随钻方位伽马测井仪器设计及试验

方位伽马测量仪是钻井行业普遍应用的一种重要的随钻测井仪器.随钻方位伽马测井仪器能在钻井过程中有效测量地层的放射性强度,为钻井工程提供方位地质参数、区分原状地层的岩性,进而为地质导向提供地层信息.本文依托随钻伽马测井基本方法原理,简要探讨了随钻方位伽马探测器的设计方法,基于探测器安装剖面的建模条件,采用MATLAB软件详细计算了不同尺度晶体在不同钻井速度下的仪器性能指标,通过理论计算和实验验证了设计的正确性和可行性,在此基础上,阐述了随钻伽马井下测量仪器的刻度方法.现场实际应用证明,该仪器在国内地质导向系统中取得了良好的应用效果.     

基于单能窄束伽马射线算法计算高分辨率屏蔽自然伽马探测器的三维测井响应

本文应用单能窄束伽马射线理论建立高分辨率屏蔽自然伽马探测器三维测井响应的数值模拟算法.首先利用单能窄束原理,用稳态扩散方程描述伽马光子密度的空间分布,根据扩散方程基本解、放射源空间分布、探测器位置和屏蔽情况,将屏蔽探测器上的总伽马通量表示成放射性地层中的有效探测区域上的体积分和晶体表面上有效接收面的面积分形式.并根据伽马射线传播路径和探测器屏蔽情况,给出有效探测区域的解析表达式,通过数值积分法计算任意复杂情况下探测器上的自然伽马通量,获得伽马测井响应的3D数值模拟算法.并通过数值模拟结果与模型井数据的对比验证了该算法的有效性.最后通过3D数值模拟算法系统研究考察晶体形状（圆柱形晶体、方形晶体）、晶体长度、仪器在井轴中的位置（居中屏蔽探测器、贴井壁屏蔽探测器）、以及测速等不同情况下自然伽马测井响应,设计出新型高分辨率自然伽马测井仪器.     

超深随钻方位电磁波测井探测特性及参数敏感性分析

本文给出超深随钻方位电磁波测井的仪器天线设计及探测模式信号定义;分析各探测模式的探测性能及对地层电阻率、倾角及各向异性的表征能力;定义方位角、井斜角及地层电阻率的敏感性函数,定性分析不同模式对地层参数的敏感性.研究结果表明,超深随钻方位电磁波测井各探测模式具有不同探测特性,探测模式Ⅰ利用对称设计识别地层边界,消除井斜角...     

随钻双感应测井仪三维响应模拟及理论刻度(英文)

本文利用矢量有限元法模拟了一种新型的随钻双感应测井仪器在三维非均匀地层中的响应,分析了井眼、泥浆、侵入带、围岩和仪器偏心对仪器信号的影响,并对仪器刻度时的最佳刻度环参数和刻度系数进行了研究。研究表明:这种新型的随钻双感应测井仪器探测深度优于现有随钻电磁波测井仪器,并具有一定的方位探测能力。深感应和中感应具有不同的最佳刻度环参数和刻度系数,通过刻度和标定响应信号均可达到与地层电导率一致的线性关系。由于探测深度和分辨率不同,深感应和中感应受井眼等地层模型参数和仪器偏心的影响程度不一样,校正系数也不相同。文中结果对随钻双感应测井仪器的研发和资料的应用具有参考意义。     

新型贴井壁式阵列方位侧向测井数值模拟与响应特性

在现有侧向测井仪器基础上,提出了一种新型贴井壁式阵列方位侧向测井电极系,该仪器能提供径向和周向方位电阻率测量.该电极系采用贴井壁测量方式,提供5种径向探测深度.利用三维有限元方法模拟了阵列方位侧向测井电极系的井眼影响特性、径向探测特性、纵向分层能力、方位分辨能力,并模拟其对井周地层、水平井非对称泥浆侵入和倾斜地层的响应.在导电泥浆中最大探测深度为1.23m,纵向分辨率为0.3m,可以识别出0.1m薄层,方位分辨率为20°.贴井壁测量时,纵向分辨率不受泥浆和围岩电阻率的影响,能够准确测量井周方位电阻率,较不贴井壁测量具有很大优势,同时利用12条方位电阻率曲线能够反映出水平井泥浆非对称侵入特性,倾斜地层倾角和倾斜方向.     

