基于积分计算的随钻方位伽马正演方法、装置及设备与流程

本发明涉及随钻数据处理技术领域，尤其涉及一种基于积分计算的随钻方位伽马正演方法、装置及设备。

背景技术：

地质导向是目前开发复杂油藏、薄油藏的主要方法。地质导向通过实时上传钻井过程中的工程和地质参数，实时分析得到钻进轨迹和钻遇地质信息。自然伽马测井是地质导向的重要参考数据之一，可以根据方位测井数据划分地质层位，确定砂岩泥质含量和定性判断岩层渗透率。利用方位伽马正演，研究不同地质构造下的方位伽马图像响应特征并建立经验模型，可以为地质导向钻井提供理论依据。

目前随钻方位伽马正演的方法主要有蒙特卡洛方法、面积比例方法、积分计算方法等三种方法。蒙特卡洛方法是一种统计模拟方法，该方法是最为精确的，但是该方法计算量较大，效率低，在测井响应影响因素分析和测井仪器优化设计方面具有较好的效果，在实时地质导向中难以满足实时更新需求并在短时间内提供决策。面积比例的方法是根据接收射线的面积范围在不同地层中的面积比例计算的，该方法计算简单、计算速度快，但是伽马射线在地层中传播会产生衰减，并且不同的地层的衰减程度不同，该方法没有考虑到伽马射线的衰减问题。积分计算方法是根据伽马射线探测原理实现的，该方法模拟方位伽马计数器的计数原理，考虑伽马计数器接收伽马射线的范围以及伽马射线在不同地层中的衰减系数，利用积分算法模拟方位伽马探测器所在位置的接收到的伽马射线通量，是一种比较快速准确的方位伽马正演算法。实现方位伽马快速正演的关键点在于分析地层与模拟方位伽马探测器探测范围处于不同的相对位置时的伽马射线通量积分计算过程。

例如文献1：邵才瑞,曹先军,陈国兴,等.随钻伽马测井快速正演算法及地质导向应用[j].地球物理学报,2013,56(11):3932-3942.中进行了自然伽马正演模型的计算，文中分析了水平层以及非常规地层中地层与无屏蔽层下的球形自然伽马探测范围相交于不同位置的几种物理模型，并建立了正演计算模型，详细介绍了计算公式。最后介绍了在数值地层模型下的模拟效果以及在实际生产中的应用实例。

例如文献2：qinz,panh,wangz,etal.afastforwardalgorithmforreal-timegeosteeringofazimuthalgamma-raylogging[j].appliedradiation&isotopes(s0969-8043),2017,123(2):114-120.分析了地层介质的数值模型和方位伽马探测仪的数值模型，考虑到了与自然伽马探测仪相比，方位伽马探测仪的探测器背后具有屏蔽层，分析了屏蔽层下探测范围与地层位置相交的两种简单物理模型，得到了上下两方位伽马的正演模拟计算公式。

自然伽马正演中，模拟伽马探测器探测范围是球形范围，积分过程较为简单。方位伽马探测器背面设有屏蔽层，屏蔽层的存在使得伽马探测器只能接收到来自一面的伽马射线，模拟探测范围变成了锥体和弓形的组合体，加之地层与探测范围相交的相交方向具有不规则性，加大了积分计算的难度。

技术实现要素：

本发明目的：在已有的随钻方位伽马正演算法的基础上，提出了一种基于积分技术的随钻方位伽马正演算法，该方法基于随钻方位伽马探测仪的基本探测原理，建立了随钻方位伽马探测仪的数值模拟模型，分析了随钻方位伽马探测器探测范围与地层相交于不同相对位置的物理模型，将笛卡尔坐标与球坐标下的积分过程相结合，建立了不同物理模型下的随钻方位伽马正演算法计算模型。

本发明申请提供一种基于积分计算的随钻方位伽马正演算法，包括以下步骤：

步骤s1：建立方位伽马正演模拟探测模型，根据正演所用方位伽马探测器的仪器参数设定正演过程所需仪器参数，根据地震资料以及地质信息设定地层放射性参数等相关信息；

步骤s2：从井轨迹起始点开始，根据井轨迹和测距计算采样点；

步骤s3：根据积分计算中心与地层分界面的位置关系，以及所述地层分界面与积分计算区域中垂线夹角判断所述积分计算区域与所述地层分界面的相对位置物理模型，根据所述相对位置物理模型选择积分计算模型；

