LWD国产化项目自然伽马短接的设计与研制

LWD自然伽马测井短节的研制
姓名：王光宇
所在单位：钻井工艺研究所
指导老师：李瑞营
摘要：随钻测井LWD(logging while drilling)是在钻井的过程中，同时进行的用于评价所钻穿地层的地质和岩石物理参数的测量，主要有电阻率、放射性、声波及核磁等随钻测井技术。

本文简要的介绍了贝壳NAVITRAK的结构组成；主要分析了伽马传感器和伽马传感器电路部分的工作原理。

关键词：LWD；伽马（SRIG）；放射性；闪烁记数器；测井；
1 前言
由于油田区块的开发己经到了中后期，为了开发薄油层以及残余油，地质导向仪器己经变得相当重要。

另外这些区块的地质构成及地层描述都已相当清楚，再利用邻井的测井资料，就可以定性和定量描述开发地层的地质构成、各层位的孔隙度、地层骨架的岩性及密度。

LWD是井斜、方位、自然伽马、电阻率、孔隙度一体化的随钻测量技术，可以再钻进过程中，实时准确的判定未经污染过的地层储层特性，随时调整轨迹，有效控制钻具穿行在储层最佳位置，从而实现地质导向。

图1 贝壳休斯LWD井下仪器示意图
2 NAVIMPR仪器简介
贝克休斯公司（Baker- Hughes）的随钻测井系统NAVIMPR的井下仪器主要由脉冲发生器（UPU）、探管（PROBE）、M30短节、MPR电阻率和井斜伽玛（SRIG）几大模块组成，探管由整流模块（SNT）、驱动模块（SDM）、存储器（MEM）、定向模块（DAS）和伸展电子连接头（EEJ）等组成，仪器总长13. 02 m。

井下仪器示意图如图1所示。

仪器中有一个涡轮发电机，钻井液冲击涡轮产生交流电，经SNT整流后，供给各个电路模块。

SRIG( Short Radius Inclination Gamma)有1个闪烁记数器及其相关电路构成的伽马射线数据采集系统，接收并检测来自不同地层的伽马射线，转化为以CPS为单位的伽马计数值，并上传至地面设备形成API伽玛曲线。

在LWD 的几项关键技术中，自然伽马能够判定岩石中的泥质含量，进而判定岩性和储层特性，是判断钻井目的层和油气层特性的必测项目。

3 随钻井斜伽玛测井原理
国产化项目伽马测井短节的作用是进行随钻井斜及自然伽马测井。

自然伽马测井属于放射性测井学科探测伽马射线的一个分支。

放射性测井是根据岩石和介质的核物理性质，研究钻井地质剖面，寻找油气藏以及研究油井工程的地球物理方法。

由于生产和解释方法的改进，放射性测井解决生产问题的范围不断扩大，目前它仍是一项重要的测井方法。

⎪⎪⎪⎪⎪⎩
⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧脉冲中子测井中子伽马测井中子测井确定孔隙度）中子测井岩性密度密度测井自然伽马能谱泥质含量、划分岩性）伽马测井放射性测井((自然伽马 图1 放射性测井学科总目
3.1自然伽马测井核物理基础
1.
核衰变及其放射性
1）原子的结构：原子核（质子Neutron+中子Proton ）+核外电子Electron
图2 原子核
2）放射性核素
核素：原子核中具有一定数量的质子和中子并在同一能态上的同类原子（同类核素的原子核中质子数和中子数都相同）。

同位素：原子核中质子数相同而中子数不同，但具有相同的化学性质，在元素周期表中占有同一位置。

放射性：放射性核素衰变时释放α、β、γ 的性质
放射性核素：原子核自发地衰变，由一种核素变为另一种核素（ 其结构和能量都会发生改变， 衰变成其他核素，并放出射线）。

放射性同位素：不稳定的能够发生衰变的同位素。

3） 核衰变
核衰变：原子核自发地释放出一种带电粒子(α或β)
，并脱变成另外某种原子核，同时放出伽玛射线的过
程。

核衰变规律：t e N N λ-=0
式中 ： N 0 ——t=0 时的原子核数
N ——时刻 t 的原子核数
λ——衰变常数（表示单位时间内每个原子核发生衰变的几率，其值越大衰变越快）
半衰期：放射性核素因衰变而减少到原来一半所需的时间(N=No/2时的 t)
4) 放射性强（活）度
一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的核数。

