CN108625845A - 一种随钻方位伽马解耦刻度方法及刻度装置 - Google Patents
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Abstract
一种随钻方位伽马解耦刻度方法及刻度装置利用刻度装置测量并记录每个扇区模拟地层的伽马计数值和放射性强度API真值，每次伽马仪器零线对准刻度装置标记线的扇区刻度系数始终为K1，顺时针或逆时针相邻扇区的刻度系数，通过本次测量得到一个由计数值、刻度真值和待求解刻度系数组成的关系方程；按照上述方法依次记录和测量其他扇区地层的伽马计数值，直到伽马仪器测量完所有扇区模拟地层为止；通过记录各扇区在一定时间内的测量计数值，利用计数值、刻度真值以及刻度系数之间建立的关系方程，通过数值方法求解得到每个方位对伽马仪器的贡献量，进而计算出对应地层的真实放射性强度，从而得到地层的真实放射性强度，便于地质资料对比和地层界面识别。
Description
技术领域：
本发明涉及一种在石油钻井工程中用于伽马/方位伽马/伽马成像仪器标定和测试方法，更具体的讲是用于随钻测井领域每部分地层对方位伽马测量数据贡献大小的解耦刻度方法。
背景技术：
岩石中含有天然的放射性核素，钻井行业所用到的自然伽马随钻测量(NaturalGamma Ray Log)，是用伽马射线探测器测量岩石总的自然伽马射线强度，以研究井剖面地层性质的测井方法。
传统的随钻或电缆伽马测井仪器往往是利用刻度井或刻度器来实现伽马计数率与伽马API单位之间的刻度。发表于1985年SPWLA上的“A NEW MEASUREMENT-WHILE-DRILLING GAMMA RAY LOG CALIBRATOR”、1988年SPWLA的“API PIT CALIBRATION OF MWDGAMMA RAY TOOLS”以及2011年University of Houston大学发布的“UH(API)NuclearLogging Calibration Facility”等文献分别揭示了几种伽马刻度装置和刻度方法，发表于1999年石油仪器第13卷4期的“自然伽马测井刻度的论述”也详细讨论了刻度的物理原理和刻度方法，对伽马刻度提出了具体的实施步骤和操作措施。
上述文献有如下缺陷，第一，只专注于对伽马仪器进行API单位刻度，未提及伽马扇区或井周方向上的方位响应，更没有提及对伽马仪器的方位响应进行刻度。第二，伽马刻度井实施严格苛刻，制作成本高昂，不利于推广应用。第三，刻度井井眼尺寸较小，其内径小于5英寸，而大多数MWD/LWD伽马工具的外径尺寸为6英寸至12英寸，无法满足随钻伽马的标定和测量。
为了实现多扇区方位伽马测量或方位伽马成像，与之相对应的伽马/方位伽马/伽马成像仪器刻度和测试装置及测试方法等都是必须的。
发表于《Steroids》，2002，题为“Design,Calibration,Characterization,andField Experience of New High-Temperature,Azimuthal,and Spectral Gamma RayLogging-While-Drilling Tools“公布了一种高温方位能谱随钻伽马测井工具的设计、标定、特性和现场实验，揭示了高温方位能谱随钻伽马测井工具与常规电缆伽马工具的异同，尤其指明了用常规休斯顿大学的一级API刻度井进行LWD工具刻度的局限性与不适性。该文献为了克服API刻度的局限性，特意设计了两种刻度标准，一种标准针对外径为4.75英寸的伽马仪器，另一种标准针对外径为6.75英寸的伽马仪器，而未提及其他外径尺寸的仪器，这种利用刻度系数进行校正的方法只能看作是当外径尺寸变化不大时的一种折衷，不能彻底解决各种仪器尺寸的影响。另外，该文献仅是利用API刻度装置，未提及对其有任何改进。
