当前，随钻方位伽马是定向井钻井中的一种重要的测量仪器(Efnik et al.，1999；邵才瑞等，2013).在定向井及水平井钻井过程中，普遍采用随钻方位伽马测得的数据来实时确定目的层位置和地层界面、实时更新地层模型，并及时调整井眼轨迹(Yin et al.，2008；Pitcher，2009).

精准地获取钻遇地层的自然伽马值，其关键在于随钻方位伽马测井仪器的设计和刻度(林楠等，2005；贾衡天等，2014).针对这一关键科学技术问题，国内外相关领域的随钻测井仪器研发工程师先后展开了翔实的研究.20世纪80年代初，国外斯伦贝谢等公司研发出随钻伽马测井仪器，并得到了商业应用(Bryant and Gage，1988; Mendoza et al.，2006；James Neville et al.，2007).为了跟踪国外先进的测井研发技术，提升国内的随钻测井研发和制造水平，国内中油测井、胜利油田等公司，相继对随钻伽马测井仪器展开过研制(肖红兵等，2002；徐凤玲，2010；姚文彬等，2013).然而，国内尚未对随钻方位伽马仪器的设计、刻度等开展过系统的研究.鉴于此，本文基于随钻伽马测量仪器的原理，对随钻方位伽马井下测量仪器的设计方法及影响仪器性能指标的因素进行有益探讨，并开展现场试验及应用效果分析.

随钻方位伽马与电缆伽马测井一样，也是利用探测器测量岩层的自然伽马射线总强度，并以此识别地层岩性(姚文彬等，2013).已有研究表明，随钻伽马的测量系统一般安装在钻头上方的无磁钻铤中(袁超等，2014).据此，可将闪烁NaI(TL)晶体探测器镶嵌在钻铤侧壁上进行设计(骆庆锋等，2012).

充分考虑到钻铤本体对探测器屏蔽效果存在方向差异的特性，而且探测器对钻铤外部环境探测也存在方位性能，本研究设计的探测器在钻铤中安装剖面如图 1所示.

图 1

Fig. 1

图 1 探测器在钻铤中安装剖面图 Fig. 1 Profile of detector installed in the drill collar

由图 1可得到晶体最大直径为

石油天然气钻井行业中常见的标准钻铤规格如表 1.考虑实际钻铤尺寸情况，D取8 mm，晶体直径C最小取19 mm.

表 1( Table 1)

表 1 常见标准钻铤规格 Table 1 Drill collar specifications of common standard 编号 外径 /mm 内径 /mm 晶体最大直径 /mm 晶体直径范围 /mm 1# 209.6 71.4 53.1 19～53.1 2# 203.2 71.4 49.9 19～49.9 3# 196.8 71.4 46.7 19～46.7 4# 184.2 71.4 40.4 19～40.4 5# 171.4 71.4 36 19～36 6# 171.4 57.2 41.4 19～41.4 7# 165.1 71.4 30.85 19～30.85 8# 165.1 57.2 37.95 19～37.95 9# 158.8 71.4 27.7 19～27.7 10# 158.8 57.2 34.8 19～34.8 11# 152.4 71.4 24.5 19～24.5 12# 152.4 57.2 31.6 19～31.6 13# 171.4 88.9 25.25 19～25.25

表 1 常见标准钻铤规格 Table 1 Drill collar specifications of common standard

根据图 1中探测器安装剖面示意图，MATLAB建模条件如下：

(1)铁对自然伽马射线的吸收系数近似为钻铤对自然伽马射线的吸收系数.

(2)钻井液放射性对探测器的影响忽略不计.

(3)采用平均自然伽马射线能量.

采用表 1中9^#钻铤，计算了不同直径晶体在不同方位角条件下的相对计数率，从而得出图 2所示的晶体直径和测量方位角变化对计数率的影响关系图.由该图不难得知，本研究中的设计方法能够在满足安装尺寸规定的同时，探测器的方位探测角度最大可达到120度，而且相对计数率随着晶体直径的增大而增大，因此，在仪器制造时，尽可能配接更大直径的光电倍增管晶体.

图 2

Fig. 2

图 2 晶体直径和测量方位角变化对计数率的影响 Fig. 2 Crystal diameter and measured azimuth change on the influence of the count rate

假设待测量地层的自然伽马值为135 API，针对25、30、35、38 mm这4种直径、12种长度的晶体，来计算20、30、40 m/h这3种钻井速度条件下的探测器性能指标.

