Question

基于成像技术的成像测井方法原理

Answer 1

成像测井是当今世界测井技术发展的重要成就之一，是现代测井技术的突出标志。它以能直观、清晰地展现井壁及地层内部二维空间地质特征的优点，使测井解释发生了从数字曲线到数字图像的飞跃，为许多复杂或疑难地质问题的解决提供了一种新的有效手段。目前，成像测井的种类可多达十余种，大体上可分为电成像测井、声成像测井和核成像测井几大类。下面对其中的主要几种成像测井作简要介绍。

13.6.1 电成像测井

13.6.1.1 微电阻率扫描成像测井

在地层学高分辨率地层倾角测井（SHDT）基础上迅速发展起来的地层微电阻率扫描（FMS）成像测井和全井眼地层微电阻率成像测井（FMI）是目前电成像测井中应用最广泛的一种方法。它利用贴井壁极板上的钮扣电极阵列记录上百条微电阻率（或电导率）曲线，这些曲线反映了极板所掠过的那部分井壁地层导电性的相对变化特征，具有极高的垂向分辨率（约0.5cm）。

对记录数据进行特殊处理和成像，可以把那些电导率曲线转换成按像素色彩或灰度等级刻度的图像，即微电阻率扫描图像（简称FMI）。进行这种刻度时，通常把大于仪器分辨率（微电导率映射地层特征的能力）的地层特征表示成几个分辨率单位像素，而把小于仪器分辨率的地层特征用一个分辨率单位表示。仪器的分辨率与极板电扣的几何结构，如电扣大小、电扣之间的间距、行距和阵列尺寸等有关，它们决定着扫描图像的清晰程度。在微电阻率扫描图像上，不同的色彩或灰度代表了紧靠井壁地层电阻率的高低，颜色越深，电阻率越小，反之，电阻率越大。因此，利用微电阻率扫描图像，可以像观察岩心图片一样清晰地描绘井壁地层的细微变化，如各种地层学特征、沉积学特征，以及孔洞、裂缝及其产状和方位等。

目前，市场上的这类成像测井仪有多种，典型的有斯仑贝谢公司的地层微电阻率扫描成像测井仪（FMS）和全井眼地层微电阻率成像测井仪（FMI）、西方阿特拉斯公司的微电导率成像测井仪（1022XA）和哈里伯顿公司的电子微成像测井仪（EMI）等，它们的主要技术指标如表13-2所示。

表13-2 几种微电阻率扫描成像测井仪的主要技术特征

13.6.1.2 阵列感应成像测井

阵列感应成像测井采用一种由多个接收线圈组成的阵列感应测井仪，通过对不同探测深度测量结果的信号处理，可产生不同纵向分辨率和不同径向探测深度的阵列感应曲线，利用这些曲线可进一步产生地层电阻率或含油饱和度的二维图像。

目前较成熟的阵列感应成像测井仪（AIT），采用一个发射线圈、8组接收线圈对和相应的电子线路组成，如图13-24所示。发射线圈采用20kHz和40kHz的频率进行工作，8组线圈采用同一频率，其中六组线圈系还采用另一种较高的频率。这样，8组线圈系实际上有14种探测深度的线圈距，每组线圈系测量同相信号R和90°相移信号X，共测出28个原始信号。这些原始信号经井眼校正和“软件聚焦”处理，可得三种纵向分辨率1ft（30.5cm）、2ft（61cm）和4ft（122cm），每一分辨率又有五种径向探测深度10in（25.4cm）、20in（50.8cm）、30in（76.2cm）、60in（152.4cm）和90in（228.6cm）的阵列应测井曲线。

图13-24 阵列感应成像测井仪

利用阵列感应测井提供的丰富测井信息中，高分辨率测井曲线用于薄层解释远优于常规方法，它能分辨出厚度为0.3m的薄地层。五种探测深度的测井曲线，可用四种参数模型进行反演，能求出较可靠的地层真电阻率R_t、过渡带（冲洗带）电阻率R_xo，以及过渡带内径（冲洗带半径）r₁和外径r₂。另外，通过对阵列感应测井曲线的成像处理，可以得出地层电阻率、视地层水电阻率和含油气饱和度的二维（井的轴向Z和径向r）直观图像。

13.6.1.3 方位侧向成像测井

方位电阻率成像测井（ARI）是在常规双侧向测井基础上演变而成的一种新型侧向测井方法。它在双侧向A₂屏蔽电极的中部增加一个由12个互成30°的电极组成方位电极阵列，以测量井周12个方位的定向电阻率值。

12个电极覆盖了井周360°方位范围内的地层，每个电极计算出的电阻率值，相当于每个电极在张开角30°所控制的范围内供电电流所穿过路径上介质的电阻率。因此，它是一种真正的三维测井方法。