步骤s4：根据积分计算公式和预设参数，自动计算每个模拟探测点的伽马射线积分通量，形成方位伽马正演数据；

步骤s5：根据所述方位伽马正演数据进行曲线绘制和伽马成像，获取到该地质构造下的随钻方位伽马先验模型。

进一步的，步骤s1具体为：根据所需随钻方位伽马探测仪方位数目要求与随钻方位伽马探测器的分布，建立随钻方位伽马探测仪数值模拟模型，根据方位伽马探测仪开槽角度等基本仪器参数，设定模拟方位伽马探测器探测范围锥体顶角设定伽马探测器的探测深度r0、方位伽马测量步长s、探测器距离钻头中心径向距离d。根据需要模拟的地层地质构造参数建立简化的地层计算模型，定义不相交平面为不同地层之间的分界面，平面与平面之间为地层，为地层设置随钻方位伽马计算所需的参数：地层放射性参数、地层密度、射线吸收系数。将井轨迹简化为支线，根据设计井轨迹与地层面的倾角关系设置地层分界平面倾角；

进一步的，步骤s2具体为：选取井轨迹起始端一点作为测量起始点，另一端一点为测量终点。从起始点开始，每移动固定步长s作为采样点，以采样点为圆心，井轨迹方向向量为法向量，探测器与钻头中心径向距离d为半径做平面圆。计算圆上的八等分点为八方位的方位伽马模拟探测点，即积分计算中心。如果计算16方位的方位伽马模拟探测点，即计算十六等分点；

进一步的，步骤s3具体为：由于方位伽马屏蔽层的存在，方位伽马探测范围为锥体与弓形的组合体，锥体的顶角为开槽角度。以等分点与采样点的连线作为该积分区域的中垂线方向，分析积分区域与地层分界面的位置关系，选择对应相对位置的积分计算模型，计算此点接收到的伽马射线通量，即为该方位的随钻方位伽马数据。八个方位的积分值即为该高度上的方位伽马正演数值；

进一步的，步骤s3具体还包括：

步骤s31：分析积分区域与地层分界面的位置关系，积分区域为半径为探测深度r0的球体上以为顶角截取的锥体和弓形的组合体，锥体的中垂线因方位不同指向不同方向，利用该特点判断积分区域与地层面的位置关系。

步骤s32：计算积分中心o与地层面的最短距离d，计算积分区域中垂线与地层面的夹角根据距离和夹角判断积分区域与地层面相对位置的物理模型。

步骤s33：首先将地层面与积分区域的位置关系主要分为两种，第一种是地层面与积分区域不相交，该情况下积分区域无需变换，直接计算，二种是地层面与积分区域有相交，根据地层面与积分区域相交的位置不同又可细分为地层面仅与锥体相交、地层面仅与弓形相交、地层面与锥体和弓形同时相交。

步骤s34：根据地层面与积分区域相交的位置关系，选择对应位置模型下的计算模型进行计算。

第二方面，本发明申请还提供一种基于积分计算的随钻方位伽马正演装置，该装置包括：

探测模型建立模块：用于建立方位伽马正演模拟探测模型，根据正演所用方位伽马探测器的仪器参数设定正演过程所需仪器参数，根据地震资料以及地质信息设定地层放射性参数等相关信息；

采样点计算模块：用于从井轨迹起始点开始，根据井轨迹和测距计算采样点；

计算模型选择模块：用于根据积分计算中心与地层分界面的位置关系，以及所述地层分界面与积分计算区域中垂线夹角判断所述积分计算区域与所述地层分界面的相对位置物理模型，根据所述相对位置物理模型选择积分计算模型；

