近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統的研制與應用

胡斌 馬鴻彥 黃秉亞 姚筠 宋曉健 徐笑鷗

中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

現有隨鉆測量儀器測量點與鉆頭的距離達到15 m左右，導致測量信息滯后，無法及時準確判斷新鉆開層位的相關信息，井眼軌跡難于精確控制，不利于提高薄油層鉆遇率；并且傳統隨鉆伽馬測量儀器只能測量地層的自然伽馬強度，只能提供一條伽馬測量曲線，地質技術人員只能根據伽馬曲線判斷井眼軌跡是否出層，不能準確判斷鉆遇儲層的頂部和底部［1-2］。近鉆頭方位伽馬測量儀器通常有0.5～1 m的測量零長，能夠及時測量到鉆遇地層的巖性變化，當發生出層時，還可以根據近鉆頭方位伽馬上、下兩條伽馬曲線的形態，判斷是頂出還是底出，從而幫助地質導向人員及時做出正確的判斷，及時調整井眼軌跡，使井眼軌跡保持在儲層中［3-4］。

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量儀器的相關技術在若干年前主要被斯倫貝謝、貝克休斯等國外油氣技術服務公司壟斷，國內隨鉆測井儀器生產廠商沒有自主研發的成熟完善的近鉆頭方位伽馬測量儀器。2017年渤海鉆探定向井公司開始自主研發BHNWD 近鉆頭方位伽馬測量系統，并于2019年8月研制成功，2020年正式投入使用，目前已在華北油田、山西煤層氣田、四川頁巖氣田等多個油氣田成功完成20余口水平井的隨鉆地質導向測量作業，以故障率低、測量精確度高、地層分辨率強等特點受到好評。至今，應用BH-NWD近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統施工的水平井儲層鉆遇率均保持在93%以上，明顯高于使用常規伽馬隨鉆測量系統進行地質導向施工的水平井儲層鉆遇率。

1 近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統井下工具主要包括測量發射短節和信號接收短節兩部分。測量發射短節長0.6 m，接收短節長1 m，外徑172 mm。測量發射短節包括短節本體、電池倉、伽馬測量倉、電磁波發射天線倉和數據讀取接口。接收短節包括2個鋰電池倉、1個接收天線倉以及中控電路倉。

在鉆具組合中，測量發射短節安裝在鉆頭與馬達之間，能夠測量并存儲近鉆頭井斜角和方位伽馬參數，將數據通過電磁波發送給接收短節，發射短節由鋰電池單獨供電。接收短節安裝在馬達與MWD/LWD之間，接收近鉆頭測量數據，并將數據傳送至MWD/LWD。發射短節的井斜測點距離井底0.4 m，方位伽馬測點距離井底0.5 m。

1.1 發射短節

1.1.1 測量模塊

BH-NWD方位伽馬傳感器安置在發射短節本體外壁艙室內。該艙室內有方位伽馬傳感器、角度傳感器和傳感器信號處理電路。方位伽馬傳感器的測量半徑為0.45 m。將伽馬探測器安置在短節外壁能夠使測量系統擁有更大的探測半徑，提高了方位伽馬探測的敏銳度。

將井筒截面的一周平均分為8個扇區，在近鉆頭發射短節旋轉過程中，短節內部的伽馬傳感器對各個扇區的伽馬射線強度進行測量。方位伽馬探管采用了高頻、高分辨率的角度傳感器，實時監控伽馬傳感器的朝向，是方位伽馬實現方向性測量的關鍵組件。0扇區和7扇區的伽馬射線強度的算術平均值為上部伽馬數值。3扇區和4扇區的伽馬射線強度的算術平均值為下部伽馬數值。

如圖1所示，伽馬探測器的伽馬脈沖信號經過整形濾波處理后輸入到模數轉化電路ADC0809的輸入端，ADC0809將電脈沖信號轉化成數字信號，將數字信號提供給單片機AT89C52進行采集、檢測和處理。AT89C52可以進一步對檢測到的信號進行運算和轉換，將伽馬脈沖信號轉換成單位為API的標準伽馬值，并對測量數據進行處理。74LS573芯片是數據寄存器，在AT89C52和ADC0809之間起到數據緩沖的作用。AT89C52可以將計算完成的數據存儲在外部存儲器芯片中。

1.1.2 通信模塊

發射短節中的井斜和方位伽馬傳感器將井斜和方位伽馬測量數據傳輸到發射電路，發射電路將數據調制為電磁波信號，再由發射短節中的發射天線發射。通信模塊選擇柱狀非對稱式天線，采用6.2 kHz載波頻率，選擇高斯最小頻移鍵控作為近鉆頭電磁波短傳的基本調制方式。接收短節通過接收天線接收發射短節發送的電磁波信號，通過內部信號處理電路將電磁波信號還原為測量數據，并將數據傳送至MWD/LWD ，MWD/LWD將近鉆頭測量數據轉化成鉆井液脈沖信號，傳輸到井口的壓力傳感器和數據處理儀進行解碼。