超声成像测井换能器的实验研究

随钻超声成像测井通过钻铤的旋转实现周向扫描成像,为了提高随钻超声成像测井在周向成像测量的方位覆盖率,需要安装多个换能器同时进行测量,换能器的响应不一致则会产生错误的成像测量结果,本文通过实验测量的方法对随钻超声成像测井换能器的响应特性进行研究.实验测试系统主要由高精度定位控制系统、PXI采集系统、针形水听器、OLYMPUS 5077PR信号源、信号转换器、载物台、示波器等构成,是一个具有4自由度的小型声学定位测控系统.实验主要包括超声换能器的轴线声场测量以及指向性测量.对超声换能器的轴线声场进行测量,得到了换能器的远近场临界距离和幅度响应特性,实验表明换能器远近场临界距离在3.25 cm附近,各个换能器的幅度响应特性一致性较好.通过对换能器指向性进行测量,表明3 dB角宽大致在12°左右,换能器具有较好的聚焦特性.该研究提供一种评价超声成像测井换能器的有效方法,为仪器研制过程中的换能器匹配选择提供依据,可为超声成像测井仪器的研制提供有力支撑.     

脉冲中子双伽马谱饱和度测井方法及数值模拟研究

脉冲中子双伽马谱饱和度测井方法是利用特定的脉冲和测量时序设计,采用远、近伽马探测器记录非弹性散射和俘获伽马能谱以及伽马射线时间谱,通过获取C/O和地层宏观俘获截面等信息来确定地层含油饱和度.采用大直径仪器和BGO晶体探测器时,其采集的非弹性散射和俘获伽马能谱计数统计性优于国外仪器,重复脉冲发射中子后伽马射线时间谱仍满足指数衰减规律,且能使伽马射线时间谱的道计数累积,计数统计性好于常规中子寿命测井,得到的地层宏观俘获截面与单脉冲发射近似相同.在地层孔隙度未知的情况下,利用C/O和地层宏观俘获截面交会技术可以定量确定含油饱和度.     

大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料实时反演方法

水平井钻进过程中,地层边界的准确预测对地质导向决策至关重要.但水平井测井环境复杂,随钻方位电磁波测井响应不直观,储层性质、地层界面等信息的精确、定量评价困难.本文提出了一种适用于大斜度井/水平井随钻方位电磁波测井资料的电阻率及地层界面信息的实时提取方法.该方法主要基于以下几个技术：（1）引入滑动开窗策略将高维随钻方位电磁波测井资料的反演问题转化为多个连续窗口的一维反演问题;（2）对反演参数进行多初值初始化,结合正则化Levenberg-Marquardt算法保证解的全局最优性;（3）充分利用随钻方位电磁波测井多种探测深度信息,采用分级反演策略提高反演速度.数值和实测资料反演结果表明：降维反演方法可实现对地层界面的实时、准确提取,且适用于多数复杂地层结构和任意井眼轨迹;利用浅探测地质信号可实现随钻方位电磁波测井资料的分级反演,最终反演速度可提升10倍以上.

     

各向异性地层随钻方位电磁波测井探测特性分析（英文）

随钻方位电磁波测井仪器已广泛应用于大斜度井/水平井钻井,但地层各向异性使得地质导向及储层评价更为困难。为定量分析地层各向异性对随钻方位电磁波测井响应及资料处理影响,本文借助正反演技术,详细考察了测井响应对各向异性的敏感性及测井数据反演精度。首先,定义了敏感因子,定量分析了不同磁场分量、合成信号对各向异性的敏感性;然后,模拟了层状各向异性地层中的随钻方位电磁波测井仪器响应,对比分析了对称设计和非对称设计仪器的响应特征及对地层参数的敏感性;最后,探讨了反演模型的选取对各向异性地层界面反演精度的影响。数值模拟及反演结果表明:随钻方位电磁波测井响应受各向异性影响严重,通过对称补偿设计可降低地质信号对各向异性的敏感性,进而增强对地层界面的探测能力;各向异性地层中,视电阻率曲线出现分离及"犄角"等现象,界面附近方位信号则可能出现复杂非线性变化;反演中若不考虑各向异性的影响,难以获取准确的地层界面和电阻率信息,进而可能导致地质导向决策的失误。     

随钻方位伽马测井快速正演及定向井动态监测

钻定向井水平井已成为近些年钻井行业的热点.钻水平井过程中,地质导向起着关键作用,井眼轨迹的动态监测是其中的一个重要方面,包括沿钻进方向钻头距上下界面距离及距界面的垂直距离等,从而使井眼轨迹尽量保持在目的层中,最大限度的提高油气采收率.本文基于方位伽马测井的测量原理并结合几何特征,推导了一种随钻方位伽马测井的快速正演方法,该方法使正演计算中的复杂性大大降低,克服了利用蒙特卡罗方法正演模拟的困难.同时,本文利用方位伽马正演模拟曲线,对钻进过程中沿钻进方向上钻头到层界面距离及钻头距界面的垂直距离进行了反演计算.通过正演及反演结果对比,证明该方法在地质导向中应用的可行性.     

