CGDS近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)搭載伽馬成像技術(shù)

潘興明，張海波，石 倩，王 晨，李明印

(1.中國石油工程技術(shù)研究院有限公司 北京石油機(jī)械有限公司，北京 102206；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

CGDS近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)是中石油自主研發(fā)的具備測(cè)量鉆頭電阻率，方位電阻率，方位伽馬等近鉆頭地質(zhì)參數(shù)的地質(zhì)導(dǎo)向工具，其方位電阻率和方位伽馬傳感器呈圓周180°布置，可以通過擺動(dòng)工具面實(shí)現(xiàn)具有方位性的地層電阻率和伽馬測(cè)量[1]。但是，隨著近年來鉆井提速及頁巖氣水平井大規(guī)模開發(fā)，各大油田對(duì)近鉆頭方位伽馬成像技術(shù)的需求日益迫切。目前，國外三大油服公司都已掌握該項(xiàng)高端技術(shù)且對(duì)國內(nèi)實(shí)施技術(shù)封鎖，國內(nèi)目前還未出現(xiàn)成熟的近鉆頭伽馬成像產(chǎn)品規(guī)模化應(yīng)用。

CGDS經(jīng)歷約10 a的產(chǎn)業(yè)化過程，已經(jīng)完成穩(wěn)定性、可靠性優(yōu)化改進(jìn)，現(xiàn)已具備成本低，續(xù)航時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。為響應(yīng)油田現(xiàn)場(chǎng)需求，CGDS項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)著手立項(xiàng)研發(fā)近鉆頭伽馬成像技術(shù)。CGDS前期產(chǎn)業(yè)化過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)選電路元器件，實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)小型化集成設(shè)計(jì)，將CGDS原電路系統(tǒng)多塊電路板集成為1塊電路板，從而在短節(jié)艙體上釋放了2個(gè)倉槽空間，為下一步搭載伽馬成像電路創(chuàng)造了空間。

1 近鉆頭伽馬成像技術(shù)國內(nèi)外研究簡(jiǎn)況

1.1 國外近鉆頭伽馬成像儀器

國外各大油服公司在近鉆頭伽馬成像技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平，他們研發(fā)制造的近鉆頭伽馬成像儀器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。例如Schlumberger公司的IPzig，Baker Hughes公司的ZoneTrak，Halliburton公司的GABI都是出色的近鉆頭伽馬成像導(dǎo)向儀器。這些儀器的共同優(yōu)勢(shì)在于傳感器距離鉆頭非常近，使得伽馬探測(cè)器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)相較于鉆頭處真實(shí)數(shù)據(jù)滯后時(shí)間大幅減少；在近鉆頭伽馬成像方面，它們可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸、處理8扇區(qū)隨鉆方位伽馬數(shù)據(jù)，同時(shí)支持16扇區(qū)隨鉆方位伽馬數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以備起鉆后讀取成像[2]。

1.2 國內(nèi)近鉆頭伽馬成像儀器

國內(nèi)各大石油研究院也相繼研究出了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近鉆頭伽馬隨鉆儀器，有一些帶有初步的方位伽馬測(cè)井功能。典型代表有中國石油公司推出的第1代地質(zhì)導(dǎo)向儀器CGDS-1,以及中國石化勝利研究院于“十二五”期間推出的SL-NBGST地質(zhì)導(dǎo)向儀器。

表1為國內(nèi)研發(fā)的儀器與國際先進(jìn)水平的近鉆頭伽馬成像儀器的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。從表1可以看出，國內(nèi)近鉆頭方位伽馬儀器在成像精度及耐溫等級(jí)上與國外先進(jìn)儀器存在較大差距，所以研究開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的近鉆頭方位伽馬成像儀器，有助于對(duì)超薄油藏和非常規(guī)油氣儲(chǔ)層等的開發(fā)，還對(duì)于打破國外技術(shù)壟斷具有重大意義。