单位，1居里=3.7×1010Bq 。

1Bq=1次核衰变/s
5）放射性射线
α——氦原子核（2He 4）的粒子流，极易被吸收，电离本领强，在物质中穿透距离很小。

β——高速运动的电子流，在物质中穿透距离较短。

γ——频率很高的电磁波或光子流，不带电，能量高，穿透力强。

在这三种放射性射线中，α和β射线的穿透能力很弱，只有γ射线具有强烈的穿透能力，它能够穿透几米厚的混凝土，在地下可以穿过几十厘米的地层，套管及仪器外壳，具有实际应用价值。

2. 伽马射线与物质的相互作用
γ射线穿过物质时，与构成物质的原子发生作用，主要产生如下现象：光电效应，康普顿效应，电子对效应。

1） 光电效应：伽马光子与原子核外的束缚电子作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出
去（光电子），而光子本身被吸收。

图3 光电效应 电子对效应 康普顿效应
2）康普顿效应：能量较大的γ射线穿过物质和电子碰撞时，γ量子能量一部分转交给电子，使电子以与γ量子的初始运动方向成ϕ角的方向射出，形成康普顿电子，γ量子则朝着与其初始运动成θ角的方向散射，这种效应称为康普顿效应。

γ射线通过物质时，康普顿散射会导致γ射线强度减弱，其减弱常以散射吸收系数σ表示，σ与γ射线的能量、吸收物质的原子序数以及吸收物质单位体积内的电子数有关，σ随γ射线的能量增大而减小。

康普顿吸收系数A ZN A e
ρσσ=， e σ为康普顿散射截面。

由上式知ρσ∝，这就是岩性密度测井的原理。

3）电子对效应：当γ射线的能量大于1.022MeV 时，它与物质作用，光子即转化为一个正电子和一个负电子，而其本身被吸收。

γ射线通过物质时，以上三种作用都可能发生，但是，γ射线能量低时以光电效应为主，能量较高时以康普顿效应为主，能量很高时以电子对效应为主。

4）伽马射线的吸收。

γ射线通过物质时，会发生以上三种作用，伽马量子被吸收，γ射线强度逐渐减弱，其程度随吸收物质的吸收系数增大而加剧。

实验证明γ射线强度和穿过吸收物质的厚度有如下关系：
L e I I μ-=0
其中：I 、0I 分别为未经吸收物质和经过厚度为L 的吸收物质的γ
射线强度；L 为γ射线经过的吸收物质的厚度；μ为总吸收系数，由光电效应、康普顿散射以及电子对效应的吸收系数所决定。

3.2 自然伽马测井原理
地球上目前为止发现的330余种元素中，60余种是放射性元素。

地层中的岩石由于含有放射性元素而具有放射性，不同种类的岩石由于含有不同数量的放射性元素，具有不同程度的放射性，因此可以通过仪器测量到具体地层的放射性大小来判断岩层的种类，既而进行地质导向。

一、岩石的放射性
岩石具有的天然放射性，是伽马测井能够实现的理论基础。

岩石的放射性，主要是由于含有铀(23892U )、
钍(23290Th )及钾的放射性同位素4019K 产生的，这些核素的原子核在衰变过程中能放出大量的α、β、γ射线。

岩石放射性元素的含量决定岩石的放射性强度。

一般条件下，岩石的放射性物质含量很少，按放射性的强弱沉积岩可分为以下几类：
(1)自然伽马放射性高：放射性软泥、红色粘土、海绿石砂岩、独居石等岩石。

(2)自然伽马放射性中：浅海相和陆上沉积的泥质岩石，如泥质砂岩，泥质石灰岩，泥灰岩等。

(3)自然伽马放射性低：砂岩、石灰岩、石膏、岩盐、煤和沥青等
根据实验和统计，沉积岩的自然放射性一般有以下变化规律：
(1)随泥质含量的增加而增加
(2)随有机物含量的增加而增加,如沥青质泥岩的放射性很高
(3)随着钾盐和某些放射性矿物的增加而增加。

