Question

井壁成像测井

Answer 1

6. 2. 1 地层微电阻率成像测井

地层微电阻率成像测井由高分辨率地层学地层倾角仪发展而来，最早以斯伦贝谢公司20 世纪 80 年代推出的地层微电阻率成像测井仪 FMS ( Formation Micro Scanner) 为代表。FMS 可以提供反映井壁周围地层电阻率的图像，刚一推出即在地层评价和地质应用中取得很大的优势，这也促进了该技术迅速发展。斯伦贝谢公司在不到三年的时间内对 FMS进行了三次重大改进，推出了全井眼微电阻率扫描成像测井仪 FMI ( Fullbore MicroscanImager ) 。阿特拉斯公司、哈里伯顿公司也先后跟进，推出 STAR Imager、EMI ( ElectricalMicro Imaging) 。下面将主要介绍斯伦贝谢公司的全井眼微电阻率扫描成像测井仪 FMI。

6. 2. 1. 1 FMI 仪器结构与测量原理

FMI 仪器主要由 5 个部分组成，包括遥测、控制、绝缘短节、采集短节和测斜部分、极板和探头，如图 6. 2. 1 ( a) 所示。

1) 遥测部分。用于传递数据，由钮扣电极扫描采集的地层信息以及各种辅助测量、控制测量值一起经测井电缆被送至地面，数据传输的速率为 200kb/s。

图 6. 2. 1 FMI 结构和测量原理图

2) 控制部分。控制短节中的自动控制环路，可以放大描述岩石特征的信号，扩大仪器的动态范围，能够周期性地检查各个支路的工作状态，并反馈给测井工程师，实现井下仪器的最佳控制，增强了仪器使用的灵活性，对仪器的运行提供方便，使三种测井方式都能在最短时间内采集所需要的数据。

3) 绝缘短节。它可使探头与电子线路外壳绝缘，以便电流从极板流入地层、回到电子线路外壳，且使两者有一定的电位差。这种排列的一个优点是，组合测井时 FMI 可作为 ARI 的低端回路电极。

4) 采集短节和测斜部分。采集短节具有以下功能，从微电导率数据中滤掉直流成分，如 SP; 对信号数字化，以提高信号的抗干扰性; 对数字信号滤波，提高信噪比; 对数字信号处理，以确定地层微电导率数据的同相位幅度。

测斜部分可以测量仪器和井眼倾斜方位，以及井眼的倾角。方位角的测量精度为 2°，井斜角为 0. 2°。还可以测量仪器的加速度，用于对图像处理和倾角计算时的速度校正。

5) 极板和探头。极板部分由钮扣电极阵列和高精度的电子线路组成。电子线路用于采样、检测和放大钮扣电极信号，保证了图像的分辨率和清晰度。极板的设计可以使仪器在大斜度井或水平井中有可靠的响应。

仪器有 4 个相互垂直的推靠臂，每个推靠臂上安装有两个极板，上部为主极板，下部为折页极板，如图 6. 2. 1 ( b) 。折页极板打开后，能自动适应井眼形状，使之贴紧井壁，能保证仪器主体与井轴不平行时，各极板仍然能与井壁紧密接触。每个极板中央安装有两排钮扣电极，每排有 12 个电极，八个极板上共安装有 192 个电极。钮扣电极的直径为0. 16in ( 4. 1mm) ，其周围绝缘环的外缘直径为 0. 24in ( 6. 1mm) ; 两排电极之间的间距为0.3in(7.62mm)，上下两排电极相互错开，上下两个电极之间的横向距离为电极的半径0.08in(2.05mm)，即保证两个电极之间有半个电极是重叠的［图6.2.1(b)］，这样在测量时，在电极阵列所控制的范围内，所有井壁表面可被电极全面扫过，是谓全井眼扫描。仪器分辨率为0.2in(5.1mm)。

FMI的测量原理如图6.2.1(a)所示。电流回路为上部电极—地层—下部电极。上部电极是仪器电子线路的外壳，下部电极为极板。测量时，8个极板全部紧贴井壁，由成像测井地面系统控制向地层发射电流，记录每个电极的电流及所施加的电压，它们反映井壁四周地层微电阻率的变化。FMI可以进行3种模式测井。

1)全井眼模式。用192个钮扣电极进行测量。在6 1/4in井眼，井壁覆盖率为93%;在8 1/2in井眼，井壁覆盖率为80%;在12 1/4ing井眼，井壁覆盖率为50%。

