随钻方位伽马测井仪测量的是岩层中自然存在的放射性核素衰变过程中放射出的γ 射线的能级宽度, 通过闪烁计数器俘获来自地层的伽马射线, 采用API（标准刻度自然伽马）刻度后可同时应用于裸眼井和套管井施工中^[1]。地层中放射性元素发射γ 射线, 随钻测量工具内的自然伽马探测器探测到γ 射线并产生光子^[8], 使用光电倍增管对光子进行加速使其转换成电脉冲, 然后对电脉冲及其他获取的测量参数信号进行编码, 使其转换成串行信号, 通过井下装置将该信号传输至地面设备, 由地面计算机对信号进行解码处理^{[9, 10, 11]}, 并与测量的井深数据进行匹配得到具有实时方位信息的地层伽马数据, 供地质导向人员根据伽马数据的变化来辅助进行地质导向。

常规的随钻自然伽马测量仪虽然能够指示井眼轨迹是在砂岩储层中还是在非储层中^[3], 但是在水平段井眼轨迹钻出砂岩储层后, 常规的随钻自然伽马测量数据没有方位信息, 无法用于确定井眼轨迹是从上面, 还是从下面钻出储层, 不能及时指示如何钻回储层。近钻头方位伽马除了具有常规随钻伽马的功能外, 其测量的伽马数据还具有方位信息, 当井眼轨迹钻出储层后, 可以明确地指示地质导向人员如何调整井眼轨迹回到储层中; 近钻头方位伽马短节同时测量的井底井斜、方位、工具面等工程信息^{[12, 13, 14]}, 还可使地质导向人员对井眼轨迹进行精准控制。

随钻方位伽马测量仪通常将2个探测器对称安装于钻铤表面（图2a）, 用来记录来自探测器对应地层的伽马射线。在钻进中, 探测器随井下钻具一起旋转, 利用井下扇区方位测量系统（图2b）分时、分区累计来自各探测器对应地层的伽马射线^[8], 经过实体刻度及修正技术得到国际通用的API数据来进行地质导向。

图2

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	图2 方位伽马结构及测量扇区分布示意

受井下测量工具信号传输速率的限制, 施工中为了减少数据的传输量, 一般会对伽马探测器周边测量数据进行合成, 将8个方位的测量数据合成为上、下、左、右4个方位的伽马值, 仅将上、下两个方位的伽马测量值实时传输到地面^[12]。需要注意的是, 有的方位伽马仪器是集成在无磁钻铤上或无磁钻铤内部, 其测量时不是贴靠在井壁进行测量, 测量数据受井眼大小、钻井液密度及钻井液钾含量等影响较大, 但这些影响可以通过地面数据处理软件予以回归校正^[1]。

近钻头方位伽马导向仪器主要有探管式和钻铤式两种（图3）。探管式仪器长度1 600 mm, 钻铤式仪器长度1 240 mm, 适用于通用井眼和215.9~241.3 mm之间的井眼, 伽马测量范围为0~500 API, 测量扇区为存储8扇区测量数据, 可实现对钻遇地层360° 全井周的精确描述, 并实时上传上、下两个方位的测量数据。测量环境在100 API、测量速度18.3 m/h情况下, 仪器的伽马测量精准度为± 5 API。仪器测量垂直分辨率为152.0 mm, 在钻井过程中进行测量时最大旋转速度能达到300 r/min, 能够在175℃以下的环境中进行工作。

图3

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	图3 探管式、钻铤式近钻头方位伽马导向仪器

东胜气田J 30-6-P2井为中国石化华北油气分公司在东胜气田J 30井区部署的一口开发水平井, 以下石盒子组盒1下3段为主要目的层新建产能。该井设计A靶点垂深3 495.00 m, B靶点垂深3 490.50 m, 靶前距300 m, 水平段长1 500 m, 闭合方位166° 。由于完钻后只能通过对水平段的射孔、压裂改造来释放产能, 甲方要求本井着陆过程中要严格控制靶前距, 尽可能减少靶前损失。