积分值计算模块：用于根据积分计算公式和预设参数，自动计算每个模拟探测点的伽马射线积分通量，形成方位伽马正演数据；

先验模型计算模块：用于根据所述方位伽马正演数据进行曲线绘制和伽马成像，获取到该地质构造下的随钻方位伽马先验模型。

第三方面，本发明申请还提供一种随钻方位伽马探测仪，其特征在于，所述随钻方位伽马探测仪包括：上述第二方面的伽马正演装置，用于执行第一方面任一所述的伽马正演方法。

本发明的有益效果是能够快速准确的进行随钻方位伽马正演模拟，正演方法考虑了不同地层的放射线参数差别、地层衰减系数差别，研究了随钻方位伽马测井仪中屏蔽层对伽马探测器接收到的伽马射线范围的影响，只对探测范围内的伽马射线进行统计。根据用户设置地层构造情况，正演获得随钻方位伽马数据的先验模型，指导地质导向钻井。可以根据方位伽马正演算法模拟钻头钻遇不同地层时的方位伽马图像响应特征，方便用户根据图像特征准确及时获得地下情况。同时，可以在地质导向中快速准确的进行随钻方位伽马正演模拟，基于伽马闪烁计数器的原理进行正演，具有较高的准确性，计算简单，具有较高的效率。并为实时地质导向提供了理论依据。

附图说明

附图1为本发明申请提供的基于积分计算的随钻方位伽马正演方法对应的流程示意图；

附图2为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的正演地层简化模型图；

附图3为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的地层与积分区域相对位置图；

附图4为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的地层与弓形和锥体相交的细分图；

附图5为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的地层穿越中垂线的分割图；

附图6为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的地层仅与弓形相交的分割图；

附图7为本发明申请提供的伽马正演方法所对应的地层仅与锥体相交的分割图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

下面，通过具体实施例对本申请所示的技术方案进行详细说明。需要说明的是，下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

实施例1

本发明申请实施例提供一种基于积分计算的随钻方位伽马正演算法，具体实施方案包括如下步骤，步骤如图1所示：

(1)步骤s1：建立探测模型。建立方位伽马正演模拟探测模型，根据正演所用方位伽马探测器的仪器参数设定正演过程所需仪器参数。建立空间坐标，设计正演地层简化模型如图2，用空间直线表示井轨迹，根据设计井轨迹与地层相交的相对夹角，设置地层分界面倾角，用空间平面表示地层分界面，空间平面的一般方程为ax+by+cz+d＝0，根据地震资料以及地质信息设定地层放射性参数等相关信息。

(2)步骤s2：采样点计算。从井轨迹起始点开始，以起始点为第一个基准点a(x1,y1,z1)，在井轨迹上下一个采样点b(x2,y2,z2)，a、b均位于井轨迹直线上，ab长为s，计算以b点为圆心、ab为法向量、探测器距钻头轴向距离d为半径做平面圆，并计算等分点做为积分计算中心o(xo,yo,zo)。

(3)步骤s3：选择计算模型。积分计算中心o必定处于两个平面p1、p2之间(位于平面p1上认为是处于该平面p1和与该平面距离最近的平面p2之间)，计算o点与平面p1、p2的距离d1、d2，选取二者较小值为d。

首先将地层面与积分区域的位置关系主要分为两种，第一种是地层面与积分区域不相交，采样点的伽马射线通量只与所处地层有关，该情况下对整个积分区域进行积分；第二种是地层面与积分区域有相交，采样点的伽马射线通量受两个地层影响，需要考虑不同地层的放射性不同以及射线衰减系数、地层密度不同会对射线传输过程产生不同的影响。若d>r0，则积分区域与地层面不相交，在单地层中计算伽马射线积分通量即可，计算公式如下：

其中为圆锥顶角的一半，即π/4。若d<r0，则积分区域和地层面可能相交，根据中垂线与地层面的夹角判断地层面与积分区域相交的位置关系。

情况(a)：地层面与锥体和弓形同时相交，如图3(a)。该情况下根据地层面是否和中垂线相交，又可具体细分为以下两种情况。

情况(a1)：地层面穿越中垂线，如图4(a)，这种需要对积分区域做分割，计算oo2与oa的夹角即oa的仰角oo2与地层平面的夹角即中垂线与地层平面的夹角如图5中所示夹角。

