专利名称：一种旋转聚焦伽马测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种在石油钻井工程中用于地质导向的旋转聚焦伽马测量装置 及方法。
背景技术：
目前，在钻井行业的随钻测量领域，公知的地层岩性识别方法是根据不同 地层岩性所具有的不同自然放射性强度，测量地层岩石所放射出的伽马射线来 确定地层岩性。自然伽马测井方法及仪器己广泛应用于电缆测井工程中。在地 层岩性的测量原理方面，随钻测量方法同电缆测井方法一致，但在仪器结构、 噪声处理、信号提取及技术实施方面有很大区别，随钻测量仪器受钻铤的影响 很大。目前随钻岩性识别所应用的随钻自然伽马测量仪是由伽马测量模块和抗 压筒组成的测量短节。伽马测量模块由伽马传感器和信号处理电路组成，安装 在抗压筒内，并与其它随钻测量仪器(通常包括定向测量短节、孔隙度测量短 节、密度测量短节、电阻率测量短节等)连接在一起，安装在钻铤内部，组成 随钻测井仪器。随钻自然伽马测量仪短节通过仪器的扶正器居中于钻铤中心轴 线，平行于井轴。伽马传感器一般采用盖革-弥勒管或闪烁计数器，它将入射到 传感器的伽马射线转换为电子脉冲信号，经过处理之后，脉冲计数值即代表所
测地层的自然伽马放射性强度，单位为API。
这种随钻自然伽马测量仪只装有一个伽马传感器，并居于钻铤中心轴线， 即仪器平行于井轴。这种随钻自然伽马测量仪存在如下缺点
伽马传感器的测量响应是以传感器所在点为中心的球形区域(半径一般是 20厘米 30厘米)内所有地层的自然伽马射线共同作用的结果。如果探测范围内为均质地层，测量响应是该单一地层的自然伽马放射性；如果探测范围内为 非均质地层，测量响应则是不同地层放射性的总和。由于这种随钻自然伽马测 量仪的测量结果是地层放射性的平均响应，在水平井中不能及时分辨上下岩性 界面特征和有效发现储集层的上部盖层，错过进入储集层的最佳时机。同时由 于伽马传感器位于井眼中心，在它的探测范围内包括钻井液、钻铤、环空和地 层，因此伽马测量的分辨率受到钻井液、钻铤和环空的影响，.实际探测到的地 层深度较浅，也不利于及时分辨地层岩性的变化。
另外，目前应用的随钻方位伽马测量仪在钻铤外壁安装一个或者多个伽马 传感器，利用钻具屏蔽效应，在保证钻具与待测地层相对固定的条件下能很好 地分辨上下岩性界面特征。但存在的缺点是由于钻具处于滑动或静止状态， 随着所钻井眼井斜角和井眼位移地增加，钻具与井壁间磨阻明显增加，钻压无 法有效地施加到钻头上，钻时慢，钻具容易粘卡，井眼钻探深度受限，同时滑 动钻进所钻出的井眼轨迹不规则。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能在钻具连续旋转状态下进行方位伽马测量 的随钻测量装置及实现方位伽马测量方法，与现有技术相比，该装置在旋转钻 进过程中不但能够实时测量地层岩性，分辨上下岩性界面特征，而且还可以通 过控制伽马测量装置的打开和关闭时刻，真正实现各个方位伽马值的测量。
本发明所述的装置包括钻铤、u形槽、屏蔽层、高压密封盖板，o形密封圈，
至少两个伽马传感器、井眼姿态测量传感器、信号短传模块、微处理器模块、 电源模块、数据通讯口、导线孔、固定螺栓、钻井液导流通道。
本发明的特征是在钻铤壳体表面相隔90度各开一组U形槽，在各U形槽 之间设有导线孔。上伽马传感器、下伽马传感器分别安装在相差180度的镶嵌有金属屏蔽层的U形槽内。井眼姿态测量传感器安装在上伽马传感器安装槽下
面的u形槽内。微处理器模块、电源模块、信号短传模块分别安装于其余的u 形槽里。各模块之间通过导线孔内的导线相连。盖板压在u形槽的外边缘，盖 板上安装有o形密封圈，固定螺栓把盖板固定到钻铤上。钻铤上距微处理器模
块安装槽附近开有圆形的数据通讯口，并设置有导线孔通向安装有微处理器模 块的槽内。钻铤上刻有一条与安装井眼姿态测量传感器工具面对齐的标志线， 钻铤内至少包含一个钻井液流道。
本发明的特征还包括以下步骤
设定伽马测量起始位置、测量结束位置、统计周期。
判断井底工况是否正常，如果否，发工况异常信息，如果是，检测标志线 位置。
记录当标志线从起始位置旋转到结束位置时的方位伽马值和测量时间。 判断测量时间是否大于统计周期，如果否，继续累计方位伽马值，测量时 间，如果是，计算伽马计数率，实现对地层伽马值的方位测量。 判断测量是否结束，如果否，继续测量，如果是，结束。