2)四极板模式。只是用四个主极板，这种模式与FMS测井相似，适用于地层较为熟悉的地区，可以节省费用，提高测井速度。

3)地层倾角模式。只使用四个极板上的8个测量电极，可得到与高分辨率地层倾角测井仪相同的结果。

6.2.1.2 数据处理

由FMI测量信息映射为井壁微电阻率图像需经过下列处理步骤。

(1)预处理

1)自动增益和电流校正。被测地层电阻率动态范围变化大，要使测量电极电流的动态范围变化相应地大，需通过自动增益控制和改变供电电流而实现。

2)失效电极检测及补偿。通过对每个电极电流在选择的处理窗口段上的电流分布直方图分析，去掉那些电极电流不随地层变化的电极信息，利用有效相邻电极相应测点处的测量值的插值对失效电极测量值进行填补。

3)速度校正和电极方位定位。第一步用三分量加速度计的测量信息将阵列电极的电流时间域测量信息映射为深度域测量信息，即确定每个测点的深度。校正方法完全等同于地层倾角测井的速度校正。第二步利用三分量磁通量测量信息和加速度测量信息确定每个电极相对于磁北极的方位角。

另外，还须要对每个电极测量的信息(或曲线)进行“深度对齐”。由于极板上两排电极间的距离为0.3in，不做深度对齐时，两排电极显示的异常具有深度偏移。翼板(即折页极板)上的电极与主极板上的电极相距5.7in，显示的异常则有更大的深度偏移。在对像素处理时必须首先将各电极的测量结果做深度对齐处理，图6.2.2是深度对齐前后的电极异常显示。

上述处理又称为成像测井的预处理，目标是获得一个电极空间位置正确的图像信息集。重构为井壁图像。

图6.2.2 深度对齐前后的FMI电阻率曲线

(2)转换成强度图像

为了把每个钮扣电极的电流转换为变强度的图像，在输出的图像中用16种级别的灰度显示，在解释工作站上可用256种色标来显示图像，图像中的每一个“像素”点对应于某一特定范围的电流电平。通常可用两种方案来选择灰度和色彩级别，即所谓“静态”归一化和“动态”归一化。又称均衡处理。

1)“静态”归一化。在较大的深度段内(相应于某层段或某一储集层段)，对仪器的响应进行归一化，即在一个深度处特定色彩表示的电阻率，而另一深度处如果色彩相同，即表示该深度处具有同样的电阻率，这种归一化的优点是在较长的井段内通过灰度和颜色的比较来对比电阻率。其不足之处是不能分辨小范围内微电阻率的变化。图6.2.3(a)是经过“静态”归一化处理的成像图。

图6.2.3 FMI图像

2)“动态”归一化。即在较短的井段内，选择灰度的深浅和色彩的浓淡来表征电流电平的级别，因此能反映局部范围微电阻率的变化，从而能更精细地研究井壁岩石结构、裂缝等变化，通常其纵向窗长为3ft这种方法的优点能显示局部范围内微电阻率的相对变化。图6.2.3(b)是同一井段经过“动态”归一化处理的成像图，与图6.2.3(a)相比，能更详细地划分井壁地层的变化，尤其在剖面的顶部，清楚地显示地层层理的变化等，而在图

6.2.3 (a)中则没有这种显示。

3)图形显示。当一平面与井身圆柱体垂直相切时，井壁在0°～360°的展开图上呈一直线。当一平面与井身圆柱斜交时，井壁与斜交平面切出一椭圆，在0°～360°的展开图上呈正弦曲线状，平面与井轴相交的角度愈大，则正弦曲线的幅度也愈大，并能从展开图上确定出平面的倾角与走向(图6.2.4)。根据这种成像显示，就可以确定地层的层理或裂缝的产状等，从而能利用井壁成像研究井周地层的有关地质特征。

6.2.1.3 资料的解释与应用

相邻地层岩石之间的电阻率有差异，FMI图像上就会有反映;这种电阻率差异愈大，图像上反映的差别就愈明显。在FMI图像中，高电阻率岩性对应浅色的图像，如含油气地层、致密层等;低电阻率的岩性对应深色的图像，如泥岩、充满钻井液(水基钻井液)的裂缝等。

解释FMI图像要有比较丰富的地质知识，因为不同的地质现象在FMI图像上可能会有相同或相似的图像显示，例如溶孔和高电导的黏土颗粒或高电导矿物结核在FMI图像上都显示为黑色围斑。要用地质规律和地质知识来刻度FMI图像，区分不同的地质现象，才能得到正确的解释结果。