在油气田中常遇到的沉积岩的自然伽马放射性主要取决于泥质含量的多少。

但必须注意，岩石自然放射性的强度是由单位质量或单位体积岩石的放射性同位素的含量而决定的，当利用自然伽马测井资料求地层泥质含量时应作全面考虑。

二、自然伽马测井测量原理
测量原理如图，伽马测井短节属于LWD 的一个子功能模块。

伽马短节的伽马测井功能由探测器（闪烁计数管）、控制电路和高低压电源等几部分。

自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将γ射线转化为电脉冲信号，经控制电路处理后，向上传递至驱动短接，驱动脉冲发生器后由泥浆脉冲向上传递至地面设备，与井深结合打印出伽马测井曲线。

早期的自然伽马曲线采用计数率（脉冲/分钟）单位，曲线用r J 表示，现今的自然伽马测井都采用标准刻度单位API ，曲线用GR 表示。

定义高放射性地层与低放射性地层读数之差为200API 单位，作为标准刻度单位。

三、自然伽马测井曲线
把自然伽马测井仪下到井中，测量地层放射性强度随深度变化的曲线，称为自然伽马曲线(GR)。

图4 自然伽马测井的理论曲线
1.理论曲线
根据前面所讲的理论计算公式可计算出自然伽马测井的理论曲线，如图4，图中11.0-=μcm ，cm r 150=。

其特点为：
（1）上下围岩的放射性相同时，曲线对称于地层中点，在地层中点处有极大值或极小值，反映该层放射性大小。

（2）当地层厚度h 小于三倍的钻头直径d (h <3d )时，极大值随地层厚度h 增加而增大（极小值随地层厚度h 增大而减小）。

当h ≥3d 时，极大值（或极小值）为一常数，与地层厚度无关，与岩石的自然放射性强度成正比。

（3）h ≥3d 时，由曲线的半幅点确定的厚度等于地层的真实厚度，当h <3d 时，由半幅点确定的地层厚度大于地层的真实厚度，而且地层越薄，大得越多。

理论曲线是在测速为零、点状计数管的条件下计算得到的，但实际测井中，计数管不是点状的，测速也不为零，所以实测曲线和理论曲线是有些差异的，但基本形状仍然相似。

2.自然伽马测井曲线的影响因素
（1)层厚的影响。

地层变薄会使泥岩层的自然伽马测井曲线值下降，砂岩层的自然伽马测井曲线值上升，并且地层越薄，这种下降和上升就越多。

因此对h <3d 的地层，应用曲线时，应考虑层厚的影响。

（2)井参数的影响。

泥浆、套管、水泥环所具有的放射性通常比地层低，同时又能吸收来自地层的伽马 射线，所以这些井内介质一般来说会使自然伽马测井读数降低。

井径的扩大意味着下套管井水泥环增厚和裸眼井泥浆层增厚。

若水泥环和泥浆不含放射性元素，则水泥环和泥浆层增厚会使GR 值降低，但由于泥浆有一些放射性，所以泥浆的影响很小。

套管的钢铁对γ射线的吸收能力很强，所以下了套管的井，GR 值会有所下降。

（3）放射性涨落的影响。

在放射性源强度和测量条件不变的条件下，在相等的时间间隔内，对放射性的强度进行重复多次测量，
每次记录的数值是不相同的，而总是在某一数值附近上下变化，这种现象叫放射性涨落。

它和测量条件无关，是微观世界的一种客观现象，且有一定的规律性。

这种现象是由于放射性元素的各个原子核的衰变彼此是独立的，衰变的次序是偶然的等原因造成的。

放射性涨落与仪器引起的系统误差及由操作造成的偶然误差有本质的不同。

确定涨落误差的正常范围，对判断和划分地层有很重要的意义。

只有正确地但由涨落误差引起的读数变化与地层性质引起的变化区分开，才能对放射性测井曲线进行正确的地质解释。

（4）、τv 的影响。

进行放射性测井时，当仪器在井中的测速v 很小时，在均匀放射性地层中测得的自然伽马曲线形状与理论曲线形状相似，而当测井速度v 增大时，实际测得的放射性地层的自然伽马曲线就不对称了，与理论曲线相比，这些曲线沿仪器移动方向发生了偏移。

