6. 2. 1 地層微電阻率成像測井
地層微電阻率成像測井由高分辨率地層學地層傾角儀發展而來，最早以斯倫貝謝公司20 世紀 80 年代推出的地層微電阻率成像測井儀 FMS ( Formation Micro Scanner) 為代表。FMS 可以提供反映井壁周圍地層電阻率的圖像，剛壹推出即在地層評價和地質應用中取得很大的優勢，這也促進了該技術迅速發展。斯倫貝謝公司在不到三年的時間內對 FMS進行了三次重大改進，推出了全井眼微電阻率掃描成像測井儀 FMI ( Fullbore MicroscanImager ) 。阿特拉斯公司、哈裏伯頓公司也先後跟進，推出 STAR Imager、EMI ( ElectricalMicro Imaging) 。下面將主要介紹斯倫貝謝公司的全井眼微電阻率掃描成像測井儀 FMI。
6. 2. 1. 1 FMI 儀器結構與測量原理
FMI 儀器主要由 5 個部分組成，包括遙測、控制、絕緣短節、采集短節和測斜部分、極板和探頭，如圖 6. 2. 1 ( a) 所示。
1) 遙測部分。用於傳遞數據，由鈕扣電極掃描采集的地層信息以及各種輔助測量、控制測量值壹起經測井電纜被送至地面，數據傳輸的速率為 200kb/s。
圖 6. 2. 1 FMI 結構和測量原理圖
2) 控制部分。控制短節中的自動控制環路，可以放大描述巖石特征的信號，擴大儀器的動態範圍，能夠周期性地檢查各個支路的工作狀態，並反饋給測井工程師，實現井下儀器的最佳控制，增強了儀器使用的靈活性，對儀器的運行提供方便，使三種測井方式都能在最短時間內采集所需要的數據。
3) 絕緣短節。它可使探頭與電子線路外殼絕緣，以便電流從極板流入地層、回到電子線路外殼，且使兩者有壹定的電位差。這種排列的壹個優點是，組合測井時 FMI 可作為 ARI 的低端回路電極。
4) 采集短節和測斜部分。采集短節具有以下功能，從微電導率數據中濾掉直流成分，如 SP; 對信號數字化，以提高信號的抗幹擾性; 對數字信號濾波，提高信噪比; 對數字信號處理，以確定地層微電導率數據的同相位幅度。
測斜部分可以測量儀器和井眼傾斜方位，以及井眼的傾角。方位角的測量精度為 2°，井斜角為 0. 2°。還可以測量儀器的加速度，用於對圖像處理和傾角計算時的速度校正。
5) 極板和探頭。極板部分由鈕扣電極陣列和高精度的電子線路組成。電子線路用於采樣、檢測和放大鈕扣電極信號，保證了圖像的分辨率和清晰度。極板的設計可以使儀器在大斜度井或水平井中有可靠的響應。
儀器有 4 個相互垂直的推靠臂，每個推靠臂上安裝有兩個極板，上部為主極板，下部為折頁極板，如圖 6. 2. 1 ( b) 。折頁極板打開後，能自動適應井眼形狀，使之貼緊井壁，能保證儀器主體與井軸不平行時，各極板仍然能與井壁緊密接觸。每個極板中央安裝有兩排鈕扣電極，每排有 12 個電極，八個極板上***安裝有 192 個電極。鈕扣電極的直徑為0. 16in ( 4. 1mm) ，其周圍絕緣環的外緣直徑為 0. 24in ( 6. 1mm) ; 兩排電極之間的間距為0.3in(7.62mm)，上下兩排電極相互錯開，上下兩個電極之間的橫向距離為電極的半徑0.08in(2.05mm)，即保證兩個電極之間有半個電極是重疊的［圖6.2.1(b)］，這樣在測量時，在電極陣列所控制的範圍內，所有井壁表面可被電極全面掃過，是謂全井眼掃描。儀器分辨率為0.2in(5.1mm)。