井下近鉆頭傳感器采集的數據存儲在電子倉中的存儲器中，可編程邏輯門序列模塊組件利用協議對存儲器中的數據進行讀取，每讀取一個字節，就將該字節存儲在可編程邏輯門序列的存儲單元中進行脈沖拓展，然后利用數字信號混頻發生器對擴展后的基帶碼元進行檢測使得輸出兩種不同頻率的正弦載波，這兩種不同頻率的載波頻率分別為10 kHz和20 kHz,完成高斯最小頻移鍵控調制。頻移鍵控即當載波頻率變化時傳遞不同的信息。系統根據二進制基帶信號傳遞兩種頻率的載波，分別代表基帶信號的0和1， 10 kHz的信號代表0，20 kHz信號代表1。

圖1 發射短節測量模塊中的信號處理電路Fig. 1 Signal processing circuit in the measurement module of launching nipple

如圖2所示，高斯最小頻移鍵控是在數據流送入頻率調制器前先通過1個高斯濾波器進行預調制濾波，以減小2個不同頻率的載波切換時的跳變能量，使其在相同的數據傳輸速率時頻道間距可以變得更緊密。由于進行了高斯最小頻移鍵控預調制濾波，調制信號在交越零點不但相位連續，而且平滑過濾，因此采用高斯最小頻移鍵控技術調制的信號頻譜緊湊、誤碼率低。高斯最小頻移鍵控調制技術能夠提高通信頻譜利用率和通信質量。

圖2 高斯最小頻移鍵控調制后生成的兩種載波Fig. 2 Carrier wave with two frequencies generated after Gauss minimum frequency-shift keying modulation

在可編程邏輯門序列內部進行調制后的正弦波還是數字信息，需要利用D/A轉換器進行D/A轉化，將數字正弦載波轉化為模擬正弦波，利用一個7階巴特沃斯低通濾波器濾除高頻噪聲干擾，然后通過放大電路進行放大，由于該正弦載波信號是D/A轉換器發送出來的，因此功率很小，故需要采用同相比例放大電路進行放大，然后經過發射天線進行發射。

最小高斯頻移鍵控信號調制技術采用的信號頻率為10 kHz到20 kHz，而其他廠商其近鉆頭儀器大多采用相移鍵控調制技術，大部分以1～2 MHz的高頻信號作為通信載波。在現場應用中，經常出現在特定地層，比如山西煤層氣田的沁水盆地15號煤底部和四川頁巖氣田的龍馬溪組底部，發生發射端和接收端通信失聯的現象。發生這種失聯現象的原因是高頻相移鍵控調制信號在地層中更容易發生信號強度的衰減，在含少量鐵礦的地層中這種衰減現象更為明顯，進而發生通信失聯的現象。BH-NWD近鉆頭方位伽馬測量系統采用高斯最小頻移鍵控通信技術，信號在地層傳輸過程中能量衰減率很低，能夠很好地克服地層對電磁波信號的衰減，在特殊地層施工中，沒有發生過通信失聯的情況。高斯最小頻移鍵控調制技術的應用使BH-NWD井下儀器電磁波通信更為穩定和可靠。

1.2 接收短節

發射線圈將D/A轉換后的正弦載波通過發射天線進行發射，根據電磁感應，接收線圈應該接收到發射線圈頻率相同的正弦載波，但由于經過傳輸介質衰減，信號功率很小，因此需要通過同相比例放大電路對信號功率進行放大，放大后的信號還是模擬信號，還需要先經過A/D轉換，將模擬正弦波信號轉化為數字信號，再利用可編程邏輯門序列組件解調。解調后的信號通過接收短節中的總線轉換接口將RS232數據轉換成MWD的RS485總線數據。

如圖3所示，近鉆頭方位伽馬系統采用RS-232協議進行數據與指令通信，而MWD系統則采用RS-485協議進行數據與指令通信。RS-485采用半雙工工作方式，平衡發送和差分接收，任何時候只能有一點處于發送狀態。RS-232總線的電氣接口電路采用的是不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。轉換電路負責將MWD系統的RS-485接口轉換成RS-232通信接口，實現與方位伽馬工具的RS-232通信接口的電氣連接。該電路由主控單片機、DCDC電源模塊、低壓差線性穩壓器、RS-485通信接口芯片、RS-232通信接口芯片組成，主要實現了RS-232與RS-485的通信接口相互轉換的功能。由MWD將接收短節的輸出信號轉化成測量數據，再由MWD中的調制模塊調制成鉆井液脈沖信號，由脈沖發生器傳出。接收短節的數據轉化模塊使得近鉆頭伽馬井下測量系統能夠和公司現有的MWD儀器直接連接，實現了近鉆頭井下測量系統和MWD系統的數據協議最終一致性，使得近鉆頭方位伽馬測量數據能夠在MWD系統中進行處理。