上述文献主要涉及自然伽马仪器的放射性强度刻度，实际上，由于随钻测井仪器中的晶体大小受到严格制约，当划分为多个方位扇区进行测量时，每一个扇区的伽马计数较低，能够测量到的涨落误差较大，致使整体测量精度降低。发表于2009年的SPE118328，题为“A New Azimuthal Gamma at Bit Imaging Tool for Geosteering Thin Reservoirs”公示了一种用于伽马实验室测试的花岗岩地层以及用于测量的花岗岩源，但是没有提到伽马仪器的测试方法，也未提及该测试装置的具体尺寸和具体的使用步骤。另外，Halliburton、Weatherford和Schlumberger等公司也多有提到采用点放射源来模拟不同方位的放射性地层，虽然可以较好的显示仪器方位响应，但是放射源的使用受到环保部门的严格管控，同时，不同伽马仪器结构不同，径向尺寸差别大，受放射源的放射位置、放射强度，介质等因素影响，用同一个点源测量所有的伽马仪器显然是不现实的。
综上所述，随着伽马工具种类增多，方位成像难度加深，早期的刻度装置越来越不适应现代随钻伽马仪器的标定和刻度，对于测试方法简单、应用面广，测量快速准确的装置和测量方法的需求增大。
发明内容：
本发明为了克服上述一个或多个不足或缺陷，量化了方位伽马仪器的方位响应规律，提供一种求解井周不同方位的地层对方位伽马测量数据贡献大小的随钻方位伽马解耦刻度方法及配套的刻度装置。
本发明的技术方案包括：
一种随钻方位伽马解耦刻度方法，测量并记录每个扇区模拟地层的伽马计数值和放射性强度API真值，每次仪器零线对准刻度装置标记线的扇区刻度系数始终为K1，顺时针(或逆时针)相邻扇区的刻度系数依次为K2，K3，…，Kn。通过本次测量得到一个由计数值、刻度真值和待求解刻度系数组成的关系方程；顺时针(或逆时针)转动伽马测量仪器，使仪器的零线对准下一扇区模拟地层的标记线，同样该扇区模拟地层的刻度系数为K1，相邻扇区的刻度依次为K2，K3，…，Kn，再次得到一个由计数值、刻度真值和刻度系数组成的关系方程。按照上述方法依次记录和测量其他扇区地层的伽马计数值，直到伽马仪器测量完所有扇区模拟地层为止。其特征是通过记录各扇区在一定时间t内的测量计数值(M1，M2，M3，…，Mn)，利用计数值、刻度真值以及刻度系数之间建立的关系方程，由于刻度系数(未知数个数)和方程个数相等，通过数值方法求解得到每个方位对伽马仪器的贡献量，进而计算出对应地层的真实放射性强度，其中n为2的整数倍。
根据得到的n扇区方位响应，可以扩展到2扇区、4扇区、8扇区、16扇区以及其他扇区配置的方位伽马仪器刻度。根据伽马仪器在刻度装置中的得到的32扇区方位响应，将1号和32号扇区两次测量的平均值，可以作为16扇区地层中的1号扇区方位响应，得到16扇区地层的方位响应贡献量。按照上述方法依次类推，可以得到8扇区、4扇区、2扇区以及其他扇区数配置地层装置的方位响应特征，以及每部分岩石对仪器响应的贡献量。
一种随钻方位伽马解耦刻度方法，认为扇区刻度影响系数与每一根伽马仪器结构、传感器安装位置有关，而与地层或刻度装置的刻度量值无关，因此，通过任意已知标准的刻度装置对伽马仪器进行刻度，即可求出对应于每只仪器唯一的刻度系数向量。
一种随钻方位伽马解耦刻度方法，认为刻度装置的放射性强度是依据API标准经过刻度的高放和低放岩性，刻度装置的类型、尺寸、放射性强度范围符合国家环保部门相关规定，但不局限于由扇区状岩石组成的刻度装置这一种形式。
利用一种随钻方位伽马解耦刻度方法，解耦得到的扇区刻度影响系数以及仪器扇区测量值，就可以通过数值方法反算得井下钻遇地层的真实放射性强度。
本发明的技术方案还包括基于上述方法的刻度装置，包括：用于支撑伽马钻铤或伽马仪器的支撑坐架；支撑坐架为环空结构，内部轴心向上固定有伽马钻挺支撑轴，支撑坐架外围带有环状支架，环状支架上部放置测试骨架；测试骨架为轴向通孔的环状结构，测试骨架的通孔与伽马钻铤或伽马仪器构成套装间隙配合；测试骨架沿轴向通孔向外划分有2的整数倍数个扇区，扇区内用于存放岩性填充单元，测试骨架的顶面设置刻度对焦码盘，刻度对焦码盘上设有与每个扇区对应的连续数字标记，在刻度对焦码盘上部的伽马钻铤或伽马仪器上固定有与单一扇区对应的对焦指针；所述刻度对焦码盘为一个光扫描装置，与待测伽马钻铤或伽马仪器的零线同轴或同步。