本发明的特征还包括两个伽马传感器通过导线直接和微处理器相连。井眼 姿态测量传感器由加速度计表、磁通门表、模拟转换开关、高速采集电路、微 处理器、通讯接口组成。这些部件组装为一个模块，通过导线和微处理器相连。 微处理器模块由模拟开关、伽马信号处理电路、井眼姿态信号处理电路、微处 理器、电源控制电路、存储器和通讯接口电路组成，这些电路安装在同一个电 路板上，通过导线孔内的导线连接到电源模块上。信号短传模块包括信号接口 电路、信号放大电路、信号发射电路。微处理器模块接收来自地面装置通过改 变泵序的下行通讯指令。本发明所述的一种旋转聚焦伽马测量装置及方法具有的有益效果是，由于
伽马传感器安装在镶嵌有伽马射线金属屏蔽层的u形槽内，而每个伽马传感器
通过控制开启和关闭时刻，实现只接收与其相对应的扇形区域内地层的伽马射 线，因此不但能够在钻井过程中实时测量地层岩性，还能够分辨上下界面岩性 特征，有效发现储层的上部盖层实现地质导向。另外，由于是在钻具连续旋转 状态下实现地层方位伽马值的测量，对正常钻进没有任何影响，改善钻井井身 轨迹质量，降低钻具与井壁之间磨阻，明显提高钻进时速，增加了钻具延伸的 极限位移。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1表示"一种旋转聚焦伽马测井装置"径向剖面图
图2表示"一种旋转聚焦伽马测井装置"轴向剖面图
图3表示"一种旋转聚焦伽马测井装置"信号处理电路模块框图
图4表示"一种旋转聚焦伽马测井装置"实现方位伽马测量方法流程图
1钻铤 2标志线 3密封圈
4上伽马传感器安装槽5屏蔽层 6上伽马传感器
7导线孔8井眼姿态测量传感器安装槽9井眼姿态测量传感器
IO下伽马传感器安装槽11盖板 12下伽马传感器
13微处理器模块安装槽14微处理器模块
15电源模块安装槽16电源模块17信号短传模块安装槽
18信号短传模块 19数据通讯口 20钻井液流道
21固定螺栓 22存储单元 23开始模块
24初始化模块 25异常信息模块 26测量转速、角加速度模块27判断角加速度模块 28判断速度模块29检测标志线位置模块 30判断标志线是否到达模块 31开启伽马、记录时刻tl模块
32检测标志线、记录伽马值模块33判断标志线是否结束模块 34关闭、记录、计算模块 35判断t是否大于统计周期模块
36计算、存储、实时通讯模块 37判断是否结束模块 38结束模块
具体实施例方式
现结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图l、图2所示，钻铤(l)作为伽马测量装置的安装骨架以及井下钻具的 一部分。在钻铤(1)壳体表面相隔90度各开有一组U形槽，在各U形槽之间设 有导线孔(7)。上伽马传感器(6)、下伽马传感器(12)分别安装在相差180度的 镶嵌有金属屏蔽层(5)的U形槽内。井眼姿态测量传感器(9)安装在上伽马传感 器安装槽(4〉下面的U形安装槽(8)内，并与钻铤(1)上的标志线(2〉对齐。微处 理器模块(14)，电源模块(16)、信号短传模块(18)分别安装于其余的U形安装 槽(13)、 (15)和(17)里。盖板(ll)压在U形槽的外边缘，盖板(ll)上安装有密 封圈(3)，固定螺栓(21)把盖板(11)固定到钻铤(1)上。钻铤(l)中部靠近微处理 器模块安装槽(13)处开有圆形的数据通讯口 (19)，并设置有导线孔(7)通向微处 理器模块安装槽(13)内。
钻铤(1)中心包括一个钻井液流道(20)，导流钻井液从地面到钻头。安装伽 马传感器的两U形槽位置相差180度，利用金属屏蔽层(5)和控制上伽马传感器 (6)、下伽马传感器(12)的打开、关闭时刻，使伽马传感器(6)接收射线来自伽 马传感器(6)随钻具旋转过程中所划过的弧面地层。同理，伽马传感器(12)的测量响应聚焦在伽马传感器(12〉随钻具旋转过程中所划过的弧面地层。这种按照 设定方位，实时控制打开、关闭伽马测量装置的方法，实现了随钻具旋转钻进 过程中对地层伽马值的方位测量。