圖3 接收短節中的通信模塊Fig. 3 Communication module of receiving nipple

1.3 地面信號數據處理系統

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統井下儀器根據組合碼規則將近鉆頭方位伽馬測量數據編制成由脈沖和時間槽構成的組合碼序列，再將組合碼序列調制成一系列鉆井液壓力脈沖信號，由井下脈沖發生器發出，脈沖信號經由鉆井液環空信道向地面進行傳輸。在信號傳輸過程中，脈沖信號容易受到泥漿泵噪聲、鉆具和立管震動引發的噪聲、電磁噪聲等噪聲信號的干擾。脈沖信號其他噪聲信號混疊在一起被地面壓力傳感器檢測。這種有大量噪聲混疊的信號需要進行有效的濾除，否則會造成地面解碼軟件解碼錯誤或是無法解碼。

近鉆頭方位伽馬隨鉆測量系統地面數據處理儀對接收到的壓力傳感器模擬信號進行濾波和功率放大以及初步的濾波處理，再將處理好的信號送入模/數轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號。數字信號輸入到數字信號處理組件中，數字信號處理組件利用快速傅里葉變換技術對信號進行解析和數字濾波，濾除噪聲干擾信號。經過數字信號處理后的數字信號，再輸送到計算機中的信號解碼軟件進行解碼，從而轉化成近鉆頭方位伽馬測量數據。

1.3.1 供電穩壓電路

如圖4所示，系統進行信號處理時，系統內部電路的工作電壓需要保持穩定。電路系統中采用LM2576芯片和電容、電感、二極管構建成系統和供電電路，同時能夠起到穩壓作用。

圖4 LM2576和其他電子器件構成的供電電路Fig. 4 Feed circuit composed of LM2576 and other electronic devices

LM2576芯片是一種降壓開關型集成穩壓電路，其內部具有較為完善的保護電路，其中包括熱關斷電路與電流限制電路等。該芯片只需極少的外圍電子器件就能構建高效穩壓電路同時還能夠實現電源電能變換，起到穩壓作用。圖4所示的電路中，VD表示續流二極管，L 表示電感，C 表示濾波電容，R1、R2 為分壓電阻，利用這兩個分壓電阻能夠完成輸出電壓的反饋輸出。

1.3.2 濾波放大電路

如圖5所示，地面系統中的壓力傳感器和深度傳感器輸出的是模擬電壓信號。模擬電壓信號比較微弱，而且摻雜著一些干擾信號，在經過地面系統的模數轉換之前需要經過濾波放大處理。模擬電壓信號首先耦合電容 C1 ，輸入到由R4、R5、VD1、R1、C2 等電子器件構成的低通濾波器，該低通濾波器能夠去除模擬信號中的高頻噪聲形成的干擾信號，經過低通濾波處理的信號再經過電容 C3將經過濾波處理后信號輸入到由VT2、VT3、VT4構成的一個放大輸出級電路，對波形進行功率放大后，再送入ADC芯片的計數端，模數轉化，通過數據運算從而得到最終的測量數據。

圖5 信號濾波整形放大電路Fig. 5 Signal filtering, shaping and amplifying circuit

1.3.3 軟件設計

BH-NWD近鉆頭方位伽馬信息處理軟件包括探管配置模塊，信號采集、處理和解碼模塊，井下參數恢復模塊，工具面模塊，解碼數據顯示模塊，司鉆通信模塊，wits交互模塊，數據存儲模塊，狀態監控模塊。軟件設計是以主程序為數據中心，與各功能模塊間進行數據交互。BH-NWD地面信息處理軟件能夠將信號去噪處理、信號解碼、井深控制、伽馬圖形顯示處理、定向信息與伽馬數據處理等多項功能集成在一個軟件界面中，和同類型儀器地面信息處理軟件相比，使用起來更為快捷、方便。

2 近鉆頭方位伽馬測量系統的成像功能

基于近鉆頭方位伽馬測量數據而形成的井眼泥質含量二維成像資料可以清晰準確地反映地層巖性特征，還可以根據這些資料進行地層構造分析，為復雜油氣藏勘探開發提供了高精度的地質導向技術［5-6］。

