Research on Environmental Correction Method of Measurement Results from Near-Bit Gamma Imagers
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摘要: 实际工况下近钻头伽马成像仪在井筒中难以保持绝对居中，需要根据偏心程度对不同方向上的伽马扇区原始测量数值进行环境校正。依据伽马成像测量原理以及近钻头伽马成像仪的结构特点，分析了不同工况下近钻头伽马成像仪偏心程度对测量结果的影响，建立了近钻头伽马成像仪偏心情况下钻井液衰减、钾基钻井液补偿等主要因素的修正图版和校正方法。试验结果表明，偏心条件下，由于井筒和近钻头伽马成像仪之间环空内钻井液的影响，根据原始伽马成像图谱计算出的地层倾角存在较大误差。采用建立的校正方法对偏心情况下的近钻头伽马成像图谱进行测量环境校正后，利用其计算出的地层倾角与地层真实倾角基本一致。研究结果表明，采用建立的测量环境校正方法对近钻头伽马成像仪偏心情况下获得的伽马成像图谱进行环境校正后，可以真实反映地层情况，计算出的地层倾角更准确。Abstract: It is difficult to maintain absolute centering in the wellbore under the actual working conditions of near-bit gamma imagers. For that reason, the environment associated with the original measurement values of gamma sectors in different directions should be corrected according to the eccentricity. Using the principle of gamma imaging and the structural characteristics of the near-bit gamma imager, the influences of the imager eccentricity on the measurement results under different working conditions were studied. The results were used to develop correction charts and methods for the main factors such as attenuation in drilling fluids and compensation in potassium-based drilling fluids when the near-bit gamma imagers were under eccentric condition. The results revealed that the formation dip calculated by the original gamma imaging analysis had a large error due to the influence of drilling fluid in the annulus between the wellbore and the instrument under such condition. In contrast, after environmental correction of near-bit gamma imaging under eccentric condition, the formation dip calculated by the correction method was essentially consistent with the real one. The research results showed that the gamma spectra obtained using near-bit gamma imager under eccentric condition could reflect the real formation after environmental correction, and could calculate the formation dip more accurately.
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Keywords:
- near-bit /
- gamma imaging /
- eccentricity /
- attenuation in drilling fluid /
- measure environment /
- correction
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PDC钻头在钻进中主要依靠切削齿的剪切和刮削来破碎地层岩石，但在钻进硬地层时，由于岩石抗压强度较高，PDC切削齿不能有效切入地层，只能依靠刮削缓慢破碎岩石，机械钻速较低，岩屑非常细碎(岩屑颗粒直径通常小于0.5 mm，远小于牙轮钻头钻进时产生的岩屑[1])，给岩屑录井带来了一定困难。而且，这种问题在岩性相近的地层中表现得尤为突出。因此，为了获得较大的岩屑，从而准确判断层位和岩性[1]，在探井中往往使用牙轮钻头钻进。但是，使用牙轮钻头也有其不足：相对于PDC钻头，牙轮钻头进尺少、机械钻速低，会延长钻井周期，增加钻井成本；而且，使用牙轮钻头存在掉牙轮的风险，不利于井下安全。针对上述情况，笔者提出了结合PDC钻头和牙轮钻头两者优点设计新型钻头的思路，即改进PDC钻头的结构，使其在保留机械钻速快、使用寿命长和钻进安全等优点的同时，能够在钻进中获得较大的岩屑，满足岩屑录井的需要。基于此，设计了微心PDC钻头，并对其进行了现场试验，取得了预期效果。