图3、图4表示装置的信号处理电路模块框图和实现方法流程图。井底钻 具随地面转盘转动，驱动钻头钻进。电源模块(16)在微处理器模块(14)的控制 下给其他模块供电。微处理器模块(14)利用井眼姿态测量传感器(9)的数据解算 出钻具旋转速度、角加速度、标志线(2)的位置，判断钻具角加速度是否过大 (27)，转速是否过快(28)，等待井底工况正常后，判断标志线(2)位置是否到达 设置的测量开始位置(30)，达到测量开始位置后，开启上伽马传感器(6)和下伽 马传感器(12)，并记下打开时刻tl，伽马测量值AGl，伽马测量值AG2，判断标 志线(2)是否到达结束位置(33)，如果没有，继续等待，如果达到结束位置，关 闭上伽马传感器(6)，下伽马传感器(12)，记录伽马值AG1、 AG2和关闭时刻 t2，计算At-t2-tl,做累加G1=G1+AG1， G2二G2+AG2,t^+At,判断t是否大于 统计周期(35)，如果没有，返回(26)继续进行下一周的测量，如果大于统计周 期，计算伽马计数率cps一Gl-Gl/t, cps一G2-G2/t,并将结果存储到存储单元(22)， 通过信号短传模块(18)实时发到井下其他随钻仪器。判断测量结束否(37)，如果 否，返回步骤(24)，如果是，结束测量。
权利要求
1、一种旋转聚焦伽马测量装置，该装置包括钻铤(1)、标志线(2)、U形槽(4)、(8)、(10)、(13)、(15)、(17)、屏蔽层(5)、盖板(11)、密封圈(3)、上伽马传感器(6)、下伽马传感器(12)、井眼姿态测量传感器(9)、信号短传模块(18)、微处理器模块(14)、电源模块(16)、数据通讯口(19)、导线孔(7)、固定螺栓(21)，其特征是在钻铤(1)壳体表面相隔90度各开一组U形槽，在各U形槽之间开有导线孔(7)，上伽马传感器(6)、下伽马传感器(12)分别安装槽(4)和(10)内，井眼姿态测量传感器(9)安装在槽(8)内，微处理器模块(14)、电源模块(16)、信号短传模块(18)分别安装于其余的U形槽里，各模块之间通过导线孔(7)内的导线相连，盖板(11)上装有密封圈(3)，盖板(11)安装在U形槽里，固定螺栓(21)把盖板(11)固定到钻铤(1)上，钻铤(1)上开有数据通讯口(19)，并有导线孔(7)通向U形槽(13)内，钻铤(1)上刻有一条与井眼姿态测量传感器(9)工具面对齐的标志线(2)。
2、 根据权利要求(l)所述的一种旋转聚焦伽马测量装置，其特征是U形槽 (4)和(10)内镶嵌有屏蔽层(5)，屏蔽层(5)的材料如金属镉、铅。
3、 一种旋转聚焦伽马测量方法，其特征是包括以下步骤a) 设定伽马测量起始位置、测量结束位置、统计周期，b) 判断井底工况是否正常，如果否，发工况异常信息，如果是，进入步骤 (29)，检测标志线(2)位置，c) 记录当标志线(2)从起始位置旋转到结束位置时的方位伽马值和测量时间，d) 判断测量时间是否大于统计周期，如果否，返回步骤(26)，如果是，计 算伽马计数率，e) 判断测量是否结束，如果否，返回步骤(24)，如果是，结束。
4、根据权利要求3所述的一种旋转聚焦伽马测量方法，其特征在于设置伽 马测量起始、结束位置是由地面装置通过改变泵序进行下行通讯完成。
全文摘要
本发明公开了一种在石油钻井工程中用于地质导向的旋转聚焦伽马测量装置及方法。包括钻铤、U形安装槽、屏蔽层、盖板，密封圈、两个伽马传感器、井眼姿态测量传感器、信号短传模块、微处理器模块、电源模块、数据通讯口、钻井液导流通道、导线孔、固定螺栓，装置标志线。微处理器模块利用井眼姿态测量传感器的实时测量数据解算出标志线位置和井下钻具旋转速度，角加速度。根据标志线位置和设定位置比较，利用钻具旋转速度由微处理器计算出在钻具旋转一周内开启伽马的时刻、伽马测量时间和关闭伽马的时刻，并记录伽马值，对地层伽马值和伽马测量时间进行累加，实现旋转钻进时对地层伽马值的方位测量。
文档编号E21B49/00GK101482014SQ20091000939
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月23日 优先权日2009年2月23日
发明者崔海波, 张海花, 杨全进, 杨锦舟, 肖红兵 申请人:中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院