FMI的測量原理如圖6.2.1(a)所示。電流回路為上部電極—地層—下部電極。上部電極是儀器電子線路的外殼，下部電極為極板。測量時，8個極板全部緊貼井壁，由成像測井地面系統控制向地層發射電流，記錄每個電極的電流及所施加的電壓，它們反映井壁四周地層微電阻率的變化。FMI可以進行3種模式測井。
1)全井眼模式。用192個鈕扣電極進行測量。在6 1/4in井眼，井壁覆蓋率為93%;在8 1/2in井眼，井壁覆蓋率為80%;在12 1/4ing井眼，井壁覆蓋率為50%。
2)四極板模式。只是用四個主極板，這種模式與FMS測井相似，適用於地層較為熟悉的地區，可以節省費用，提高測井速度。
3)地層傾角模式。只使用四個極板上的8個測量電極，可得到與高分辨率地層傾角測井儀相同的結果。
6.2.1.2 數據處理
由FMI測量信息映射為井壁微電阻率圖像需經過下列處理步驟。
(1)預處理
1)自動增益和電流校正。被測地層電阻率動態範圍變化大，要使測量電極電流的動態範圍變化相應地大，需通過自動增益控制和改變供電電流而實現。
2)失效電極檢測及補償。通過對每個電極電流在選擇的處理窗口段上的電流分布直方圖分析，去掉那些電極電流不隨地層變化的電極信息，利用有效相鄰電極相應測點處的測量值的插值對失效電極測量值進行填補。
3)速度校正和電極方位定位。第壹步用三分量加速度計的測量信息將陣列電極的電流時間域測量信息映射為深度域測量信息，即確定每個測點的深度。校正方法完全等同於地層傾角測井的速度校正。第二步利用三分量磁通量測量信息和加速度測量信息確定每個電極相對於磁北極的方位角。
另外，還須要對每個電極測量的信息(或曲線)進行“深度對齊”。由於極板上兩排電極間的距離為0.3in，不做深度對齊時，兩排電極顯示的異常具有深度偏移。翼板(即折頁極板)上的電極與主極板上的電極相距5.7in，顯示的異常則有更大的深度偏移。在對像素處理時必須首先將各電極的測量結果做深度對齊處理，圖6.2.2是深度對齊前後的電極異常顯示。
上述處理又稱為成像測井的預處理，目標是獲得壹個電極空間位置正確的圖像信息集。重構為井壁圖像。
圖6.2.2 深度對齊前後的FMI電阻率曲線
(2)轉換成強度圖像
為了把每個鈕扣電極的電流轉換為變強度的圖像，在輸出的圖像中用16種級別的灰度顯示，在解釋工作站上可用256種色標來顯示圖像，圖像中的每壹個“像素”點對應於某壹特定範圍的電流電平。通常可用兩種方案來選擇灰度和色彩級別，即所謂“靜態”歸壹化和“動態”歸壹化。又稱均衡處理。
1)“靜態”歸壹化。在較大的深度段內(相應於某層段或某壹儲集層段)，對儀器的響應進行歸壹化，即在壹個深度處特定色彩表示的電阻率，而另壹深度處如果色彩相同，即表示該深度處具有同樣的電阻率，這種歸壹化的優點是在較長的井段內通過灰度和顏色的比較來對比電阻率。其不足之處是不能分辨小範圍內微電阻率的變化。圖6.2.3(a)是經過“靜態”歸壹化處理的成像圖。
圖6.2.3 FMI圖像