1. 微心PDC钻头结构设计方法
1.1 整体结构
在保持普通PDC钻头冠部轮廓的基础上，对切削齿结构重新进行设计——在钻头中心部位不布置切削齿。这样，钻进地层时，在钻头的中心部位会形成一个圆柱状的小岩心，称之为微心[2]。
在钻头中心靠近钻头基体部位与钻头轴心成一倾斜角处设计斜面。当钻头持续钻进时，岩心不断增长，其顶端就会接触到钻头中心部位的斜面。在钻压作用下，该斜面会对岩心产生一个侧向力。当该侧向力达到一定程度后，岩心就会断裂。该结构的钻头，称之为微心PDC钻头，如图 1所示。
1.2 结构参数
岩心在折断过程中要受到来自钻头的扭断力和挤压力。因此，岩心内会产生相应的剪应力和挤压应力。折断的岩心如图 2所示(图 2中：d为岩心直径，mm；h为岩心高度，mm；ϕ为岩心横断面与钻头中心斜面的夹角，称之为断心角，(°))。下面针对图 2进行结构参数的分析与讨论。
线弹性范围内，介质某处的剪应力与其相应的剪应变成正比[3], 即：
(1) 式中：τ为剪应力，MPa；G为比例系数；ρ为某处到转轴的距离，cm。
若在岩心横截面上距圆心ρ处取微面积dA，其上的剪应力为τdA，则横截面上的扭矩为：
(2) 式中：M为截面扭矩，N·m。
令
(3) 由式(3)可知，当ρ=d2时：
(4) 式中：τmax为岩心边缘点的最大剪应力，MPa；p为岩石抗压强度，MPa。
岩心的挤压强度和断心角应满足如下关系：
(5) 
(6) 式中：σ为岩心的挤压强度，MPa；Fp为作用在岩心上的钻压，N。
由于种种原因，钻井中产生的岩心尺寸往往小于理论计算的岩心尺寸，设计钻头时需要考虑这一点。如果断心角过大，复合片与岩心接触点的半径就会过大，甚至有可能接触不到岩心；或者即使接触到岩心，在岩心没有断裂之前，由于磨损的作用，会把岩心进一步磨小，使断心结构失去作用。同时，岩心的直径和高度要根据地层岩性特征进行设计，当所钻地层比较松软时，岩心比较容易折断，这时应选择相对较小的断心角，防止断心结构不能产生作用；当所钻地层较硬时，使用较大的断心角可以产生更大的横向力，使岩心更容易折断。综合考虑上述各种影响因素，将ϕ设置为60°~70°。
若取Fp=999.54 N，p=60.00 MPa，ϕ=70°，由式(4)和式(5)可知岩心的直径和高度应满足：d≥9.2 mm；h≥15.7 mm。若取Fp=999.54 N，p=30.00 MPa，ϕ=60°，可得岩心的直径和高度应满足：d≥13.0 mm；h≥28.8 mm。
在此基础上，为检验研究结果的可靠性并选出合适的断心角，分别针对软硬2种岩性、2种断心角、2种岩心直径和2种岩心高度进行了模拟分析。分析结果显示，在硬地层中，d=10.0 mm、h=15.0 mm比较适合；在软地层中，d=15.0 mm、h=20.0 mm较为适合。
2. 微心PDC钻头性能室内试验
2.1 取心试验
根据前述研究结果，设计制造了小尺寸微心PDC钻头，并进行了室内性能试验。所设计钻头为4刀翼，钻头直径为80.0 mm，切削齿直径为13.4 mm，如图 3所示。
该钻头在岩石力学实验台架上进行了试验，钻压为5 kN，转速为100 r/min；试验岩石采用可钻性级值为7的黄色中砂岩。钻进过程平稳，无特殊振动现象。试验获取的微岩心为直径10.0 mm、高度10.0 mm的圆柱体，断裂面呈45°角, 如图 4所示。
试验结果表明，设计的微心PDC钻头结构合理，能够在试验室条件下取得符合要求的岩心，具备现场试验的基本条件。
2.2 提速试验
PDC钻头的转速越高，其切削齿的线速度越高，钻头破碎岩石的动能就越高，机械钻速就越高[4]。就同一PDC钻头而言，不同部位切削齿的情况不同：靠近钻头外侧切削齿的线速度高，破岩效率也高；靠近中心部位切削齿的线速度低，尤其是中心切削齿，线速度非常低。而PDC钻头中心切削齿破岩效率过低，会影响该钻头的整体破岩效率[5]。为了分析微心PDC钻头的提速效果，在室内进行了与相同尺寸常规结构PDC钻头的钻速对比试验(试验中，2种钻头采用了相同的转速、钻压和相同岩性的岩心)，试验结果为:微心PDC钻头的机械钻速为39.96 m/h, 常规PDC钻头的机械钻速为29.70 m/h。
试验结果显示，在同等条件下，微心PDC钻头比常规PDC钻头的机械钻速提高16.2%，表明该钻头设计合理，提速效果明显。
3. 现场试验
为进一步验证微心PDC钻头在钻井现场实际应用的可行性，在临盘油田的街403井和胜坨油田的坨202井进行了现场试验。
3.1 街403井
街403井为临盘油田临南坡折带部位的一口勘探评价井，该井完钻层位在沙三段，设计井深4 290.00 m，目的层较深，下部井段岩性以泥岩和砂岩为主，地层中的不均质夹层会影响钻头的稳定性，但地层总体可钻性相对较好。因此，试验之前对微心PDC钻头进行了针对性的设计：根据邻井的PDC钻头使用资料以及地层岩性分析结果，确定试验用微心PDC钻头的冠部轮廓为中内锥—短外锥[6]，采用螺旋刀翼布齿方式，目的是在钻进时钻头的切削齿能逐个吃入地层，提高钻头的稳定性[7]；采用ϕ16.0 mm复合片为主切削元件的中等布齿密度，以保证钻头具有较长的使用寿命和较高的机械钻速；采用复合切削结构，在主切削齿后增加备用齿(ϕ13.4 mm复合片)；采用折断式微心结构，岩心柱理论直径为10.0 mm，高度为10.0 mm；同时，为了能够使岩屑顺利上返排出，在保持钻头受力平衡的条件下，对排屑槽进行了加宽、加深，并使之延伸至钻头中心部位。设计的ϕ215.9 mm CP5263SJ型微心PDC钻头见图 5。
