地層微電阻率成像測井是在高分辨率地層測斜儀的基礎上發展起來的，最早是由Schlumberger公司在20世紀80年代推出的地層微掃描儀(FMS)為代表。FMS能夠提供反映井壁周圍地層電阻率的圖像，壹經推出就在地層評價和地質應用方面獲得了巨大的優勢，也推動了這項技術的快速發展。斯倫貝謝公司在不到三年的時間裏對FMS進行了三次重大改進，推出了FMI(全井眼顯微掃描儀)。Atlas和哈裏伯頓緊隨其後，推出了STAR Imager和EMI (ElectricalMicro Imaging)。下面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儀器結構及測量原理
FMI儀器主要由遙測、控制、絕緣短節、采集短節和測斜儀、極板和探頭五部分組成，如圖6所示。2.1 (a)。
1)遙測部分。用於傳輸數據，按鈕電極掃描采集的地層信息及各種輔助和控制測量值通過測井電纜發送到地面，數據傳輸速率為200 KB/s..
圖6。2.1 FMI結構及測量示意圖
2)控制部分。控制接頭中的自動控制回路可以放大描述巖石特性的信號，擴大儀器的動態範圍，定期檢查各支路的工作狀態並反饋給測井工程師，從而實現井下儀器的最優控制，增強儀器使用的靈活性，為儀器的操作提供方便，使三種測井方法都能在最短的時間內采集到所需的數據。
3)絕緣接頭。它能使探頭與電子線路外殼絕緣，使電流從極板流入地層返回電子線路外殼，兩者之間存在壹定的電位差。這種布置的壹個優點是，在組合測井期間，FMI可以用作ARI的低端回路電極。
4)收集接頭和測斜儀。采集接頭具有以下功能:從微電導率數據中過濾DC成分，如自然電位；將信號數字化，提高信號的抗幹擾性；對數字信號進行濾波，提高信噪比；處理數字信號以確定地層微電導率數據的同相幅度。
測斜儀可以測量儀器和鉆孔的傾斜度，也可以測量鉆孔的傾斜度。方位角的測量精度為2 °,傾角的測量精度為0°。2.它還可以測量儀器的加速度，用於在圖像處理和傾斜度計算過程中校正速度。
5)極板和探針。極板部分由鈕扣電極陣列和高精度電子電路組成。采用電子電路對按鈕電極信號進行采樣、檢測和放大，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。
該儀器有四個相互垂直的推臂，每個推臂配有兩個極板，上部為主極板，下部為鉸鏈極板，如圖6所示。2.1 (b)。折疊式極板打開後，能自動適應井眼形狀，使其緊貼井壁，能保證在儀器主體與井眼軸線不平行的情況下，極板仍能與井壁緊密接觸。每塊極板中央安裝兩排紐扣電極，每排12個電極，8塊極板上安裝192個電極。按鈕電極的直徑為0。16英寸(4。1mm)，周圍絕緣環外緣直徑為0。24英寸(6英寸。1mm)。兩排電極之間的距離為0.3英寸(7.62毫米)，上下兩排電極相互錯開。上下電極之間的橫向距離為電極半徑的0.08in(2.05mm)，即保證兩個電極之間有壹半電極重疊[圖6.2.1 (b)]，這樣在測量時，所有的井壁都在電極陣列的控制範圍內。該儀器的分辨率為0.2英寸(5.1毫米)。
FMI的測量原理如圖6.2.1(a)所示。電流回路是上電極-地層-下電極。上電極是儀器電子電路的外殼，下電極是極板。測量過程中，8塊極板都緊貼井壁，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和施加電壓，反映井壁周圍地層微電阻率的變化。FMI可以在三種模式下登錄。