采用表 1中6^#钻铤，开展了不同尺度晶体在不同钻井速度下的模拟计算，计算结果见表 2所示.模拟计算结果表明：晶体的直径、长度对仪器的性能起关键作用，钻井速度也是不能忽视的一个重要影响因素.由此不难得知，晶体的优选对仪器性能指标起关键作用，而且钻井速度等测量环境也是不能忽视的重要因素.

表 2( Table 2)

表 2 不同尺度晶体在不同钻井速度条件下的仪器性能指标 Table 2 Performance index of the instrument for different crystal scales under different drilling speed 晶体直径/mm 晶体长度/mm 灵敏度/cps(API) 钻 井 速 度 20 m/h 30 m/h 40 m/h 统计误差/% 纵向分辨率/mm 统计误差/% 纵向分辨率/mm 统计误差/% 纵向分辨率/mm 25 242.22 181.68 121.12 0.566 0.424 0.283 2.697 3.114 3.814 275 250 250 3.303 3.814 4.671 400 375 375 3.81 4.40 5.39 525 500 500 30 126.52 94.89 63.26 0.505 0.379 0.253 2.854 3.295 4.036 280 250 250 3.495 4.036 4.943 405 375 375 4.04 4.66 5.71 530 500 500 35 75.71 56.78 37.86 0.531 0.398 0.265 2.785 3.216 3.939 285 250 250 3.411 3.939 4.824 410 375 375 3.94 4.55 5.57 535 500 500 38 54.06 40.55 27.03 0.601 0.451 0.301 2.617 3.021 3.701 288 250 250 3.205 3.701 4.532 413 375 375 3.70 4.27 5.23 538 500 500

表 2 不同尺度晶体在不同钻井速度条件下的仪器性能指标 Table 2 Performance index of the instrument for different crystal scales under different drilling speed

实验中，采用Ra²²⁶放射源代替地层(骆庆锋等，2012).采用图 3所示的探测器安装剖面，来开展探测器方位角、探测距离对计数率的影响实验.

图 3

Fig. 3

图 3 探测器在工装中安装剖面图 Fig. 3 Profile of detector installed in the tooling

本实验所选用的探测器具体尺寸为：A=171.4 mm，B=88.9 mm，C=28 mm，D=6.6 mm.

图 4是放射源距离和测量方位角变化对计数率的影响关系图，由此图可知，测量的方位角对伽马计数率影响较大，放射性源距离以及钻铤的距离对伽马计数率具有一定的影响.

图 4

Fig. 4

图 4 放射源距离和测量方位角变化对计数率的影响 Fig. 4 Source distance and azimuth angle change on the influence of the count rate measurement

系统对比分析上述理论计算和实验结果可知，设计的探测器具有约120度左右方位探测能力，达到了设计精度和灵敏度要求；随钻方位伽马测井仪器在制造过程中，优选合适的钻铤规格和合适的探头尺寸是十分必要的；确定了钻铤尺寸为Φ165，相适应的晶体直径为Φ28时为最佳设计.

随钻伽马刻度实质上是确立地层放射性强度参数与仪器输出计数率关系，即测定仪器的响应灵敏度(李洪强等，2008).

一般地，随钻伽马刻度采用的是两点刻度方法，其刻度方程可以描述成截距式线性方程为

按照一级刻度标准，y为高放层与低放层之间的差值，单位为API；x为仪器在高放层与低放层读数的差值，单位为CPS；m为刻度系数，也称仪器系数，无量纲.刻度系数来源于随钻伽马刻度，应用于仪器测量值向地层工程值的转换.

随钻伽马测井仪必须将钻铤连同仪器一起放置于标准刻度井和刻度器中进行测量(杨锦舟等，2004)，由于随钻伽马探测器安装在钻铤的侧部，金属材料制成的钻铤壁必然会吸收和衰减自然伽马射线，使测量到的计数率远比地层中的真实自然伽马射线强度少.

鉴于此，中国石油集团测井有限公司刻度检测中心已建立了不同井眼的自然伽马标准API刻度井.该仪器在8英寸井眼的自然伽马井刻度井中进行标定，求出随钻伽马测井仪的刻度系数.

构建如图 5所示的刻度井.该刻度井包括不同岩性、不同放射性强度的地层.高放射性区与低放射性区的伽马射线强度差为：341.9+2.3 API；测量本底为刻度大厅自然伽马标准井口的本底伽马射线强度计数率.