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图 5 ϕ215.9 mm CP5263SJ型微心PDC钻头设计结果Figure 5. Designed ϕ215.9 mm CP5263SJ type micro-coring PDC bit试验中，ϕ215.9 mm微心PDC钻头从井深3 450.00 m钻至取心点3 679.00 m，平均机械钻速7.21 m/h。试验结果表明，返出的岩屑尺寸较大，一些岩屑的直径达到了10.0 mm以上，为岩屑录井卡准层位、判断岩性提供了保障；而且，平均机械钻速比邻井同层位其他PDC钻头提高了17.8%。
3.2 坨202井
坨202井为胜利油田布置的一口勘探开发井，完钻层位在沙四段，油层埋藏深。该井下部地层以泥质灰岩和砂砾岩为主，地层岩石抗压强度高，研磨性强，岩性不均质性强，易对PDC钻头造成冲击和磨损破坏。为满足岩屑录井的需要，该井的邻井主要使用牙轮钻头，机械钻速较低。
针对该井地层岩性特征和录井的需要，设计了ϕ215.9 mm P5253SJC型微心PDC钻头(见图 6)。该钻头总体布齿结构与街403井使用的微心钻头类似，但考虑到坨202井沙四段地层抗压强度高、研磨性和均质性强，进行了如下改进：采用了双排切削齿结构，主切削齿为ϕ16.0 mm高性能复合片，后排切削齿为ϕ13.4 mm复合片，以提高钻头的抗冲击和抗研磨性能；适当减小主切削齿的后倾角度，以提高钻头在硬地层中的吃入性能和机械钻速。
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图 6 ϕ215.9 mm P5253SJC型微心PDC钻头设计结果Figure 6. Designed ϕ215.9 mm P5253SJC type micro-coring PDC bit -
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图 3 不同方式进入地层时的伽马测量数据形态
Figure 3. Data form of gamma measurement when the imager enters the formation in different ways
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图 4 近钻头伽马成像仪与地层倾角、井斜角的关系
Figure 4. Relationship of the near-bit gamma imager with formation dip and well deviation
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图 6 定向模式下的近钻头伽马仪器在井筒中偏心位置示意
Figure 6. Eccentric position of the near-bit gamma imager in the wellbore in the directional mode
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图 7 不同扇区近钻头方位伽马成像仪与井壁的距离
Figure 7. Distance between the near-bit gamma imager at different sectors and the borehole wall
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图 8 伽马射线钻井液衰减修正图版
Figure 8. Correction chart of gamma-ray for attenuation in drilling fluids
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图 9 ϕ171.4/ϕ203.4 mm近钻头伽马钻井液衰减修正图版
Figure 9. Correction chart of ϕ171.4/ϕ203.4 mm near-bit gamma for attenuation in drilling fluids
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图 10 钾基钻井液补偿修正图版
Figure 10. Correction chart of compensation in potassium-based drilling fluid
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图 11 ϕ171.4/ϕ203.4 mm近钻头伽马钾基钻井液修正图谱
Figure 11. Correction chart of ϕ171.4/ϕ203.4 mm near-bit gamma in potassium-based drilling fluids
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图 12 伽马成像测量扫描模拟试验装置
Figure 12. Experimental device for the simulation of gamma imaging measurement and scanning
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图 13 居中扫描得到的16扇区伽马曲线和成像图谱
Figure 13. Gamma ray curves and imaging spectra of 16 sectors obtained from the centered scanning
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