该刻度装置方案还包括：所述伽马钻挺支撑轴与支撑坐架通过轴承构成旋转配合；伽马钻挺支撑轴与驱动电机通过齿轮啮合组件联动驱动；所述一个岩性填充单元至少为一种单一岩性，其材质为自然界存在的岩石，包括页岩或砂岩，用于生成具有特定岩性特征的地层。
所述岩性填充单元为具有一定弧度的弧环柱形结构，且具有一定厚度；所述岩性填充单元具有不同尺寸，且具有组合能力，即几种不同尺寸的岩性填充单元可组合使用。
将所述具有某个岩性的填充单元放入骨架扇区1位置，将其余骨架扇区位置装入具有不同岩性特征的岩性填充单元，使整个测试装置只在扇区1位置具有特定岩性，而在其余扇区位置具有另外一种或几种岩性。
所述测试骨架划分为32个扇区，所述扇区顺时针或逆时针标为1，2，3…,32，并具有包括刻度线、色标及同步线标志。
本发明的随钻方位伽马解耦刻度方法的优点是，量化了井下实际地层井周不同方位的岩性地层对方位伽马仪器不同扇区的方位响应规律，提高了方位伽马仪器的方位灵敏性和测量精度。方位伽马在地层中的任何方位的响应是所有方位的综合贡献，通过定量刻度，确定每个方位对测量数据的贡献量，准确评价地层的放射性强度，便于测井资料对比和定量解释。本发明所涉及的刻度装置设计是一种真实的具有1/32高放射性、剩余为低放射性的地层模型，解耦刻度方法利用其方位响应灵敏性，用来刻度井周每个扇区地层对于仪器响应的贡献。本发明所涉及的刻度装置和刻度方法更加符合仪器的响应区域及特征，因此利用该方法完成的刻度效果会优于目前国外使用的点放射源刻度或半井刻度方法。通过建立一种简单高效的具有1/32扇区高放射性、剩余扇区为低放射性的地层模型和装置，利用其方位响应灵敏性，解耦计算井周每个扇区地层对于仪器响应的贡献。该刻度装置和刻度方法能够更加精确描述仪器的响应区域及特征，且结构简单，测量快速，具有可实施性。通过求出对应于每只仪器唯一的刻度系数向量，可以得到井下所钻遇地层的真实放射性强度，显著提高仪器的方位灵敏性和测量精度。
附图说明：
图1一种随钻方位伽马解耦刻度方法采用的刻度装置示意图；
图2一种随钻方位伽马解耦刻度方法解耦刻度流程；
图3本发明优选实施例的16扇区方位伽马计数与刻度系数关系；
图4本发明优选实施例的32扇区方位伽马计数与刻度系数关系；
具体实施方式：
下面结合优选实施例和说明书附图对本发明作进一步描述。
根据本发明优选实施例的一种用于随钻方位伽马解耦刻度方法的刻度装置，该解耦刻度方法适用于该测试装置，且不仅限于该装置，还可应用于其他类测井装置例如中子密度电阻率等具有方位分辨功能的装置。
上述刻度装置包括以下具体部件：多个岩性填充单元1、伽马测试骨架2、伽马钻铤3、光电刻度对焦码盘4、对焦指针5、伽马钻铤支撑轴6、齿轮啮合组件7、驱动电机8、支撑坐架9及相应固定件。伽马测试骨架2内面有卡槽(图中未示出)，用于嵌置各种不同的岩性填充单元。伽马测试骨架2按圆周均匀分为32个分区，顺时针编为1、2、3……32个扇区。伽马测试骨架2也可设置为16、8、4个分区，或64个及以上分区。
岩性填充单元为具有一定弧度的弧环柱形的页岩、砂岩等自然界存在的岩石构成。岩性填充单元具有高放和低放两种岩石特征：具有某个岩性的填充单元放入骨架扇区1位置，将其余骨架扇区2-32位置装入具有不同岩性特征的填充单元，使整个测试装置只在扇区1位置具有特定岩性，而在其余扇区位置具有另外一种岩性。
光电刻度对焦码盘4沿圆周被均匀分为32个分区，为了易于区分，不同的分区会被涂以不同颜色。光电刻度对焦码盘4固定在伽马测试骨架2上，且每个刻度分区与伽马测试骨架2的分区数目一致且对齐。光电刻度对焦码盘4与伽马测试骨架2类似，也可根据需要制成16、8、4个分区，或64个及以上分区。
