钻孔成像测井
地层微电阻率成像测井是在高分辨率地层测斜仪的基础上发展起来的，最早是由Schlumberger公司在20世纪80年代推出的地层微扫描仪(FMS)为代表。FMS能够提供反映井壁周围地层电阻率的图像，一经推出就在地层评价和地质应用方面获得了巨大的优势，也推动了这项技术的快速发展。斯伦贝谢公司在不到三年的时间里对FMS进行了三次重大改进，推出了FMI(全井眼显微扫描仪)。Atlas和哈里伯顿紧随其后，推出了STAR Imager和EMI (ElectricalMicro Imaging)。下面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仪器结构及测量原理
FMI仪器主要由遥测、控制、绝缘短节、采集短节和测斜仪、极板和探头五部分组成，如图6所示。2.1 (a)。
1)遥测部分。用于传输数据，按钮电极扫描采集的地层信息及各种辅助和控制测量值通过测井电缆发送到地面，数据传输速率为200 KB/s..
图6。2.1 FMI结构及测量示意图
2)控制部分。控制接头中的自动控制回路可以放大描述岩石特性的信号，扩大仪器的动态范围，定期检查各支路的工作状态并反馈给测井工程师，从而实现井下仪器的最优控制，增强仪器使用的灵活性，为仪器的操作提供方便，使三种测井方法都能在最短的时间内采集到所需的数据。
3)绝缘接头。它能使探头与电子线路外壳绝缘，使电流从极板流入地层返回电子线路外壳，两者之间存在一定的电位差。这种布置的一个优点是，在组合测井期间，FMI可以用作ARI的低端回路电极。
4)收集接头和测斜仪。采集接头具有以下功能:从微电导率数据中过滤DC成分，如自然电位；将信号数字化，提高信号的抗干扰性；对数字信号进行滤波，提高信噪比；处理数字信号以确定地层微电导率数据的同相幅度。
测斜仪可以测量仪器和钻孔的倾斜度，也可以测量钻孔的倾斜度。方位角的测量精度为2 °,倾角的测量精度为0°。2.它还可以测量仪器的加速度，用于在图像处理和倾斜度计算过程中校正速度。
5)极板和探针。极板部分由钮扣电极阵列和高精度电子电路组成。采用电子电路对按钮电极信号进行采样、检测和放大，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。
该仪器有四个相互垂直的推臂，每个推臂配有两个极板，上部为主极板，下部为铰链极板，如图6所示。2.1 (b)。折叠式极板打开后，能自动适应井眼形状，使其紧贴井壁，能保证在仪器主体与井眼轴线不平行的情况下，极板仍能与井壁紧密接触。每块极板中央安装两排纽扣电极，每排12个电极，8块极板上安装192个电极。按钮电极的直径为0。16英寸(4。1mm)，周围绝缘环外缘直径为0。24英寸(6英寸。1mm)。两排电极之间的距离为0.3英寸(7.62毫米)，上下两排电极相互错开。上下电极之间的横向距离为电极半径的0.08in(2.05mm)，即保证两个电极之间有一半电极重叠[图6.2.1 (b)]，这样在测量时，所有的井壁都在电极阵列的控制范围内。该仪器的分辨率为0.2英寸(5.1毫米)。
FMI的测量原理如图6.2.1(a)所示。电流回路是上电极-地层-下电极。上电极是仪器电子电路的外壳，下电极是极板。测量过程中，8块极板都紧贴井壁，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和施加电压，反映井壁周围地层微电阻率的变化。FMI可以在三种模式下登录。
1)全井眼模式。使用192按钮电极进行测量。在6 1/4in钻孔中，井壁覆盖率为93%；在8 1/2in钻孔中，井壁覆盖率为80%；在12 1/4ing钻孔中，孔壁覆盖率为50%。
2)四极模式。仅使用四个主极板。这种模式类似于FMS测井，适用于地层比较熟悉的地区，可以节约成本，提高测井速度。