Ellog Auger Drilling: Three-in-One Method for Hydrogeological Data Collection

The Ellog auger drilling method is an integrated approach for hydrogeological data collection during auger drilling in unconsolidated sediments. The drill stem is a continuous flight, hollow-stem auger with integrated electrical and gamma logging tools. The geophysical logging is performed continuously while drilling. Data processing is carried out in the field, and recorded log features are displayed as drilling advances. A slotted section in the stem, above the cutting head, allows anaerobic water and soil-gas samples to be taken at depth intervals of approximately 0.2 m. The logging, water, and gas sampling instrumentation in the drill stem is removable; therefore, when the drill stem is pulled back, piezometers can be installed through the hollow stem. Cores of sediments can subsequently be taken continuously using a technique in which the drill bit can be reinserted after each coring. The Ellog auger drilling method provides detailed information on small-scale changes in lithology, sediment chemistry, and water, as well as gas compositions in aquifer systems–data essential to hydrogeological studies.     

Physical parameters measured on cores and cuttings from the pilot well (0 m–4000.1 m) of the German continental deep drilling program (KTB) in the Oberfalz area,Bavaria, Federal Republic of Germany

The project of an ultradeep drill hole (KTB) in the Oberpfalz area at the western margin of the Bohemian Massif has completed a pilot drill hole to a depth of 4000.1 m in April 1989. This well is situated only about 200m away from the main drill hole aimed at 10 km depth where drilling started in September 1990. The cores of the pilot well have a diameter of 9.4 cm or 10.16 cm, respectively. In addition to cores and cuttings there was also mud available for geochemical, petrological and some geophysical measurements. The pilot drill hole has a core recovery length of as much as 3042.6 m (about 76%), among which 193.1 m were obtained by rotary drilling and 2849.5 m by wireline drilling. Several petrophysical parameters were measured in a specially established field laboratory at the drill site immediately after sampling in order to obtain as good as possible in-situ values. Results for the following parameters are reported: density, natural gamma ray activity, velocities of seismic longitudinal and shear waves, thermal conductivity, electrical resistivity, natural remanent magnetization, magnetic susceptibility, porosity and inner surface. The methods of measurement are characterized briefly and the results of the pilot drill hole are presented and discussed in connection with the lithology and the geophysical anomalies, which have been observed on the surface.     

随钻方位电磁波电阻率测井数据精度分析及实时反演成像

随钻方位电磁波电阻率测井数据包含地层电阻率、地层边界方位及距离等信息,其中地层边界的方位和距离作为大斜度井/水平井开发过程中的重要参数,是地质导向正确决策的关键.通过反演和成像技术能够将随钻方位电磁波电阻率测井数据转换为可视化的地层参数信息.由于测井过程中上传数据有限,本文分析了不同数据的测量精度,为上传数据选取提供参考.基于传播矩阵算法和Levenberg-Marquardt算法开展了一维快速反演研究.通过实时监测模型参数质量,避免反演陷入局部极小值,保证模型参数的全局收敛性.最后,通过实测数据处理,验证了反演算法的可靠性.

     

随钻核磁共振仪器缩短回波间隔方法优化设计

核磁共振测井是一种直接探测储层孔隙流体性质的地球物理方法, 随钻核磁共振技术是在钻井过程中实时获得油气藏评价参数的技术方法.面对复杂油气藏中随钻核磁共振测量问题, 通过缩短脉冲序列的回波间隔, 可以减少仪器测量时间, 能够获得快速衰减的短弛豫组分, 实现储层孔隙结构的精细表征.本文提出了一种多级能量泄放方法, 能够逐级降低天线品质因数, 缩短天线恢复的死区时间, 在不改变回波采集信噪比的情况下, 实现脉冲序列的短回波间隔采集系统设计, 并在随钻核磁共振测井仪器实验样机上进行了测试验证.测试结果表明, 仪器回波信号信噪比良好, 振铃噪声与回波信号区分明显, 测试结果与模拟仿真结果一致, 能够实现短回波间隔数据采集, 验证了方法的有效性和实用性.