2)“動態”歸壹化。即在較短的井段內，選擇灰度的深淺和色彩的濃淡來表征電流電平的級別，因此能反映局部範圍微電阻率的變化，從而能更精細地研究井壁巖石結構、裂縫等變化，通常其縱向窗長為3ft這種方法的優點能顯示局部範圍內微電阻率的相對變化。圖6.2.3(b)是同壹井段經過“動態”歸壹化處理的成像圖，與圖6.2.3(a)相比，能更詳細地劃分井壁地層的變化，尤其在剖面的頂部，清楚地顯示地層層理的變化等，而在圖
6.2.3 (a)中則沒有這種顯示。
3)圖形顯示。當壹平面與井身圓柱體垂直相切時，井壁在0°～360°的展開圖上呈壹直線。當壹平面與井身圓柱斜交時，井壁與斜交平面切出壹橢圓，在0°～360°的展開圖上呈正弦曲線狀，平面與井軸相交的角度愈大，則正弦曲線的幅度也愈大，並能從展開圖上確定出平面的傾角與走向(圖6.2.4)。根據這種成像顯示，就可以確定地層的層理或裂縫的產狀等，從而能利用井壁成像研究井周地層的有關地質特征。
6.2.1.3 資料的解釋與應用
相鄰地層巖石之間的電阻率有差異，FMI圖像上就會有反映;這種電阻率差異愈大，圖像上反映的差別就愈明顯。在FMI圖像中，高電阻率巖性對應淺色的圖像，如含油氣地層、致密層等;低電阻率的巖性對應深色的圖像，如泥巖、充滿鉆井液(水基鉆井液)的裂縫等。
解釋FMI圖像要有比較豐富的地質知識，因為不同的地質現象在FMI圖像上可能會有相同或相似的圖像顯示，例如溶孔和高電導的黏土顆粒或高電導礦物結核在FMI圖像上都顯示為黑色圍斑。要用地質規律和地質知識來刻度FMI圖像，區分不同的地質現象，才能得到正確的解釋結果。
FMI圖像可以用來識別巖石中的裂縫、溶孔，還可以用來解釋地層孔隙特性、沈積相、地層構造和進行巖性對比。
圖6.2.4 井壁成像的顯示特征
FMI圖像主要的地質應用包括以下幾個方面:①裂縫識別及評價;②地質構造解釋;③地層沈積相和沈積環境解釋;④儲層評價;⑤地應力方向確定;⑥巖心深度歸位和定向;⑦高分辨率薄層分析與評價。
通常在壹個地區，選有代表性的參數井進行取心，並作全井眼微電阻率掃描成像測井，通過與巖心柱的詳細對比，研究有關地質特征在井壁圖像中的顯示，就能充分地利用這些特征解決地質問題，下面通過壹些實例來說明其應用。
圖6.2.5中(a)圖清楚地顯示出地層的層理、裂縫，(b)圖清楚地指示出低角度縫、高角度縫。圖6.2.6圖顯示出孔洞、泥質條帶、砂礫巖、巨礫巖。
圖6.2.5 FMI圖像顯示的地層層理和裂縫
圖6.2.6 FMI圖像顯示的孔洞、泥質條帶、砂礫巖、巨礫巖(a)孔洞;(b)泥質條帶;(c)砂礫巖;(d)巨礫巖
地層微電阻率成像測井由於分辨率高，在識別薄層、孔隙變化、裂縫以及沈積特征等方面具有廣闊的應用前景。因此在壹個地區壹定要選幾口有代表性的參數井或關鍵井進行地層微電阻率掃描成像測井，並與巖心進行對比，找出該地區地質特征的變化規律，這樣可以大量減少取心井數，同時又能為油田勘探與開發提供重要而豐富的地質信息。
6. 2. 2 井壁聲波成像測井