如图2所示：本发明所述的一种随钻方位伽马解耦刻度方法的解耦刻度流程，其中图2-a用于完成图1中一种用于随钻方位伽马解耦刻度方法的刻度装置的岩性填充单元的API值标定，得到每个填充单元的API刻度真值。图2-b是利用图2-a得到的岩性填充单元的放射性强度(计数值)对随钻方位伽马仪器的解耦刻度方法流程。其中图2-b的前述步骤“传递标准井API值”和“计算刻度装置API”值特别应用于已经获取每个填充单元的API刻度真值的情形下直接使用。即图2-a所列流程并非是图2-b所述流程的必要前提。
按照国家SY/T 6720-2008《自然伽马能谱测井刻度器标准方法》，来标定每个填充单元的API刻度真值(A1，A2，A3，…，A32)。首先准备已经标定过的标准自然伽马刻度筒作为伽马刻度参考标准。使用CANBERRA等自然伽马标准探测仪器采集刻度筒计数，从而得到标准自然伽马刻度筒计数值与自然伽马标准探测仪器采集刻度筒计数值对应转化系数K，再使用CANBERRA等自然伽马标准探测器采集图1所示一种随钻方位伽马解耦刻度装置高放射性和低放射性岩石样块的计数值，通过前面得到转化系数K，计算得到实现该方法的刻度装置的高放射性和低放射性地层模型的API值，从而对填充单元完成标准井API值的传递，计算得到刻度装置岩石填充单元的API值。
图2-b是利用图2-a得到的高放射性和低放射性地层模型的API值对随钻方位伽马仪器的解耦刻度方法流程。仪器标定时将待刻度的方位伽马仪器放入图1所述测试装置骨架中心位置，齿轮啮合组件7、驱动电机8、钻铤支撑轴6、支撑坐架9及相应固定件完成伽马仪器转动，使方位伽马仪器的零线对准扇区上的测量标定线，进行方位伽马仪器定位对焦。
方位伽马仪器定位对焦时，光电刻度对焦码盘对焦指针5安装在伽马钻铤3的外壁，且与伽马钻铤仪器轴线垂直。光电刻度对焦码盘4沿圆周被均匀分为32个分区，为了易于区分，不同的分区会被涂以不同颜色。光电刻度对焦码盘4固定在伽马测试骨架2上，且每个刻度分区与伽马测试骨架2的分区数目一致且对齐。光电刻度对焦码盘4与伽马测试骨架2类似，也可根据需要制成16、8、4个分区，或64个及以上分区。光电刻度对焦码盘4的每个1/16扇区1之下对应一个同样16扇区分区的一个岩性填充单元，光电刻度对焦码盘4内壁与岩性填充单元1的内壁对齐。
完成方位伽马仪器定位对焦后，保持试验装置静止，记录一定时间内当前扇区位置伽马仪器采集的扇区方位总的计数值。当完成1个扇区岩性样块的伽马计数值的测量后，按顺时针(逆时针)方向测量第2个扇区岩性样块的计数值，直到所有32扇区测量完成。测量过程中，每个扇区的测量时间必须相同。为了保证测量结果的准确性，可以依次32扇区测量完毕后，再进行多轮次的测量，然后对每个扇区的测量值取平均，也可以对一个扇区进行相同时间的多次测量后，再进行下一个扇区的测量。所有扇区的测量工作完成后，进行解耦刻度系数的计算。利用每个扇区的总计数值(M1，M2，M3，…，M32)，以及刻度装置每一扇区岩石样块的放射性API刻度真值(A1，A2，A3，…，A32)，通过计数值、刻度真值与待求解的每部分地层对伽马仪器响应的贡献量(K1，K2，K3，…，K32)之间的数值关系构造矩阵方程：M＝A*K，通过数值方法可解出各扇区地层对方位伽马仪器响应的贡献量，进而计算出对应地层的真实放射性强度。
图3是根据本发明优选实施例的伽马测试装置下方位伽马解耦刻度方法。该为一个16扇区分区的解耦刻度示例。3-a设计的刻度井是1/16的高放、其余为低放，仪器旋转时可以得到在16个方位的响应。根据图2所示的解耦刻度流程，得到如下关系方程：
其中，
通过数值方法可以解出各扇区地层对方位伽马仪器响应的贡献量。用仪器在16扇区地层中1和16扇区两次测量的平均，作为8扇区地层中的1号扇区。根据得到的16个扇区的方位响应，可以得到8扇区、4扇区甚至半地层的方位响应特征。3-b图是解耦计算的每个扇区地层对于仪器响应的贡献，结果显示利用此方法计算的仪器响应贡献量(刻度因子)，可以降低背面和侧面地层对仪器的贡献，提高正面和背面的贡献比以及侧面与背面的贡献比，从而得到地层的真实放射性强度，便于地质资料对比和地层界面识别。