表1 國內(nèi)外主要近鉆頭伽馬成像儀器技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2 CGDS近鉆頭伽馬成像技術(shù)

2.1 儀器結(jié)構(gòu)及功能

傳統(tǒng)的隨鉆伽馬測(cè)量儀器所測(cè)參數(shù)為地層的平均伽馬值，不具備方向性。當(dāng)測(cè)量參數(shù)反映出軌跡已經(jīng)不在儲(chǔ)層時(shí)，無法確定鉆頭是“底出”還是“頂出”，因此也無法確定如何調(diào)整井眼軌跡使鉆頭返回儲(chǔ)層[3-6]。近幾年興起的新型隨鉆測(cè)量技術(shù)——隨鉆伽馬成像測(cè)量技術(shù)通過對(duì)儀器的方位響應(yīng)進(jìn)行刻度，準(zhǔn)確得出每個(gè)扇區(qū)方位地層的響應(yīng)貢獻(xiàn)。因此，高轉(zhuǎn)速方位精確測(cè)量及校正技術(shù)是研制伽馬成像儀器的關(guān)鍵技術(shù)之一。

近鉆頭伽馬成像測(cè)井儀可以搭載的伽馬探頭數(shù)量為1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)等，實(shí)時(shí)測(cè)量不同方位的自然伽馬放射性強(qiáng)度。本次搭載伽馬成像技術(shù)的CGDS儀器使用1個(gè)伽馬探頭實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆井時(shí)的上下伽馬測(cè)量，下一步擬計(jì)劃安裝2個(gè)伽馬探頭實(shí)現(xiàn)復(fù)合及定向工況下的上下伽馬測(cè)量。如果需要，還可以將扇區(qū)配置為4、8或16個(gè)方位進(jìn)行測(cè)量，起鉆后讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)成像。

CGDS所用脈沖器基于正脈沖信號(hào)傳輸方式，鑒于傳輸能力有限，本儀器只將扇區(qū)中最上方和最下方的伽馬值傳輸?shù)降孛?。扇區(qū)中最上方的伽馬測(cè)量值簡(jiǎn)稱為“上伽馬”，最下方的伽馬測(cè)量值簡(jiǎn)稱為“下伽馬”。地質(zhì)導(dǎo)向工程師根據(jù)上、下伽馬值判斷鉆頭在地層中的位置，預(yù)測(cè)井眼相對(duì)傾角的變化趨勢(shì)，從而及時(shí)調(diào)整鉆頭前進(jìn)方向，實(shí)現(xiàn)鉆頭在油藏最佳位置鉆進(jìn)，提高儲(chǔ)層鉆遇率。

如圖1所示，儀器從頂部進(jìn)入儲(chǔ)層時(shí)，軌跡下方地層伽馬值首先降低，然后軌跡上方地層伽馬值降低；從頂部出層時(shí)，軌跡上方地層伽馬值首先升高，然后軌跡下方地層伽馬值升高；從底部進(jìn)層時(shí)，軌跡上方地層伽馬值首先降低，然后軌跡下方地層伽馬值降低；從底部出層時(shí)，軌跡下方地層伽馬值首先升高，然后軌跡上方地層伽馬值升高；完全進(jìn)層或出層后，軌跡上下方地層伽馬值基本一致[3]。

2.2 電路組成

在CGDS原有電路系統(tǒng)中融入上下伽馬測(cè)量功能，完成伽馬成像測(cè)量電路架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括方位扇區(qū)測(cè)量電路及伽馬計(jì)數(shù)模塊測(cè)量電路[7-9]。如圖2～3所示。

儀器中安裝的三軸磁阻傳感器和三軸加速度傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)計(jì)算出儀器重力工具面、方位角和磁工具面等信息，并通過這些信息將儀器軸向界面分成多個(gè)測(cè)量扇區(qū)[10-14]，并將每個(gè)扇區(qū)中所測(cè)量的伽馬數(shù)據(jù)與其相結(jié)合得到帶有“方向性的伽馬數(shù)據(jù)”。