FMI图像可以用来识别岩石中的裂缝、溶孔，还可以用来解释地层孔隙特性、沉积相、地层构造和进行岩性对比。

图6.2.4 井壁成像的显示特征

FMI图像主要的地质应用包括以下几个方面:①裂缝识别及评价;②地质构造解释;③地层沉积相和沉积环境解释;④储层评价;⑤地应力方向确定;⑥岩心深度归位和定向;⑦高分辨率薄层分析与评价。

通常在一个地区，选有代表性的参数井进行取心，并作全井眼微电阻率扫描成像测井，通过与岩心柱的详细对比，研究有关地质特征在井壁图像中的显示，就能充分地利用这些特征解决地质问题，下面通过一些实例来说明其应用。

图6.2.5中(a)图清楚地显示出地层的层理、裂缝，(b)图清楚地指示出低角度缝、高角度缝。图6.2.6图显示出孔洞、泥质条带、砂砾岩、巨砾岩。

图6.2.5 FMI图像显示的地层层理和裂缝

图6.2.6 FMI图像显示的孔洞、泥质条带、砂砾岩、巨砾岩(a)孔洞;(b)泥质条带;(c)砂砾岩;(d)巨砾岩

地层微电阻率成像测井由于分辨率高，在识别薄层、孔隙变化、裂缝以及沉积特征等方面具有广阔的应用前景。因此在一个地区一定要选几口有代表性的参数井或关键井进行地层微电阻率扫描成像测井，并与岩心进行对比，找出该地区地质特征的变化规律，这样可以大量减少取心井数，同时又能为油田勘探与开发提供重要而丰富的地质信息。

6. 2. 2 井壁声波成像测井

20 世纪 60 年代末期由 Mobile 公司开发的井下电视 ( BHTV，Borehole Television) 是第一种能在典型油井中运用的井下成像设备。井下电视就像给井壁做超声波扫描，可连续记录井壁图像。早期的成像测井图像显示了一些井壁上有趣的现象，如裂缝、崩塌、主要岩性界面，以及套管射孔和连接。Amoco 公司、Shell 公司和 Arco 公司先后对这种技术作了改进。今天所有的石油公司都提供超声井眼成像测量。尽管也做了一些折射实验，但所有的井眼超声成像测量都是用的反射模式。这些较新的仪器仍使用原先井下电视的大多数部件，只是术语 “电视”已被 “超声成像”或 “扫描”代替。目前代表性超声成像测井仪器有: 斯伦贝谢的超声成像仪 USI ( Ultra Sonic Imager) 和超声井眼成像仪 UBI( Ultrasonic Borehole Imager) ，阿特拉斯的井周声波成像测井仪 CBIL ( CircumferentialBorehole Imaging Log ) ， 哈 里 伯 顿 的 井 周 声 波 扫 描 仪 CAST ( Circumferential AcousticScanning Tool) ，国内华北油田的井下电视仪等。这些仪器可在充满清水、原油、导电和不导电泥浆的裸眼井及套管井中测井，不能在空井眼中使用。

6. 2. 2. 1 测量原理

仪器的核心部件是一个由片状压电陶瓷材料制成的超声换能器，该换能器既用作发射器，也用做接收器。它由一个马达驱动，在井下可作 360°旋转 ［图 6. 2. 7 ( a) 、 ( b) ］。通常用 1500Hz 的电脉冲激发换能器，使其发射超声波。声波沿井眼钻井液传播，在井壁被反射，又返回换能器。换能器将接收到的声波信号转换成电信号后经电子线路送到地面系统。早期仪器的换能器的工作频率约为 1. 3MHz，目前所用的仪器中已降为几百 kHz。下井仪中有一个三轴加速度计和磁力计可得到仪器的方位，以此为参考记号 ( 仪器零) ，就可得到发射器发射脉冲的方位。

地球物理测井教程

图 6. 2. 7 井壁声波成像测井测量原理|( a) 驱动电机、换能器和磁力仪结构示意图; ( b) 换能器声脉冲在井壁的扫描线示意图;( c) 测量的脉冲 － 回波信号

仪器可测量两个参数: ① 换能器接收到的回波信号幅度; ② 声波从换能器到井壁并返回换能器的这一段旅行时间，也称传播时间或双程旅行时 ［图 6. 2. 7 ( c) ］。岩石声阻抗的变化会引起回波信号幅度的变化，井径的变化会引起传播时间的变化。将测量的反射波幅度和传播时间按井眼内360°方位显示成图像，可以是灰度图，也可以是彩色图，由此图像上的一些特征差异可看出井下岩性及几何界面的变化，如冲蚀带、裂缝和孔洞等。

影响超声成像测井仪分辨率的主要因素主要包括以下几个方面: ① 换能器工作频率;② 井内钻井液; ③ 测量距离; ④ 目的层的表面结构; ⑤ 目的层的倾角; ⑥ 岩石的波阻抗差异。