20 世紀 60 年代末期由 Mobile 公司開發的井下電視 ( BHTV，Borehole Television) 是第壹種能在典型油井中運用的井下成像設備。井下電視就像給井壁做超聲波掃描，可連續記錄井壁圖像。早期的成像測井圖像顯示了壹些井壁上有趣的現象，如裂縫、崩塌、主要巖性界面，以及套管射孔和連接。Amoco 公司、Shell 公司和 Arco 公司先後對這種技術作了改進。今天所有的石油公司都提供超聲井眼成像測量。盡管也做了壹些折射實驗，但所有的井眼超聲成像測量都是用的反射模式。這些較新的儀器仍使用原先井下電視的大多數部件，只是術語 “電視”已被 “超聲成像”或 “掃描”代替。目前代表性超聲成像測井儀器有: 斯倫貝謝的超聲成像儀 USI ( Ultra Sonic Imager) 和超聲井眼成像儀 UBI( Ultrasonic Borehole Imager) ，阿特拉斯的井周聲波成像測井儀 CBIL ( CircumferentialBorehole Imaging Log ) ， 哈 裏 伯 頓 的 井 周 聲 波 掃 描 儀 CAST ( Circumferential AcousticScanning Tool) ，國內華北油田的井下電視儀等。這些儀器可在充滿清水、原油、導電和不導電泥漿的裸眼井及套管井中測井，不能在空井眼中使用。
6. 2. 2. 1 測量原理
儀器的核心部件是壹個由片狀壓電陶瓷材料制成的超聲換能器，該換能器既用作發射器，也用做接收器。它由壹個馬達驅動，在井下可作 360°旋轉 ［圖 6. 2. 7 ( a) 、 ( b) ］。通常用 1500Hz 的電脈沖激發換能器，使其發射超聲波。聲波沿井眼鉆井液傳播，在井壁被反射，又返回換能器。換能器將接收到的聲波信號轉換成電信號後經電子線路送到地面系統。早期儀器的換能器的工作頻率約為 1. 3MHz，目前所用的儀器中已降為幾百 kHz。下井儀中有壹個三軸加速度計和磁力計可得到儀器的方位，以此為參考記號 ( 儀器零) ，就可得到發射器發射脈沖的方位。
地球物理測井教程
圖 6. 2. 7 井壁聲波成像測井測量原理|( a) 驅動電機、換能器和磁力儀結構示意圖; ( b) 換能器聲脈沖在井壁的掃描線示意圖;( c) 測量的脈沖 － 回波信號儀器可測量兩個參數: ① 換能器接收到的回波信號幅度; ② 聲波從換能器到井壁並返回換能器的這壹段旅行時間，也稱傳播時間或雙程旅行時 ［圖 6. 2. 7 ( c) ］。巖石聲阻抗的變化會引起回波信號幅度的變化，井徑的變化會引起傳播時間的變化。將測量的反射波幅度和傳播時間按井眼內360°方位顯示成圖像，可以是灰度圖，也可以是彩色圖，由此圖像上的壹些特征差異可看出井下巖性及幾何界面的變化，如沖蝕帶、裂縫和孔洞等。
影響超聲成像測井儀分辨率的主要因素主要包括以下幾個方面: ① 換能器工作頻率;② 井內鉆井液; ③ 測量距離; ④ 目的層的表面結構; ⑤ 目的層的傾角; ⑥ 巖石的波阻抗差異。
6. 2. 2. 2 資料處理
超聲換能器接收到聲波信號後將其轉換成電信號，此電信號為模擬信號。在早期的井下電視成像測井中，井下儀器的模擬信號傳輸至地面後是不能對其進行校正、處理的。數字成像技術可以采用多種方法處理各種信號，優化圖像參數，得到高質量的圖像。井壁聲波成像測井資料處理包括圖像處理、圖像輸出。
( 1) 圖像處理
圖像處理的主要工作包括: ① 信號調解，對測井原始數據進行必要的校正和刻度，消除幹擾，提高數據質量; ② 圖像增強，對測井圖像進行處理，提高圖像清晰度和視覺效果; ③ 圖像分析，對測井圖像進行地質解釋，統計裂縫。