测井速度v 和积分电路时间常数τ的乘积越大，这种影响就越显著。

τv 对记录的自然伽马测井曲线发生影响的原因是由于仪器中的积分电路有惰性，而这种惰性当下井仪器以一定速度连续移动时会表现出来。

（1）0≠τv 的曲线与0=τv 曲线不重合，不同τv 测得的曲线只有起点是相互一致的。

这是因为积分电路开始充电时刻相同，输出电压在同一点开始上升，而后因τv 值不同，充电的快慢不一致，彼此就分开了。

（2）τv 越大，曲线的幅度下降得越大。

一方面，若τ固定，积分电路充电的速度是固定的，v 越大则通过放射性地层所用的时间越短，v h /小，积分电路就来不及充电，输出电压所能达到的数值就越低；另一方面，若固定v ，则通过放射性地层的时间是固定的，而积分电路充电的速度是不同的，输出电压达到一定数值所需要的时间不同，τ越大所需要的充电时间越长，就越来不及使输出电压达到最大，因而幅度下降得较多。

而τv 综合了这两方面的影响。

（3）在仪器移动方向上，τv 越大，曲线拖尾越长。

这是因为探测器离开放射性层段后，积分电路的输出电压仍按一定的规律下降，这需要一定的时间并且在井中移动一段距离后才能达到原始状态。

τv 越大曲线越不对称，其极大值和上下半幅点的位置分别对地层中心及上下界面向仪器移动方向移动了一段距离，此时由半幅点确定的视厚度要大于地层真厚度。

（4）随着地层厚度h 的减小，τv 的影响增大。

在作定量解释时，可应用关系曲线的分别对τv 的影响进行地层厚度、地层界面位移和曲线幅度值的校正。

四、自然伽马测井曲线的应用
1.划分岩性
图5 伽马测井曲线划分岩性
自然伽马主要根据地层中泥质含量的变化引起GR曲线幅度变化来区分不同的岩性。

在自然伽马测井曲线上，一般泥岩和页岩以明显的高放射性显示出来，而且可以连成一条相当稳定的泥岩线，超过这条泥岩线的是岩浆岩、富含放射性矿物的砂岩或石灰岩及海相泥岩等。

石膏、硬石膏、盐岩和纯的石灰岩、白云岩的放射性很低，形成井剖面上的基值线，白云岩往往比石灰岩的放射性高，这是由于含放射性物质的地层水在碳酸盐白云岩化的过程中将放射性物质带入了岩石。

在砂、泥岩剖面，纯砂岩GR值最低，粘土岩和泥岩GR值最高，泥质砂岩较低，泥质粉砂岩和砂质泥岩较高，即自然伽马随泥质含量的增加而升高，见图5。

在碳酸盐剖面，纯白云岩、石灰岩GR值最低，粘土岩、泥岩和页岩GR值最高，泥灰岩较高，泥质石灰岩、泥质白云岩介于它们之间，也是随泥质含量的增加而曲线数值升高。

在膏岩剖面，岩盐、石膏层GR 值最低，泥岩GR值最高。

2.进行地层对比
图6 划分地层
以单井划分岩性为基础，可在构造面上用几口井的曲线进行地层对比。

自然伽马曲线进行地层对比具有以下优点：①GR曲线与地层中所含流体性质（油、水或气）无关，储层含油、含水或含气对曲线影响不大，或根本没有什么影响，用自然电位和电阻率进行对比，同一储层由于含流体性质不同差别很大。