近鉆頭方位伽馬成像技術是利用近鉆頭方位伽馬儀器對井眼環向的空間進行測量所獲得的各扇區的伽馬數據進行匯總、編輯、處理而得到的可視化圖像技術，能更加清晰地反映地層巖性特征。當近鉆頭方位伽馬探測傳感器被選定為成像模式時，近鉆頭儀器輸出8個扇區的伽馬測量數據。地面信息處理系統將8個扇區的伽馬數據進行插值處理，同時根據動態或是靜態色度標定法，定義成像色譜，將各扇區伽馬數值按照一定的刻度規則分配不同級別的色度。最后將各扇區被分配的顏色在相應的位置顯示出來，從而生成隨鉆方位伽馬數據二維或三維圖像。伽馬成像的顯示效果與色譜的選擇有著密切的關系，一般情況下伽馬值越高則對應的顏色越深，伽馬值越低所對應的顏色就越淺。

3 現場應用

樊67平2-4L井是華北油田煤層氣分公司在沁水盆地南部晉城斜坡帶樊莊區塊布署的一口水平井。設計井深1 808.74 m，垂深614.00 m，閉合距1 292.47 m，設計造斜點250.00 m，軌道類型為直-增-穩-增-水平。該井于670 m井斜60°時下入BHNWD近鉆頭測量系統進行隨鉆測量和地質導向，該井水平段累計鉆進1 050.00 m，煤層段累計進尺1 020.00 m，鉆遇率達97%，達到設計要求。

如圖6(a)所示，在井深877 m以上為煤層，伽馬值保持在20～50 API，伽馬值較低，同時成像圖總體為淺色，說明煤層中煤的含量較高，此時的井斜為94°。在870～877 m井段成像圖橫向兩側的顏色逐漸加深，說明井眼頂部接近泥巖，底部還在煤層中。877 m以下上伽馬、下伽馬曲線數值逐漸增大，并且上伽馬曲線數值整體高于下伽馬曲線數值。上、下伽馬數值增大至90～110 API，成像圖在877 m以下顏色也逐漸加深，說明鉆頭正由煤層頂部出層，進入泥巖層。此時應該盡快調整井眼軌跡，進行降斜，使得井眼軌跡由頂部泥巖重新回到煤層中。

如圖6(b)所示，880～913 m井段上、下兩條伽馬曲線數值整體偏高，伽馬數值在120 API左右。成像圖的顏色也較深，可以確定此時井眼軌跡發生頂出。之后將井斜由94°降至88°，在913 m上、下伽馬曲線數值逐漸降低，并且下伽馬曲線先于上伽馬曲線先降低，并且成像圖顏色也變淺，說明井眼軌跡由上部泥巖層重新回到了煤層。之后上、下兩條伽馬曲線的數值保持在20～30 API，說明鉆頭回到了純度較高的煤層中。

如圖6(c)所示，在井深1 350 m之前為煤層，伽馬值保持在20～40 API。上、下兩條伽馬曲線沒有發生明顯分離，同時成像圖總體為淺色，說明此時煤層中煤含量較高，此時井斜為86°。在1 350～1 360 m井段成像圖中部顏色逐漸加深，說明井眼底部接近泥巖，頂部還在煤層中。1 350 m以下上伽馬和下伽馬曲線數值逐漸增大，下伽馬曲線先增大，上伽馬曲線后增大。上、下伽馬數值增大至90～110 API，結合成像圖在1 360 m后顏色也逐漸加深，說明鉆頭正由煤層底部出層，進入泥巖層。此時應該盡快調整井眼軌跡，進行增斜，使得井眼軌跡由底部泥巖重新回到煤層中。

圖6 方位伽馬曲線與井筒剖面成像圖Fig. 6 Azimuth gamma curve and borehole lithological image

4 結論

(1) BH-NWD近鉆頭發射短節和接收短節之間的數據通信傳輸采用了電磁波高斯最小頻移鍵控調制通信技術，和其他廠商常用的相移鍵控調制技術相比，高斯最小頻移鍵控調制通信技術能夠明顯克服特殊地層對電磁波信號的衰減作用，從而保證井下儀器良好的數據通信功能。

(2) BH-NWD井下儀器的電路系統和地面信息信號處理系統中的多個模塊組件中使用了單片機、可編程邏輯門序列等信息處理專用集成電路組件，極大地提高了方位伽馬測量系統的集成度、智能化、系統穩定性。

(3)近鉆頭方位伽馬隨鉆測量儀和傳統伽馬測量儀相比零長短，能更早探測到地層巖性的變化，并且具有上伽馬和下伽馬兩條伽馬曲線，有利于技術人員進行精確的地質導向。從現場應用情況看，采用BH-NWD近鉆頭隨鉆測量系統的水平井儲層鉆遇率均達到93%以上，明顯高于應用常規伽馬儀器施工水平井的平均鉆遇率。