图 5

Fig. 5

图 5 自然伽马刻度井示意图 Fig. 5 Calibration well diagram of natural gamma ray

刻度时，将随钻伽马仪器放入刻度井中，根据伽马仪器的测量点调整仪器在刻度井中的深度.在随钻伽马测井仪稳定工作的前提下，先在剂量中心的标准自然伽马刻度井中的低放层进行测量，获取低放层仪器平均计数率，然后在高放层进行测量，获取高放层仪器平均计数率，仪器的一级刻度系数为

在不同的深度点，给仪器供电测量，便可获得如表 3所示的刻度数据.

表 3( Table 3)

表 3 伽马刻度数据表 Table 3 Gamma calibration data 伽马刻度大厅刻度 深度 测量点(100 s) 3.7 m 6636 6633 6680 6642 6719 6768 6778 6708 6748 3.8 m 6911 6726 6803 6907 6587 6730 6720 6629 6827 3.6 m 6703 6752 6856 6716 6646 6786 6661 6750 6732 3.5 m 6683 6827 6720 6658 6739 6785 6648 6900 6742 3.4 m 6638 6776 6835 6699 6622 6724 6797 6710 6861 高放均值 6735.956 2.3 m 457 461 461 484 455 450 475 387 512 2.2 m 551 542 552 588 537 532 523 523 534 2.1 m 668 608 654 610 649 624 605 657 656 2.0 m 752 706 661 749 769 747 719 734 785 1.9 m 798 808 815 741 758 781 791 793 769 低放均值 631.8 随钻方位伽马测井仪701号 刻度系数k =5.601102 深度 测量点(100 s) 3.8 m 5820 5745 5713 5672 5765 5672 5644 5730 5753 3.7 m 5616 5485 5562 5563 5635 5559 5649 5601 5548 3.6 m 5566 5675 5572 5466 5607 5564 5495 5593 5566 3.5 m 5575 5603 5654 5578 5615 5530 5521 5562 5537 3.4 m 5667 5591 5603 5698 5666 5629 5643 5629 5705 高放均值 5618.711 2.3 m 488 501 519 518 490 495 500 511 472 2.2 m 597 604 579 605 582 618 625 616 571 2.1 m 691 665 686 681 651 677 685 697 673 2.0 m 675 679 650 631 668 677 674 694 671 1.9 m 591 596 623 599 612 588 592 631 614 低放均值 610.2667 随钻方位伽马测井仪702号 刻度系数k =6.826471

表 3 伽马刻度数据表 Table 3 Gamma calibration data

现场刻度器用作对仪器的校验和测井前后对仪器的检测.刻度器做成内径与仪器外壳吻合的半圆弧型，长度超出探测伽马射线晶体两端各150 mm，放射性物质均匀密封在这个半圆弧形的瓦片当中(如图 6)，以防止放射性物质泄漏.

图 6

Fig. 6

图 6 随钻伽马现场刻度器 Fig. 6 Calibration tool of LWD gamma ray

为了检验随钻方位伽马测井仪器是否能够在高温高压地层条件下精准地进行测量，在进行完室内研制、标准井测试之后，开展了现场试验.截至目前已经在长庆油田完成了10多口井的现场试验、推广应用或生产服务.

随钻方位伽马测井仪在长庆油田X1水平井进行了现场测井试验，随钻测井与电缆测井曲线对比如图 7所示.试验情况如下：在造斜段下井工作，定向造斜和水平段钻井测井532 m，其中水平段钻井测井约230 m，仪器一次下井完成随钻测井作业.井下工作时间140 h，仪器系统工作可靠，测井数据稳定，取得了合格的方位伽马数据.由该图可知，随钻方位伽马与电缆伽马之间的相关性较好，对比显示砂岩、泥岩层一致性均较好，从而进一步表明该仪器达到设计指标要求的同时，完全能够满足实际生产需求.

图 7

Fig. 7

图 7 方位伽马随钻测井与电缆测井曲线对比 Fig. 7 Comparison between azimuthal gamma ray logging while drilling with wireline logging curve

5.1     随钻方位伽马仪器设计中，对探测器晶体的优选非常关键.在满足探测器安装尺寸要求的前提下，力求采用更大直径的晶体；此外，优选合适的钻铤规格和合适的探头尺寸也是十分必要的.

5.2     由中国石油测井有限公司随钻中心自主研制的随钻方位伽马与电缆伽马测井资料对比表明，该仪器的测量精度较高，完全能够满足地层岩性识别和地质导向等实际生产工作.