图4为一个32扇区分区的解耦刻度示例。4-a设计的刻度井是1/32的高放、其余为低放，仪器旋转时可以得到在16个方位的响应。根据图2所示的解耦刻度流程，得到如下关系方程：
其中，
通过数值方法可以解出各扇区地层对方位伽马仪器响应的贡献量。用仪器在32扇区地层中1和32扇区两次测量的平均，作为16扇区地层中的1号扇区。根据得到的32个扇区的方位响应，可以得到16扇区、8扇区、4扇区甚至半地层的方位响应特征。4-b图是解耦计算的每个扇区地层对于仪器响应的贡献，结果显示利用此方法计算的仪器响应贡献量(刻度因子)，可以降低背面和侧面地层对仪器的贡献，提高正面和背面的贡献比以及侧面与背面的贡献比，从而得到地层的真实放射性强度，便于地质资料对比和地层界面识别。
Claims (7)
1.一种随钻方位伽马解耦刻度方法，其特征是：利用刻度装置测量并记录每个扇区模拟地层的伽马计数值和放射性强度API真值，每次伽马仪器零线对准刻度装置标记线的扇区刻度系数始终为K1，顺时针或逆时针相邻扇区的刻度系数依次为K2，K3，…，Kn，通过本次测量得到一个由计数值、刻度真值和待求解刻度系数组成的关系方程；顺时针或逆时针转动伽马测量仪器，使仪器的零线对准下一扇区模拟地层的标记线，同样该扇区模拟地层的刻度系数为K1，相邻扇区的刻度依次为K2，K3，…，Kn，再次得到一个由计数值、刻度真值和刻度系数组成的关系方程；按照上述方法依次记录和测量其他扇区地层的伽马计数值，直到伽马仪器测量完所有扇区模拟地层为止；通过记录各扇区在一定时间t内的测量计数值M1，M2，M3，…，Mn，利用计数值、刻度真值以及刻度系数之间建立的关系方程，由于刻度系数和方程个数相等，通过数值方法求解得到每个方位对伽马仪器的贡献量，进而计算出对应地层的真实放射性强度，其中n为2的整数倍数。
2.如权利要求1所述的随钻方位伽马解耦刻度方法，其特征是：所述的刻度装置根据伽马仪器在刻度装置中的得到的n扇区方位响应，将1号和n号扇区两次测量的平均值，作为n/2扇区地层中的1号扇区方位响应，得到n/2扇区地层的方位响应贡献量，按照上述方法依次类推，得到8扇区、4扇区、2扇区以及其他扇区数配置地层装置的方位响应特征，以及每部分岩石对仪器响应的贡献量。
3.一种应用于权利要求1或2所述的随钻方位伽马解耦刻度方法的刻度装置，其特征是包括：用于支撑伽马钻铤或伽马仪器的支撑坐架；支撑坐架为环空结构，内部轴心向上固定有伽马钻挺支撑轴，支撑坐架外围带有环状支架，环状支架上部放置测试骨架；测试骨架为轴向通孔的环状结构，测试骨架的通孔与伽马钻铤或伽马仪器构成套装间隙配合；测试骨架沿轴向通孔向外划分有2的整数倍数个扇区，扇区内用于存放岩性填充单元，测试骨架的顶面设置刻度对焦码盘，刻度对焦码盘上设有与每个扇区对应的连续数字标记，在刻度对焦码盘上部的伽马钻铤或伽马仪器上固定有与单一扇区对应的对焦指针；所述刻度对焦码盘为一个光扫描装置，与待测伽马钻铤或伽马仪器的零线同轴或同步。
4.如权利要求3所述的刻度装置，其特征是：所述伽马钻挺支撑轴与支撑坐架通过轴承构成旋转配合；伽马钻挺支撑轴与驱动电机通过齿轮啮合组件联动驱动；所述一个岩性填充单元至少为一种单一岩性，其材质为自然界存在的岩石，包括页岩或砂岩，用于生成具有特定岩性特征的地层。
5.如权利要求4所述的刻度装置，其特征是：所述岩性填充单元为具有一定弧度的弧环柱形结构，且具有一定厚度；所述岩性填充单元具有不同尺寸，且具有组合能力，即几种不同尺寸的岩性填充单元可组合使用。
6.如权利要求5所述的刻度装置，其特征是：将所述具有某个岩性的填充单元放入骨架扇区1位置，将其余骨架扇区位置装入具有不同岩性特征的岩性填充单元，使整个测试装置只在扇区1位置具有特定岩性，而在其余扇区位置具有另外一种或几种岩性。
7.如权利要求3所述的刻度装置，其特征是：所述测试骨架划分为32个扇区，所述扇区顺时针或逆时针标为1，2，3…, 32，并具有包括刻度线、色标及同步线标志。
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