将12个方位电极的供电电流求和，还可以提供一种高分辨率的侧向测井（LLHR）。这时12个方位侧向测井的电极可等效为一定高度的圆柱状电极，测得的电阻率相当于井周围介质电阻率的平均值。LLHR的纵向分辨率为8in（20.3cm），明显高于深、浅侧向测井。

方位侧向成像测井同时还保留了深、浅侧向测量，能同时给出LLD、LLS和LLHR三种侧向测井曲线。另外，通过对12条方位电阻率曲线进行成像处理，能得出按电导率刻度的ARI图像，用于分析井孔周围地层的非均质性和裂缝具有重要的意义。

13.6.2 声成像测井

13.6.2.1 井周声波成像测井

井周声波成像测井（CBIL）或称超声井眼成像测井（UBI）采用一个换能器既做发射又做接收。换能器以一定的发射频率（2000～4200/s）垂直向井壁发射2MHz的超声脉冲，并以一定的速率旋转，向井眼四周进行扫描。

在发射脉冲的间隙时间里记录由井壁反射回来的反射波。该反射波的能量取决于井内流体与井壁介质（岩石）的声阻抗差。由于在同一口井中井内流体的声阻抗可视为不变，因此记录的反射波能量可以反映井壁介质声阻抗的变化。显然，声阻抗大的介质，界面反射系数大，反射波能量强，反之反射波能量弱。

记录的反射波幅度是按井眼360°方位进行显示的。通过对整个井壁进行高分辨率成像可获得反映井壁介质物理状况的展开图。这对于探测裂缝、分析裂缝产状，以及了解岩石的非均质性是有益的。

需要指出，在测井过程中，探头将随仪器提升而旋转，以至声波脉冲信号的扫描轨迹是螺纹状的。为确定井壁图的方位，可在磁北极处把这样得到的扫描图截断，展开成井壁声波图像。另外，声波图像的分辨率要受到井径大小，井内泥浆，目的层的表面结构等因素的影响，图像的垂向分辨率则受扫描旋转速度和测井速度的制约。通过采用聚焦换能器、低频或大尺寸换能器以及增加垂向和横向采样率等措施，可以在一定程度上减小这些影响。

13.6.2.2 偶极横波成像测井

常规声波测井所用的换能器都是径向均匀膨胀振动的，称之为单极子声源。使用这种声源在地层横波速度低于井内流体声速时（如速度较低的软地层或泥岩层），由于井壁上没有滑行横波产生而记录不到横波。为了克服声波测井的这一缺陷，发展了偶极子横波成像测井（DSI）技术。

偶极子横波测井的声源由两个相距相近、强度相同，但相位相反的点声源组成。接收器部分为8个彼此相距6in（15.2 cm）的接收测站，每个测站又由互成90°的四个接收器组成，如图13-25所示。当偶极子声源在井内振动时，使井壁的一边增压，另一边减压，从而造成一个微小的井壁挠曲。这样，一方面在地层中激发纵波和横波，另一方面这种挠曲波在井眼流体中沿井轴方向传播，使井眼流体形成压力挠动。偶极子的接收器正是通过对挠曲波的测量来计算地层横波的。

目前的偶极横波成像测井是把单极子和偶极子发射器与8个单极子和偶极子接收器灵活地组合在一起进行测量，最终输出地层纵波、横波和斯通利波速度或时差，连续的泊松比曲线和全波列记录。利用这些垂向分辨率较高的纵、横波速度或时差，可以更好地确定地层孔隙度、计算岩石弹性力学参数和估计地层渗透率；利用声波能量的衰减变化，通过成像处理，可以识别裂缝、判断裂缝方位和地层的各向异性。

图13-25 偶极横波成像测井仪概貌

13.6.3 核成像测井

核成像测井技术中较成熟的一种方法是阵列中子孔隙度-岩性成像测井（APS）。它采用脉冲中子发生器发射14MeV的快中子，由五个氦计数管组成的阵列探测器记录超热中子和热中子。五个探测器用含硼的硬合金屏蔽，其中三个探测器记录近源距超热中子，一个记录远源距超热中子，另一个记录远源距热中子（如图 13-26 所示）。仪器的纵向分辨率可分别达到16.5cm（近源距）和23cm（远源距）。

实际测井时，利用短源距和长源距超热中子探测器，可像补偿中子测井那样由计数率比值法求地层的中子孔隙度。利用双短源距超热中子探测器可以做高分辨率超热中子测井，同时还可测量中子脉冲间隔时间内超热中子计数率的时间分布，其衰减常数是快中子慢化时间的量度，与地层含氢指数有关。利用长源距热中子探测器，可记录热中子计数率的时间分布，并由此求得与岩性有关的热中子宏观俘获截面Σ和热中子寿命τ。