1)全井眼模式。使用192按鈕電極進行測量。在6 1/4in鉆孔中，井壁覆蓋率為93%；在8 1/2in鉆孔中，井壁覆蓋率為80%；在12 1/4ing鉆孔中，孔壁覆蓋率為50%。
2)四極模式。僅使用四個主極板。這種模式類似於FMS測井，適用於地層比較熟悉的地區，可以節約成本，提高測井速度。
3)地層傾角模式。僅用四塊極板上的八個測量電極，就可以得到與高分辨率傾角測井儀相同的結果。
6.2.1.2數據處理
從FMI測量信息到井壁微電阻率圖像的映射需要以下處理步驟。
(1)預處理
1)自動增益和電流校正。被測地層電阻率的動態範圍變化很大，需要通過自動增益控制和改變電源電流來實現測量電極電流的動態範圍變化。
2)故障電極的檢測和補償。通過分析所選處理窗口內各電極電流的電流分布直方圖，去除電極電流不隨地層變化的電極信息，通過對有效相鄰電極對應測量點的測量值插值，填充無效電極的測量值。
3)速度校正和電極方向定位。第壹步，利用三分量加速度計的測量信息，將陣列電極的當前時域測量信息映射到深度域測量信息，即確定每個測量點的深度。該校正方法完全等同於傾角測井的速度校正。第二步是通過使用三分量磁通量測量信息和加速度測量信息來確定每個電極相對於磁北極的方位角。
此外，每個電極測量的信息(或曲線)必須“深度對齊”。由於極板上兩排電極之間的距離為0.3英寸，所以兩排電極顯示的異常有深度偏差，沒有深度對齊。翼板(即鉸鏈板)上的電極與主板上的電極相距5.7英寸，顯示的異常有較大的深度偏差。處理像素時，每個電極的測量結果必須首先進行深度對齊。圖6.2.2顯示了深度對齊前後電極的異常顯示。
上述處理也稱為成像測井預處理，目標是獲得電極空間位置正確的圖像信息集。重建成井壁圖像。
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
為了將每個按鈕電極的電流轉換成強度可變的圖像，輸出圖像以16灰度級顯示，圖像在判讀工作站上可以以256色階顯示。圖像中的每個“像素”點對應於壹定範圍的電流水平。通常，可以使用兩種方案來選擇灰度級和色階，即所謂的“靜態”歸壹化和“動態”歸壹化。也稱為均衡處理。
1)“靜態”正常化。在大深度剖面(對應某個層段或某個儲層段)，儀器的響應是歸壹化的，即在壹個深度用特定顏色表示的電阻率，而如果在另壹個深度顏色相同，則表示該深度電阻率相同。這種標準化的優點是通過比較長時間間隔內的灰度和顏色來比較電阻率。其缺點是不能分辨小範圍內的微電阻率變化。圖6.2.3(a)是“靜態”歸壹化後的成像圖像。
圖6.2.3 FMI圖像
2)“動態”正常化。也就是說，在壹個短的時間間隔內，選擇灰度的深淺和顏色的深淺來代表電流水平的高低，因此可以反映局部微電阻率的變化，從而可以更細致地研究井壁巖石結構、裂縫等的變化。通常這種方法的優點是縱向窗口長度為3ft，可以顯示局部微電阻率的相對變化。圖6.2.3(b)是同壹井段的“動態”標準化圖像。與圖6.2.3(a)相比，它可以更詳細地劃分井壁地層的變化，尤其是在剖面頂部，並清楚地顯示地層層理的變化等。，而在圖中，
6.2.3 (a)中沒有這種表示。
3)圖形顯示。當壹個平面與井筒圓柱體垂直相切時，井壁在0° ~ 360°的開發圖上呈直線。當壹個平面與井筒圓柱體斜交時，井壁與斜面切出壹個橢圓，在0° ~ 360°的開發圖上為正弦曲線。平面與井筒軸線相交的角度越大，正弦曲線的幅度越大，平面的傾角和方向可從開發圖中確定(附圖6.2.4)。根據該成像顯示，可以確定地層的層理或裂縫的出現，從而可以通過使用井壁成像來研究井周圍地層的地質特征。