含水时自然电位异常幅度大，电阻率低。

韩尤其是异常幅度小，电阻率高。

②与地层水和泥浆矿化度无关，其幅度主要决定于地层中的放射性物质，通常对于不同岩性其幅度较为稳定。

③很容易识别对比标准层，通常选用厚度泥岩作标准层，进行油田范围或区域范围内的地层对比。

④在膏岩剖面及盐水钻井液条件下，自然电位和电阻率曲线变化很小，就显示出来自然伽马曲线进行对比的优越性。

⑤可以在套管井中进行地层对比。

3.估算地层中泥质含量
图7 估算地层泥质含量
在实际应用中首先用自然伽马相对幅度的变化计算出泥质含量指数GR I ：
min
max min GR GR GR GR I GR --=目的 （4-14） 目的GR ：目的层自然伽马幅度；max GR 、min GR 为纯泥岩、纯砂岩的自然伽马幅度。

通常GR I 的变化范围为０～１，用下式将GR I 转化成泥质含量sh V :
1
212--=⋅GCUR I GCUR sh GR V （4-15） GCUR :希尔奇指数，可根据实验室取芯分析资料确定，它随地层的地质年代而改变。

应注意，由自然伽马测井求出的泥质含量是这一参数的上限。

因为使用该方法时把地层中的方放射性物质几乎都当成泥质来处理，当地层和岩石骨架中也含有放射性物质时，处理结果就会夸大泥质所占的体积。

4 随钻井斜伽玛工作原理
图8 SRIG 系统框图
SRIG短节由伽马射线探测器（闪烁记数器）、低压电源、高压电源模块和信号采集板组成。

闪烁记数器安置在伽马探管壳体的内部，在壳体的内部与高压电源和信号采集板相连。

低压电源驱动高压电源和信号采集板，由高压电源驱动闪烁记数器开始工作，自然伽马射线由岩层穿过泥浆、仪器外壳进入探测器，探测器将γ射线转化为电脉冲信号，经信号采集电路处理后，将信号向上传递至驱动短接。

同时，数据采集板将井斜传感器采集的井斜信号向上传递至驱动短接，最后由泥浆脉冲信号传递至地面设备电脑，供仪器操作者进行地质导向。

4.1 闪烁记数器的结构和原理
图9 闪烁计数器结构原理图
闪烁计数器由主要由闪烁晶体和光电倍增管构成。

闪烁晶体是一种对射线灵敏且能产生闪烁光的物质，采用掺铊的固态碘化钠单晶NaI(T1)，其优点是对γ射线的阻止本领大，发光效率高且透明度好，缺点是容易潮解，需要密封安装。

掺铊的目的是使铊成为NaI晶体中的发光中心，提高转换效率和减少晶体本身的自吸收。

在闪烁体和光电倍增管的接触面上涂一层均匀的硅油，可减少光的反射以提高光电转换效率。

当放射源发出的γ射线进入闪烁晶体时，γ光子即与闪烁体中的原子、分子及晶体系统发生相互作用(如光电效应，康普顿散射和电子对效应等)．相互作用的结果产生次级电子，γ光子的能量转化为次级电子的动能．闪烁晶体是荧光物质，它被次级电子激发而发出荧光，这些光子射向光电倍增管的光阴极．由于光电效应，在光阴级上打出光电子，每个光电子在光电倍增管的打拿极(倍增极)上打出多个电子，这些更多的电子，经过多次倍增，最后有大量电子射向管子阳极，转变成电信号输出。

以上光电转换过程之间能够保持良好的线性关系，从而使光电倍增管输出的脉冲幅度，正比于γ光子在闪烁体内由各种效应而产生的次级电子的能量。

通常，光电倍增管输出的脉冲幅度不超过1V，所以必须经过前置放大器和线性脉冲放大器放大后，再输入到多道（或单道）脉冲幅度分析器中，对不同幅度的脉冲强度进行分析．
4.2 井斜传感器的结构和原理
国产化随钻测井仪SRIG井斜部分采用石英挠性加速度计.
图10 石英挠性加速度计原理框图
石英挠性加速度计是单自由度的闭环式挠性机械摆式加速度计，这种加速度计一般是把挠性杆和电容传感器动极板做成一体，因此，结构简单、体积小。