6. 2. 2. 2 资料处理

超声换能器接收到声波信号后将其转换成电信号，此电信号为模拟信号。在早期的井下电视成像测井中，井下仪器的模拟信号传输至地面后是不能对其进行校正、处理的。数字成像技术可以采用多种方法处理各种信号，优化图像参数，得到高质量的图像。井壁声波成像测井资料处理包括图像处理、图像输出。

( 1) 图像处理

图像处理的主要工作包括: ① 信号调解，对测井原始数据进行必要的校正和刻度，消除干扰，提高数据质量; ② 图像增强，对测井图像进行处理，提高图像清晰度和视觉效果; ③ 图像分析，对测井图像进行地质解释，统计裂缝。

( 2) 图像输出

图像输出格式包括: ① 井壁平面展开图，也是最常用的图，有两种，幅度图和传播时间图，通常两种图并排地显示在一起，以便互相对比进行解释 ( 图 6. 2. 8) ; ② 井 眼 立 体 图( 图 6. 2. 9) ; ③ 截面图; ④ 裂缝迹线图，包括幅度图像、裂缝迹线和裂缝参数; ⑤ 裂缝参数曲线图，包括幅度图像和裂缝密度、裂缝长度、裂缝宽度、裂缝面孔率四条参数曲线; ⑥ 回波幅度波形图，有两种表示方式的波形，一种是竖向的，另一种是横向的;⑦ 声波井径波形图，也有竖向和横向两种表示方式; ⑧ 裂缝施密特图，用图标将裂缝按其产状表示在一个半球上，从球心向外表示倾角，顺时针方向表示倾向。此外，还有裂缝数据表和裂缝分组数据表等。

图 6. 2. 8 井壁展开幅度图和传播时间图

图 6. 2. 9 井壁展开幅度图及立体图

图像输出颜色一般有黑白和彩色两种 ( 表 6. 2. 1) 。黑白图像实际上是灰度调制，一般都规定黑色代表回波幅度弱或传播时间长，而白色代表回波幅度强或传播时间短。彩色图像实际上是伪彩色，把调制信号强度数值分为 256 ( 0，…，255) 个等级，不同的强度数值与不同的色彩相对应。有多种不同的方案，如黑 －红 －黄 －白方案和红 －白 －绿方案等。

表 6. 2. 1 图像色彩分类方案

6. 2. 2. 3 资料的解释与应用

在井壁平面展开幅度图像上: ① 与井眼相交的任何构造，无论是倾斜相交还是垂直相交，其特征线型都具有镜像对称性，而由钻具、测井电缆和打捞工具等在井眼表面引起的刮痕，一般都不能产生这种镜像对称的特征线型 ( 图 6. 2. 8) 。② 天然裂缝、孔洞以及套管井中的套管裂缝、射孔孔眼等，呈现为黑色特征线型或区域; 缺少构造的坚硬光滑井壁，因为反射信号较强，表现为一片白色区域 ［图 6. 2. 9］。③ 和井眼倾斜相交的平面裂缝 ( 或层面) ，呈黑色正弦线型 ( 图 6. 2. 8) ; 与井眼相交的平面水平裂缝可视为倾斜裂缝的特例，表现为一条横贯测井图的水平线段。④ 和井眼相交的垂直构造，表现为垂直的直线; 与垂直构造的任何偏离，例如图中位于该垂直裂缝中部附近的凹陷，则表现为曲线。⑤ 井壁上的孔洞，表现为孤立的、形状不规则的斑痕 ( 图 6. 2. 8) 。

在井壁平面展开传播时间图上:① 和井眼相交的张开裂缝，具有与幅度图上相似的特征线型。② 井壁崩落坍塌、井眼不圆、套管腐蚀和破损等。

目前，井壁声波成像测井在油田现场发挥着极大的作用，可用来解决下述有关问题:

1) 360°空间范围内的高分辨率井径测量，分析井眼的几何形状 ( 图6. 2. 8、图 6. 2. 10 ) ， 推 算 地 应 力方向;

图 6. 2. 10 井眼立体图1in≈2. 54cm

2) 确定地层厚度和倾角;

3) 探测裂缝，识别裂缝，划分裂缝带 ( 图 6. 2. 8) ;

4) 进行地层形态和构造分析;

5) 对井壁取心进行归位 ( 图 6. 2. 11) ;

6) 测量套管内径和厚度变化，以检查射孔质量及套管损坏情况;

7) 水泥胶结评价。

图 6. 2. 11 利用 BHTV 图像进行岩心归位

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