( 2) 圖像輸出
圖像輸出格式包括: ① 井壁平面展開圖，也是最常用的圖，有兩種，幅度圖和傳播時間圖，通常兩種圖並排地顯示在壹起，以便互相對比進行解釋 ( 圖 6. 2. 8) ; ② 井 眼 立 體 圖( 圖 6. 2. 9) ; ③ 截面圖; ④ 裂縫跡線圖，包括幅度圖像、裂縫跡線和裂縫參數; ⑤ 裂縫參數曲線圖，包括幅度圖像和裂縫密度、裂縫長度、裂縫寬度、裂縫面孔率四條參數曲線; ⑥ 回波幅度波形圖，有兩種表示方式的波形，壹種是豎向的，另壹種是橫向的;⑦ 聲波井徑波形圖，也有豎向和橫向兩種表示方式; ⑧ 裂縫施密特圖，用圖標將裂縫按其產狀表示在壹個半球上，從球心向外表示傾角，順時針方向表示傾向。此外，還有裂縫數據表和裂縫分組數據表等。
圖 6. 2. 8 井壁展開幅度圖和傳播時間圖
圖 6. 2. 9 井壁展開幅度圖及立體圖
圖像輸出顏色壹般有黑白和彩色兩種 ( 表 6. 2. 1) 。黑白圖像實際上是灰度調制，壹般都規定黑色代表回波幅度弱或傳播時間長，而白色代表回波幅度強或傳播時間短。彩色圖像實際上是偽彩色，把調制信號強度數值分為 256 ( 0，…，255) 個等級，不同的強度數值與不同的色彩相對應。有多種不同的方案，如黑 －紅 －黃 －白方案和紅 －白 －綠方案等。
表 6. 2. 1 圖像色彩分類方案
6. 2. 2. 3 資料的解釋與應用
在井壁平面展開幅度圖像上: ① 與井眼相交的任何構造，無論是傾斜相交還是垂直相交，其特征線型都具有鏡像對稱性，而由鉆具、測井電纜和打撈工具等在井眼表面引起的刮痕，壹般都不能產生這種鏡像對稱的特征線型 ( 圖 6. 2. 8) 。② 天然裂縫、孔洞以及套管井中的套管裂縫、射孔孔眼等，呈現為黑色特征線型或區域; 缺少構造的堅硬光滑井壁，因為反射信號較強，表現為壹片白色區域 ［圖 6. 2. 9］。③ 和井眼傾斜相交的平面裂縫 ( 或層面) ，呈黑色正弦線型 ( 圖 6. 2. 8) ; 與井眼相交的平面水平裂縫可視為傾斜裂縫的特例，表現為壹條橫貫測井圖的水平線段。④ 和井眼相交的垂直構造，表現為垂直的直線; 與垂直構造的任何偏離，例如圖中位於該垂直裂縫中部附近的凹陷，則表現為曲線。⑤ 井壁上的孔洞，表現為孤立的、形狀不規則的斑痕 ( 圖 6. 2. 8) 。
在井壁平面展開傳播時間圖上:① 和井眼相交的張開裂縫，具有與幅度圖上相似的特征線型。② 井壁崩落坍塌、井眼不圓、套管腐蝕和破損等。
目前，井壁聲波成像測井在油田現場發揮著極大的作用，可用來解決下述有關問題:
1) 360°空間範圍內的高分辨率井徑測量，分析井眼的幾何形狀 ( 圖6. 2. 8、圖 6. 2. 10 ) ， 推 算 地 應 力方向;
圖 6. 2. 10 井眼立體圖1in≈2. 54cm
2) 確定地層厚度和傾角;
3) 探測裂縫，識別裂縫，劃分裂縫帶 ( 圖 6. 2. 8) ;
4) 進行地層形態和構造分析;
5) 對井壁取心進行歸位 ( 圖 6. 2. 11) ;
6) 測量套管內徑和厚度變化，以檢查射孔質量及套管損壞情況;
7) 水泥膠結評價。
圖 6. 2. 11 利用 BHTV 圖像進行巖心歸位