3)地层倾角模式。仅用四块极板上的八个测量电极，就可以得到与高分辨率倾角测井仪相同的结果。
6.2.1.2数据处理
从FMI测量信息到井壁微电阻率图像的映射需要以下处理步骤。
(1)预处理
1)自动增益和电流校正。被测地层电阻率的动态范围变化很大，需要通过自动增益控制和改变电源电流来实现测量电极电流的动态范围变化。
2)故障电极的检测和补偿。通过分析所选处理窗口内各电极电流的电流分布直方图，去除电极电流不随地层变化的电极信息，通过对有效相邻电极对应测量点的测量值插值，填充无效电极的测量值。
3)速度校正和电极方向定位。第一步，利用三分量加速度计的测量信息，将阵列电极的当前时域测量信息映射到深度域测量信息，即确定每个测量点的深度。该校正方法完全等同于倾角测井的速度校正。第二步是通过使用三分量磁通量测量信息和加速度测量信息来确定每个电极相对于磁北极的方位角。
此外，每个电极测量的信息(或曲线)必须“深度对齐”。由于极板上两排电极之间的距离为0.3英寸，所以两排电极显示的异常有深度偏差，没有深度对齐。翼板(即铰链板)上的电极与主板上的电极相距5.7英寸，显示的异常有较大的深度偏差。处理像素时，每个电极的测量结果必须首先进行深度对齐。图6.2.2显示了深度对齐前后电极的异常显示。
上述处理也称为成像测井预处理，目标是获得电极空间位置正确的图像信息集。重建成井壁图像。
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
为了将每个按钮电极的电流转换成强度可变的图像，输出图像以16灰度级显示，图像在判读工作站上可以以256色阶显示。图像中的每个“像素”点对应于一定范围的电流水平。通常，可以使用两种方案来选择灰度级和色阶，即所谓的“静态”归一化和“动态”归一化。也称为均衡处理。
1)“静态”正常化。在大深度剖面(对应某个层段或某个储层段)，仪器的响应是归一化的，即在一个深度用特定颜色表示的电阻率，而如果在另一个深度颜色相同，则表示该深度电阻率相同。这种标准化的优点是通过比较长时间间隔内的灰度和颜色来比较电阻率。其缺点是不能分辨小范围内的微电阻率变化。图6.2.3(a)是“静态”归一化后的成像图像。
图6.2.3 FMI图像
2)“动态”正常化。也就是说，在一个短的时间间隔内，选择灰度的深浅和颜色的深浅来代表电流水平的高低，因此可以反映局部微电阻率的变化，从而可以更细致地研究井壁岩石结构、裂缝等的变化。通常这种方法的优点是纵向窗口长度为3ft，可以显示局部微电阻率的相对变化。图6.2.3(b)是同一井段的“动态”标准化图像。与图6.2.3(a)相比，它可以更详细地划分井壁地层的变化，尤其是在剖面顶部，并清楚地显示地层层理的变化等。，而在图中，
6.2.3 (a)中没有这种表示。
3)图形显示。当一个平面与井筒圆柱体垂直相切时，井壁在0° ~ 360°的开发图上呈直线。当一个平面与井筒圆柱体斜交时，井壁与斜面切出一个椭圆，在0° ~ 360°的开发图上为正弦曲线。平面与井筒轴线相交的角度越大，正弦曲线的幅度越大，平面的倾角和方向可从开发图中确定(附图6.2.4)。根据该成像显示，可以确定地层的层理或裂缝的出现，从而可以通过使用井壁成像来研究井周围地层的地质特征。
数据的解释和应用
如果相邻地层岩石之间的电阻率不同，就会反映在FMI图像上；电阻率差异越大，反映在图像上的差异越明显。在FMI图像中，高电阻率岩性对应浅色图像，如含油层和致密层。电阻率低的岩性对应的是暗像，比如泥岩和充填钻井液(水基钻井液)的裂缝。
解释FMI图像需要有丰富的地质知识，因为不同的地质现象在FMI图像上可能有相同或相似的图像，例如溶孔和高电导率的粘土颗粒或高电导率的矿物结核在FMI图像上都显示为黑点。只有利用地质规律和地质知识对FMI图像进行标定，区分不同的地质现象，才能得到正确的解释结果。