圖3 伽馬成像方位扇區(qū)測(cè)量電路模塊

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將伽馬成像樣機(jī)短節(jié)裝夾于車床之上，如圖4，利用其旋轉(zhuǎn)工件的特點(diǎn)模擬儀器在井下的旋轉(zhuǎn)工況，在短節(jié)上方懸掛類地層核素模擬地層。因?yàn)轭惖貙雍怂匚挥趦x器(伽馬傳感器)正上方，所以當(dāng)儀器工具面為0°時(shí)，測(cè)得伽馬值應(yīng)為最大，工具面為180°時(shí)最小。以上2個(gè)扇區(qū)的伽馬值分別為上伽馬值，下伽馬值。

圖4 伽馬成像樣機(jī)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

通過車床旋轉(zhuǎn)樣機(jī)，測(cè)得54、95、125、170、225、300 r/min 6種不同轉(zhuǎn)速下的上下伽馬值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示，表明樣機(jī)已經(jīng)初步具備高轉(zhuǎn)速下方位精確測(cè)量及伽馬成像測(cè)量功能。

此外，還對(duì)伽馬成像測(cè)量單元及方位扇區(qū)數(shù)據(jù)測(cè)量融合單元及伽馬傳感器進(jìn)行抗振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明方位扇區(qū)測(cè)量功能在強(qiáng)振動(dòng)條件下解算出穩(wěn)定工具面，扇區(qū)測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

圖5 伽馬成像樣機(jī)室內(nèi)旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

CGDS搭載近鉆頭伽馬成像技術(shù)2套樣機(jī)先后在吉林油田讓70-4-12井，乾246F平11-5井，伊22-2-3井完成3井次現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，其中1#儀器累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間533 h，循環(huán)356 h，純鉆293 h，這表明CGDS電池續(xù)航時(shí)間已經(jīng)達(dá)到500 h，循環(huán)時(shí)間超350 h。

表2為儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用主要數(shù)據(jù)匯總。

表2 CGDS伽馬成像儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)

CGDS現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)通過CGMWD正脈沖泥漿傳輸系統(tǒng)將近鉆頭伽馬成像模塊測(cè)量的扇區(qū)中最上方和最下方的伽馬測(cè)量值實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛娴牡刭|(zhì)導(dǎo)向軟件平臺(tái)，從而判斷鉆頭在地層中的位置，并及時(shí)調(diào)整鉆頭鉆進(jìn)方向，以保證鉆頭在儲(chǔ)層最佳位置中穿行。圖6為CGDS地面軟件輸出的上下伽馬曲線圖。采用隨鉆方位伽馬進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向施工，利用方位伽馬、伽馬成像技術(shù)的邊界效應(yīng)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層邊界，從而確定進(jìn)入儲(chǔ)層的最佳時(shí)機(jī)，并提高對(duì)井眼軌跡的控制能力和儲(chǔ)層鉆遇率，進(jìn)而更好地指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井施工。

4 結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明伽馬成像技術(shù)已經(jīng)完全融入CGDS近鉆頭地質(zhì)導(dǎo)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了CGDS測(cè)量功能的初步升級(jí)。通過不斷迭代，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，目前CGDS已經(jīng)具備穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。下一步擬將圍繞這一成熟的系統(tǒng)方案，繼續(xù)升級(jí)其核心的測(cè)量及傳輸功能，包括實(shí)現(xiàn)全工況伽馬成像技術(shù)、電阻率成像技術(shù)、自適應(yīng)無線短傳技術(shù)、電磁波遙測(cè)技術(shù)、連續(xù)波脈沖傳輸技術(shù)、并且完成儀器耐高溫等級(jí)提升。

圖6 CGDS實(shí)時(shí)上傳上、下扇區(qū)伽馬數(shù)據(jù)曲線