情况(a2)：地层面不穿越中垂线，如图4(b)。这种情况下直接计算位于地层2中的伽马射线通量，位于地层1中的伽马射线通量通过地层2数值和整个积分区域计算得到。

情况(b)：地层面仅与弓形相交，如图3(b)。该情况下，如果按照地层平面与球面的相交圆切割，将锥体最外侧部分去除，剩下的部分仍为锥体和弓形的组合体。该情况下只需要参数地层面与积分计算中心的距离d，根据d计算得到新的锥体最外层仰角

情况(c)：地层面仅与锥体相交，如图3(c)。

选取探测点物理模型对应的计算模型，对步骤(3)中的每种具体情况，选择对应的积分计算公式。

情况(a1)：地层面穿越中垂线，如图4(a)，这种需要对积分区域做分割，计算所需角度，如图5。针对不同的区域，选择对应的公式进行计算。整个区域的计算公式如下：

其中每个区域的具体计算如下：

为a的仰角，由用户设置，一般随钻方位伽马测井仪器设置为π/4；为方位角不同时对应的仰角，α为e点方位角，二者计算如下：

为地层平面与圆锥中垂线og的夹角。

r1为图5中积分中心o到地层面的长度，由下式计算。

情况(a2)：地层面不穿越中垂线，如图4(b)，直接计算位于地层2中的区域的积分值，计算公式如下：

j＝jaob-jbo`+jbo

情况(b)：当地层面仅与弓形相交，将探测范围按照地层面与探测区域表面的相交的圆分割，将锥体最外层部分切除，如图6(a)所示，分割结果所得中心部分如图6(b)所示。伽马射线通量计算公式如下：

j＝jaob-jcedf`+jcedf

d是图中oe的长度，即积分中心与平面的距离。为c和d的仰角，由下式计算：

情况(c)：当地层面仅与锥体相交，按照地层面分割上下两个部分，如图7所示。

j＝jcod+jacdb

其中r1是地层面上不同点与积分中心o的距离

(4)步骤s4：计算积分值。根据积分计算公式和预设参数，自动计算每个模拟探测点的伽马射线积分通量。每个等分圆上的点组成一个高度上的随钻方位伽马模拟值。

(5)步骤s5：建立先验模型。根据方位伽马正演数据进行曲线绘制和伽马成像，获取到该地质构造下的随钻方位伽马先验模型。

本发明的有益效果是能够快速准确的进行随钻方位伽马正演模拟，正演方法考虑了不同地层的放射线参数差别、地层衰减系数差别，研究了随钻方位伽马测井仪中屏蔽层对伽马探测器接收到的伽马射线范围的影响，只对探测范围内的伽马射线进行统计。根据用户设置地层构造情况，正演获得随钻方位伽马数据的先验模型，指导地质导向钻井。可以根据方位伽马正演算法模拟钻头钻遇不同地层时的方位伽马图像响应特征，方便用户根据图像特征准确及时获得地下情况。同时，可以在地质导向中快速准确的进行随钻方位伽马正演模拟，基于伽马闪烁计数器的原理进行正演，具有较高的准确性，计算简单，具有较高的效率。并为实时地质导向提供了理论依据。

实施例2

本发明申请还提供一种基于积分计算的随钻方位伽马正演装置，该伽马正演装置包括：

探测模型建立模块：用于建立方位伽马正演模拟探测模型，根据正演所用方位伽马探测器的仪器参数设定正演过程所需仪器参数，根据地震资料以及地质信息设定地层放射性参数等相关信息；

采样点计算模块：用于从井轨迹起始点开始，根据井轨迹和测距计算采样点；

计算模型选择模块：用于根据积分计算中心与地层分界面的位置关系，以及所述地层分界面与积分计算区域中垂线夹角判断所述积分计算区域与所述地层分界面的相对位置物理模型，根据所述相对位置物理模型选择积分计算模型；

积分值计算模块：用于根据积分计算公式和预设参数，自动计算每个模拟探测点的伽马射线积分通量，形成方位伽马正演数据；

先验模型计算模块：用于根据所述方位伽马正演数据进行曲线绘制和伽马成像，获取到该地质构造下的随钻方位伽马先验模型。

实施例3

本发明申请还提供一种随钻方位伽马探测仪，其特征在于，所述随钻方位伽马探测仪包括：实施例2中的伽马正演装置，用于执行实施例1任一所述的伽马正演方法。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。