FMI图像可用于识别岩石中的裂缝和溶孔，也可用于解释孔隙特征、沉积相、地层结构和岩性对比。
图6.2.4井壁成像显示特征
FMI图像的主要地质应用包括以下几个方面:①裂缝识别与评价；②地质构造解释；③地层沉积相和沉积环境的解释；④储层评价；⑤地应力方向的确定；⑥岩心深度归位和定向；⑦高分辨率薄层分析评价。
通常在一个区域内，选择一口有代表性的参数井取心，进行全井眼微电阻率扫描成像测井。通过与岩心柱的详细对比，研究相关地质特征在井壁图像中的显示，可以充分利用这些特征解决地质问题。这里有一些例子来说明它的应用。
在图6.2.5中，图(a)清楚地显示了地层的层理和裂缝，图(b)清楚地显示了低角度裂缝和高角度裂缝。图6.2.6显示了孔洞、泥质条带、砂砾岩和砾岩。
图6 . 2 . 5 FMI图像显示的地层层理和裂缝
图6.2.6 FMI图像显示孔洞、泥质条带、砂砾岩和砾岩(A)；(b)泥质条带；沙砾；巨型联合企业
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、裂缝和沉积特征方面具有广阔的应用前景。因此，必须选择几口有代表性的参数井或关键井对某一地区的地层微电阻率进行扫描成像测井，并与岩心进行对比，找出该地区地质特征的变化规律，这样可以大大减少取心井的数量，为油田勘探开发提供重要而丰富的地质信息。
6.2.2钻孔声波成像测井
Mobile公司在20世纪60年代末开发的BHTV(钻孔电视)是第一种可用于典型油井的井下成像设备。井下电视相当于对井壁的超声波扫描，可以连续记录井壁图像。早期成像测井图像显示了井壁上一些有趣的现象，如裂缝、坍塌、主要岩性界面、套管穿孔和连接。阿莫科、壳牌和阿科相继改进了这项技术。今天，所有的石油公司都提供超声波井眼成像测量。虽然已经进行了一些折射实验，但是所有的钻孔超声波成像测量都是在反射模式下进行的。这些较新的仪器仍然使用原始井下电视的大部分部件，但“电视”一词已被“超声波成像”或“扫描”所取代。目前有代表性的超声成像测井仪器有斯伦贝谢的超声成像仪USI和超声钻孔成像仪UBI。阿特拉斯公司的CBIL(周向声波成像测井)、哈里伯顿公司的CAST(周向声波扫描工具)、中国华北油田的井下电视机等。这些仪器可用于充满清水、原油、导电和不导电泥浆的裸眼井和套管井测井，但不能用于空井。
6.2.2.1测量原理
该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，它既用作发射器又用作接收器。它由电机驱动，可以在地下360度旋转[图6。2.7 (a)和(b)]。通常，换能器由1500Hz的电脉冲激励，发射超声波。声波沿着钻孔钻井液传播，在钻孔壁处被反射并返回到换能器。换能器将接收到的声信号转换成电信号，通过电子线路发送到地面系统。早期仪器中换能器的工作频率约为1。3MHz，在目前使用的仪器中已经降低到几百kHz。井下工具中有一个三轴加速度计和磁力计，用来获取仪器的方位，可以作为参考标记(仪器零点)来获取发射器发出的脉冲的方位。
地球物理测井课程
图6。2.7钻孔声波成像测井原理|(一)驱动电机、换能器、磁力仪原理图；(b)井壁上换能器声脉冲扫描线示意图；(c)被测脉冲回波信号仪可以测量两个参数:①换能器接收到的回波信号的幅度；②声波从换能器到井壁再回到换能器的旅行时间也称为旅行时间或双向旅行时间[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。测量的反射波振幅和传播时间根据钻孔中的360°方位角显示为图像，该图像可以是灰度图或彩色图。从图像中的一些特征差异，可以看出地下岩性和几何界面的变化，如侵蚀带、裂缝、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换能器的工作频率；②井内钻井液；③测量距离；④目的层的表层结构；⑤目的层倾角；⑥岩石的波阻抗差异。