     

基于压缩感知的随钻测井编码传输方法

随钻测井是一种能在钻头钻进过程中通过安装在钻头附近的传感器实时获取和传输测井数据的技术.实时可靠高效的传输测井数据是随钻测井研究领域的关键问题.目前随钻测井系统普遍使用的测井数据传输方式是钻井液压力脉冲遥测传输.钻井液信道是一种长时延极低速单向无反馈删除信道,因此利用传统的差错控制方法无法在保障测井数据传输实时性的同时纠正信道噪声引起的实时测井数据传输错误.为此本文提出了一种基于压缩感知理论的随钻测井数据信道编码传输方法,该方法具有短码长线性编译码复杂度的优点.地面接收端通过压缩感知重构算法恢复井下测井数据,在保障测井数据传输实时性的同时使得地面施工人员能在随机删除信道条件下正确的获得全部井下实时测井数据.钻井现场真实测井数据编码实验表明,本文所提方法在不影响测井数据传输实时性的前提下大大提高了测井数据的抗信道删除能力,降低了由于信道删除带来的测井数据丢包率,而且允许测井施工人员根据实际钻井液信道状态灵活调整发送码率,以实现不同删除概率信道下的测井数据可靠传输.     

智能导钻井下随钻单芯总线信道特征及接口驱动

随钻总线系统实时收集上传井下随钻测井数据与钻井工程参数以及下达地面控制命令,通过井地传输系统,实现地面与井下之间的数据与命令交换,形成钻井控制大闭环,是完成智能导钻的关键技术环节.本文从随钻单芯总线的信道特征、总线电路及其等效模型几方面介绍智能导钻井下随钻单芯总线系统,总结了总线的最佳工作频率及负载特征,分析了总线接口的简单可靠的驱动方法,通过电路测试,验证其可靠性.研究发现单芯总线信道的特征阻抗随分布参数变化很大,导致仪器横卧与竖立状态下,通信信道特性明显不同,本文根据信道特性变化规律,避开敏感频带,并将信道特征转换成等效电路模型,进一步明确了总线系统正常工作的参数设置方法.设计的总线系统已开展井下实钻试验连续工作3口井,累计工作时间超过270 h,累计钻进5300 m以上,未发现故障,系统工作稳定.

     

随钻声波测井钻铤模式波衰减规律研究与隔声体设计

随钻声波测井技术近年来发展很快,这门技术的关键技术之一是随钻仪器的隔声设计,以保证在随钻条件下有效地测量地层的声波信号.针对普遍采用的刻槽隔声技术,本文利用三维有限差分弹性波场模拟对钻铤刻槽前、后的声波响应进行了数值模拟和理论研究.通过模拟结果的理论分析给出了钻铤波固有阻带分布规律与钻铤尺寸关系和钻铤波衰减频段与刻槽宽度、深度的关系.在此基础上,设计了一种随钻声波测井隔声体结构,给出了理论声衰减曲线和典型地层井孔中的响应特征.现场实验井测试结果表明,本文设计的隔声体结构有效地消除了钻铤直达波的干扰,能够测量到高质量地层纵波的波形和时差.     

一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵随钻声波测井辐射器

随钻三维反射声波成像测井技术可以实时地对井周围的地层构造和地质体进行成像,为地质导向钻井提供必要的信息,是下一代声波测井技术的发展方向.针对该项技术,提出了一种基于圆弧片状压电振子的相控圆弧阵声波测井辐射器,推导了该辐射器的声学性能在波数-频率域的数学描述,并采用了实轴积分的方法对该辐射器在无限大液体、井旁地层中产生的波场进行了求解.研究结果显示,无论在无限大液体中还是在充液井孔内,该声源均可以向任意方位定向辐射能量,其水平指向性图主瓣明显,旁瓣级低,具有较高的方位分辨率;相控阵技术能够使得即使在较低的频率下,该声源辐射的声场仍具有较好的方位特征;与传统的单极子反射成像技术相比,有希望利用该声源发展一种具有较好的方位分辨能力和更深径向探测深度的随钻反射成像测井方法;与偶极子反射成像技术相比,采用该声源可以在周向上360°范围内确定反射体的方位,能够消除井旁地层界面方位测量的多解性.     

用于固体矿床多分量感应测井响应模拟的矢量有限元法

本文开发了基于非结构化四面体网格的三维矢量有限元法,实现了固体矿床井眼中多分量感应测井响应的数值模拟,并分析了多分量感应测井仪器在复杂矿床模型中的响应特征.本文通过采用几何因子背景场,有效地避免了源的奇异性问题;同时,在井眼边界采用非均质网格并用Gauss-Legendre积分计算四面体单元的等效电导率.利用LU分解求解线性方程组,实现了一次网格划分多点的数值计算,提高了计算效率,从而实现快速连续的多分量感应测井模拟.非结构化的四面体网格确保了该方法可以模拟实际问题中所能遇到的复杂的矿体模型.基于水平三层分层和径向分层模型,验证了算法在各向同性和各向异性介质中的可靠性.我们还以三个不同的矿床模型为例,研究了多分量感应测井仪的不同分量的探测特性,结果表明,结合九个分量的信息,可以探测矿体的深度,也可以识别矿体的方位和走向,为精确地描述矿体的三维分布特征打下了基础.