數據的解釋和應用
如果相鄰地層巖石之間的電阻率不同，就會反映在FMI圖像上；電阻率差異越大，反映在圖像上的差異越明顯。在FMI圖像中，高電阻率巖性對應淺色圖像，如含油層和致密層。電阻率低的巖性對應的是暗像，比如泥巖和充填鉆井液(水基鉆井液)的裂縫。
解釋FMI圖像需要有豐富的地質知識，因為不同的地質現象在FMI圖像上可能有相同或相似的圖像，例如溶孔和高電導率的粘土顆粒或高電導率的礦物結核在FMI圖像上都顯示為黑點。只有利用地質規律和地質知識對FMI圖像進行標定，區分不同的地質現象，才能得到正確的解釋結果。
FMI圖像可用於識別巖石中的裂縫和溶孔，也可用於解釋孔隙特征、沈積相、地層結構和巖性對比。
圖6.2.4井壁成像顯示特征
FMI圖像的主要地質應用包括以下幾個方面:①裂縫識別與評價；②地質構造解釋；③地層沈積相和沈積環境的解釋；④儲層評價；⑤地應力方向的確定；⑥巖心深度歸位和定向；⑦高分辨率薄層分析評價。
通常在壹個區域內，選擇壹口有代表性的參數井取心，進行全井眼微電阻率掃描成像測井。通過與巖心柱的詳細對比，研究相關地質特征在井壁圖像中的顯示，可以充分利用這些特征解決地質問題。這裏有壹些例子來說明它的應用。
在圖6.2.5中，圖(a)清楚地顯示了地層的層理和裂縫，圖(b)清楚地顯示了低角度裂縫和高角度裂縫。圖6.2.6顯示了孔洞、泥質條帶、砂礫巖和礫巖。
圖6 . 2 . 5 FMI圖像顯示的地層層理和裂縫
圖6.2.6 FMI圖像顯示孔洞、泥質條帶、砂礫巖和礫巖(A)；(b)泥質條帶；沙礫；巨型聯合企業
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、裂縫和沈積特征方面具有廣闊的應用前景。因此，必須選擇幾口有代表性的參數井或關鍵井對某壹地區的地層微電阻率進行掃描成像測井，並與巖心進行對比，找出該地區地質特征的變化規律，這樣可以大大減少取心井的數量，為油田勘探開發提供重要而豐富的地質信息。
6.2.2鉆孔聲波成像測井
Mobile公司在20世紀60年代末開發的BHTV(鉆孔電視)是第壹種可用於典型油井的井下成像設備。井下電視相當於對井壁的超聲波掃描，可以連續記錄井壁圖像。早期成像測井圖像顯示了井壁上壹些有趣的現象，如裂縫、坍塌、主要巖性界面、套管穿孔和連接。阿莫科、殼牌和阿科相繼改進了這項技術。今天，所有的石油公司都提供超聲波井眼成像測量。雖然已經進行了壹些折射實驗，但是所有的鉆孔超聲波成像測量都是在反射模式下進行的。這些較新的儀器仍然使用原始井下電視的大部分部件，但“電視”壹詞已被“超聲波成像”或“掃描”所取代。目前有代表性的超聲成像測井儀器有斯倫貝謝的超聲成像儀USI和超聲鉆孔成像儀UBI。阿特拉斯公司的CBIL(周向聲波成像測井)、哈裏伯頓公司的CAST(周向聲波掃描工具)、中國華北油田的井下電視機等。這些儀器可用於充滿清水、原油、導電和不導電泥漿的裸眼井和套管井測井，但不能用於空井。
6.2.2.1測量原理
該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，它既用作發射器又用作接收器。它由電機驅動，可以在地下360度旋轉[圖6。2.7 (a)和(b)]。通常，換能器由1500Hz的電脈沖激勵，發射超聲波。聲波沿著鉆孔鉆井液傳播，在鉆孔壁處被反射並返回到換能器。換能器將接收到的聲信號轉換成電信號，通過電子線路發送到地面系統。早期儀器中換能器的工作頻率約為1。3MHz，在目前使用的儀器中已經降低到幾百kHz。井下工具中有壹個三軸加速度計和磁力計，用來獲取儀器的方位，可以作為參考標記(儀器零點)來獲取發射器發出的脈沖的方位。