6.2.2.2数据处理
在接收到声信号之后，超声换能器将其转换成电信号，该电信号是模拟信号。在早期的井下电视成像测井中，井下仪器的模拟信号传输到地面后无法进行校正和处理。数字成像技术可以利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。钻孔声波成像测井数据的处理包括图像处理和图像输出。
(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标定，以消除干扰，提高数据质量；(2)图像增强，即对测井图像进行处理，以提高图像清晰度和视觉效果；(3)图像分析、测井图像地质解释和裂缝统计。
(2)图像输出
图像输出格式包括:①井壁平面发育图，也是最常用的图。有两种图，即振幅图和传播时间图。通常，这两张地图并排显示，以便进行比较和解释(图6。2.8);②钻孔立体图(图6。2.9);③剖视图；④裂缝轨迹图，包括振幅图像、裂缝轨迹和裂缝参数；⑤裂缝参数曲线，包括振幅图像和裂缝密度、裂缝长度、裂缝宽度、裂缝面比四个参数曲线；⑥回波幅度波形图，有两种波形，一种是垂直的，一种是水平的；⑦声波井径波形图也可以纵横向表示；⑧裂纹的施密特图，裂纹根据其出现在一个半球上用图标表示，从球体中心向外倾斜，顺时针倾斜。此外，还有断裂数据表和断裂分组数据表。
图6。2.8钻孔发展振幅图和传播时间图
图6。2.9钻孔发育振幅图和立体图
图像输出颜色一般为黑白和彩色(表6。2.1).黑白图像实际上是灰度调制。一般来说，黑色代表回波幅度弱或传播时间长，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。调制信号的强度值分为256 (0，…，255)级，不同的强度值对应不同的颜色。有许多不同的方案，如黑-红-黄-白方案和红-白-绿方案。
表6。2.1图像颜色分类方案
6.2.2.3数据的解释和应用
在井壁平面的传播振幅图像上:①任何与井眼相交的构造，无论是斜向还是垂直，都具有镜像对称性，但钻井工具、测井电缆、打捞工具在井眼表面造成的划痕一般不能产生这种镜像对称性(图6。2.8).(2)天然裂缝、孔洞、套管裂缝、射孔孔眼等。在套管井中显示黑色特征线或区域；缺乏结构的坚硬光滑井壁显示出白色区域，因为反射信号很强[图6.2.9]。(3)与钻孔斜交的平面裂缝(或层)为黑色正弦曲线(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，在测井图上表现为一条水平线段。④与钻孔相交的垂直构造是一条垂直直线；任何偏离垂直结构的情况，例如图中垂直裂缝中间附近的凹陷，都表现为曲线。⑤井壁上的孔洞是孤立的、形状不规则的点(图6。2.8).
在井壁平面的传播时间图上:①与钻孔相交的张开裂缝有一条与振幅图上相似的特征线。(2)井壁坍塌、井眼不圆、套管腐蚀和损坏等。
目前，井内声波成像测井在油田领域发挥着巨大的作用，可用于解决以下相关问题:
1)360°空间高分辨率井眼直径测量，分析井眼几何形状(图6。2.8、图6。2.10)，并计算地应力方向；
图6。2.10钻孔立体图1in≈2。54厘米
2)确定地层厚度和倾角；
3)检测裂缝，识别裂缝，划分破裂带(图6。2.8);
4)分析地层形态和结构；
5)返回井壁取芯(图6。2.11);
6)测量套管内径和厚度的变化，检查射孔质量和套管损坏情况；
7)水泥胶结评价。
图6。2.11核心归位与BHTV图像