石英挠性加速度计的结构原理如图所示，石英挠性加速度计由扼铁、磁钢、挠性摆片、力矩线圈和相应的电子电路构成。

当有加速度输入时，由挠性摆片及力矩线圈的作用而偏离平衡位置，这一偏离位置被差动电容检测器检测。

经伺服放大器转换成电流信号，并被反馈到处于恒定磁场中的力矩器而产生平衡力或平衡力矩上，使挠性摆片恢复到平衡位置。

该电流信号同时作为加速度计的输出，其大小与输入加速度成正比，极性取决于输入加速度的方向。

当沿加速度计的输入轴方向有加速度作用时，摆组件发生微小偏转，则差动电容传感器两臂的电容量发生变化。

伺服放大Z 器检测到这一变化并变换成相应的输出电流反馈给力矩器。

该电流i 的大小与输入的加速度a 成正比，而极性有使摆组件返回原来位置的倾向。

在力平衡状态下有：
K B a l =K t i
i =t
B K K a l 其中，K B 为摆性，K t 为力矩系数，比例系数K B ／K t 称为标度因数。

4.3 高压模块的结构和原理
高压电源是放射性测井的常用设备，在自然伽马测井中，闪烁记数器中的光电倍增管需要高压进行驱动，所以，国产化伽马短节中自然地包括了高压模块。

高压模块的核心部件是升压式DC-DC 变换器，升压式DC-DC 变换器的主电路由功率开关管VT 、储能电感L 、滤波电容C 和续流二极管VD 组成。

电路的工作原理是，当控制信号V i 为高电平时，开关管VT 导通，能量从输入电源流入，储存于电感L 中，由于VT 导通时其饱和压降很小，二极管D 反偏而截止，此时存储在滤波电容C 中的能量释放给负载。

当控制信号V i 为低电平时，开关管VT 截止，由于电感L 中的电流不能突变，它所产生的感应电势将阻止电流的减小，感应电势的极性是左负右正，使二极管D 导通，此时存储在电感L 中的能量经二极管D 对滤波电容C 充电，同时提供给负载。

电路各点的工作波形如图11（b ）。

RL 0I I t
t t
t
I I I I U (a) DC-DC 变换器主电路图(b) DC-DC 变换器各点工作波形
图11 DC-DC 升压式变换器电路及工作波形
DC-DC 升压变换器输入、输出电压的关系
假定储能电感L 充电回路的电阻很小，即时间常数很大，当开关管VT 导通时，忽略管子的导通压降，通过电感L 的电流近似是线性增加的。

即：t L
U I i I ⋅+=LV L ，其中I LV 是流过储能电感电流的最小值。

在开关管VT 导通结束时，流过电感L 的电流为：ON LV LP T L U I I I ⋅+
=，i L 的增量为ON I T L U ⋅。

在开关管VT 关断时，续流二极管D 导通，储能电感L 两端的电压为dt di L
U U u L I L =-=0，所以流过储能电感L 的电流为：t L
U U I i I LP L ⋅--=0，当开关管VT 截止结束时，流过电感L 的电流为：OFF I LP LV L T L U U I I i ⋅--==0 ，i L 的减少量为OFF I T L
U U ⋅-0。

在电路进入稳态后， 储能电感L 中的电流在开关管导通期间的增量应等于在开关管截止期间的减量，即
O F F I ON I T L
U U T L U ⋅-=⋅0，所以：I I ON I OFF U q U T T T U T T U ⋅-=⋅-=⋅=110，其中T T q ON =。

可见改变占空比大小，就可以获得所需要的电压值，由于占空比总是小于1，所以输出电压总是大于输入电压。

4.4 电源板的原理
图12 电源板原理图
1）电源板工作原理
电源板主要由变压器和开关电路组成。

SRIG 井斜伽马上有1个电源板和1个调制解调板。

SRIG 通过M30线和1039线与MPR 相连。

M30线上走30V 直流电和通讯信号。

M30通过低通滤波器滤掉信号，剩下30V 直流电进入电源板，通过变压器和开关电路产生+5V 、+12V 和 -12V 直流电，为主控板供电。

转换为MPR 主控可识别的1039信号。

MPR 测得的数据通过MODEM 将信号转换成M30送给LWD 的主处理器。