

ρS=-2.2822 lnNS+22.1196

(3)

式中,NL是長源距探測器計(jì)數(shù)率,C/s;NS是短源距探測器計(jì)數(shù)率,C/s。

圖5 長源距和短源距視密度擬合公式

ρb計(jì)算的準(zhǔn)確與否取決于泥漿間隙Δρ的補(bǔ)償準(zhǔn)確度;Δρ是ρL-ρS的函數(shù)。以ρL-ρS為橫坐標(biāo),Δρ(Δρ=ρb-ρL)為縱坐標(biāo),曲線擬合其關(guān)系式(見圖6),可得Δρ擬合公式為

Δρ=0.3284(ρL-ρS)2+0.7122(ρL-ρS)-0.0159
R2=0.9824

(4)

根據(jù)ρb=ρL+Δρ即可得儀器的補(bǔ)償密度計(jì)算公式。

圖6 泥漿間隙補(bǔ)償值曲線擬合公式

圖7 臺(tái)2標(biāo)準(zhǔn)井補(bǔ)償密度隨鉆井儀測井曲線圖

5 儀器標(biāo)準(zhǔn)井測井試驗(yàn)

儀器完成刻度,在湖北江漢油田臺(tái)2標(biāo)準(zhǔn)井中進(jìn)行了測井試驗(yàn)。臺(tái)2井于2001年完鉆,套管下深792 m。根據(jù)現(xiàn)有資料確定測量井段為1 000～1 100 m。利用刻度計(jì)算公式,2支補(bǔ)償密度隨鉆測井儀測井曲線見圖7所示,2支儀器測得曲線一致性很好,且曲線起伏形態(tài)與電纜密度測井變化一致,巖性識(shí)別符合現(xiàn)有資料解釋。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀針對(duì)隨鉆工作環(huán)境,機(jī)械設(shè)計(jì)上研發(fā)了雙保險(xiǎn)側(cè)壁安裝式源倉結(jié)構(gòu),將泥漿對(duì)放射源的沖刷轉(zhuǎn)移到定位螺母和源帽上,確保放射源在復(fù)雜的實(shí)鉆環(huán)境中工作安全;數(shù)據(jù)處理上提出了適合隨鉆密度環(huán)境刻度方法——泥漿間隙密度補(bǔ)償值曲線擬合法,校正儀器不能貼井壁測井帶來的誤差。

(2) 補(bǔ)償密度隨鉆測井儀已在標(biāo)準(zhǔn)井取得了合格的測井曲線,將盡快投入現(xiàn)場隨鉆測井應(yīng)用中。

(3) 國外測井公司同類產(chǎn)品的測量精度達(dá)到了±0.015 g/cm3,通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理方法提高CSCD補(bǔ)償密度隨鉆測井儀測量精度將是今后工作的重點(diǎn)方向。

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