原地质设计及导向模型认为, 本井侧钻段钻至垂深3 487.93 m时进入储层, 进入储层7.07 m着陆。本井实际钻进至斜深3 621 m（垂深3 488.68 m）时, 井斜角80.66° , 下伽马突然由52 API上升至114 API, 此时钻遇砂岩储层垂厚仅1.2 m, 地质导向方根据区域及邻井资料综合分析后认为本井目的层发生相变。为此, 汇报讨论后甲方要求在不损失靶前距的情况下下探砂岩, 满足条件后尽快着陆。地质导向方据此下发指令, 决定以井底井斜稳斜钻探储层砂岩顶, 当下探至斜深3 685 m（垂深3 496.17 m）时, 下伽马先于上伽马减小, 方位伽马值变化明显且下伽马值由122 API下降至36 API（图4）, 地质导向方认为已经钻遇目的层储层, 汇报后钻进至斜深3 690 m（垂深3 496.72 m）, 以井斜83.83° 及时着陆。最终, 本井侧钻段在目的层砂岩顶垂深较设计后推8.27 m的情况下成功着陆, 且A靶点靶前距为308.47 m, 较原设计仅损失了8.47 m的靶前距, 圆满完成了侧钻段的施工任务。

图4

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	图4 J 30-6-P2井近钻头方位伽马测量曲线

使用无方位信息的常规自然伽马进行地质导向时, 在井眼轨迹钻出储层后不能明确指明如何进行井眼轨迹调整, 无法使井眼轨迹重新快速钻回到储层中^{[16, 17, 18]}。利用近钻头方位伽马实时测量数据, 能明确地指示地质导向人员如何调整井眼轨迹, 以便在损失较少无效进尺的情况下重新钻回到储层中。

针对在施工过程中常见的两种出层模式（图5）, 方位伽马表现为：

图5

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	图5 井眼轨迹分别从储层顶、底钻出

（1）从储层顶钻出：上伽马测量曲线先上升, 下伽马测量曲线后上升（图5a）。

（2）从储层底钻出：下伽马测量曲线先上升, 上伽马测量曲线后上升（图5b）。

东胜气田J 30-5-P16井水平段钻进过程中, 当钻至斜深4 113 m时, 井斜角90.97° , 上伽马值由73 API上升至133 API, 且上伽马大于下伽马测量值, 最后上下伽马趋于一致（图6）, 同时井底钻时由2 min/m上升至4 min/m, 结合岩屑、气测值数据, 说明是上切, 表明井眼轨迹从储层顶部钻出储层。地质导向方决定定向降斜钻进, 最终在斜深4 132 m重新进入储层。

图6

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	图6 J 30-5-P16井近钻头方位伽马测量曲线

在使用常规随钻自然伽马资料计算地层倾角时, 当同一个地层层面被钻头两次钻遇或在准确知道储层厚度并且钻头同时钻穿该储层顶面和底面的情况下, 才能计算出地层倾角^{[3, 10]}。而利用近钻头方位伽马资料, 只需要钻遇或者测量到一个地层层面, 就可以准确拾取该穿越点处或测量点处的地层倾角^[13], 同时可以准确指示是从储层的什么位置钻出储层的, 从而为地质导向调整井眼轨迹提供科学决策依据, 真正实现地质导向的及时决策。

利用方位伽马计算地层倾角（图7）：

α＝90°-arctan（D/Δd）+β

式中：α 为地层倾角, （° ）, α 为负值表示地层上倾, α 为正值表示地层下倾; D为井径, cm; Δ d为上、下伽马数值变化点的间距, cm; β 为井斜角, （° ）。

图7

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	图7 地层倾角计算参数关系示意

J 30-5-P16井4 110~4 135 m井段, 上、下伽马曲线形态明确指示了钻头从储层顶部钻出储层（图6）, 此时利用上述地层倾角计算公式即可计算出该点处的地层倾角为-0.64° , 从而为地质导向对井眼轨迹井斜的调整提供科学数据支持。