地球物理測井課程
圖6。2.7鉆孔聲波成像測井原理|(壹)驅動電機、換能器、磁力儀原理圖；(b)井壁上換能器聲脈沖掃描線示意圖；(c)被測脈沖回波信號儀可以測量兩個參數:①換能器接收到的回波信號的幅度；②聲波從換能器到井壁再回到換能器的旅行時間也稱為旅行時間或雙向旅行時間[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。測量的反射波振幅和傳播時間根據鉆孔中的360°方位角顯示為圖像，該圖像可以是灰度圖或彩色圖。從圖像中的壹些特征差異，可以看出地下巖性和幾何界面的變化，如侵蝕帶、裂縫、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換能器的工作頻率；②井內鉆井液；③測量距離；④目的層的表層結構；⑤目的層傾角；⑥巖石的波阻抗差異。
6.2.2.2數據處理
在接收到聲信號之後，超聲換能器將其轉換成電信號，該電信號是模擬信號。在早期的井下電視成像測井中，井下儀器的模擬信號傳輸到地面後無法進行校正和處理。數字成像技術可以利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。鉆孔聲波成像測井數據的處理包括圖像處理和圖像輸出。
(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標定，以消除幹擾，提高數據質量；(2)圖像增強，即對測井圖像進行處理，以提高圖像清晰度和視覺效果；(3)圖像分析、測井圖像地質解釋和裂縫統計。
(2)圖像輸出
圖像輸出格式包括:①井壁平面發育圖，也是最常用的圖。有兩種圖，即振幅圖和傳播時間圖。通常，這兩張地圖並排顯示，以便進行比較和解釋(圖6。2.8);②鉆孔立體圖(圖6。2.9);③剖視圖；④裂縫軌跡圖，包括振幅圖像、裂縫軌跡和裂縫參數；⑤裂縫參數曲線，包括振幅圖像和裂縫密度、裂縫長度、裂縫寬度、裂縫面比四個參數曲線；⑥回波幅度波形圖，有兩種波形，壹種是垂直的，壹種是水平的；⑦聲波井徑波形圖也可以縱橫向表示；⑧裂紋的施密特圖，裂紋根據其出現在壹個半球上用圖標表示，從球體中心向外傾斜，順時針傾斜。此外，還有斷裂數據表和斷裂分組數據表。
圖6。2.8鉆孔發展振幅圖和傳播時間圖
圖6。2.9鉆孔發育振幅圖和立體圖
圖像輸出顏色壹般為黑白和彩色(表6。2.1).黑白圖像實際上是灰度調制。壹般來說，黑色代表回波幅度弱或傳播時間長，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。調制信號的強度值分為256 (0，…，255)級，不同的強度值對應不同的顏色。有許多不同的方案，如黑-紅-黃-白方案和紅-白-綠方案。
表6。2.1圖像顏色分類方案
6.2.2.3數據的解釋和應用
在井壁平面的傳播振幅圖像上:①任何與井眼相交的構造，無論是斜向還是垂直，都具有鏡像對稱性，但鉆井工具、測井電纜、打撈工具在井眼表面造成的劃痕壹般不能產生這種鏡像對稱性(圖6。2.8).(2)天然裂縫、孔洞、套管裂縫、射孔孔眼等。在套管井中顯示黑色特征線或區域；缺乏結構的堅硬光滑井壁顯示出白色區域，因為反射信號很強[圖6.2.9]。(3)與鉆孔斜交的平面裂縫(或層)為黑色正弦曲線(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，在測井圖上表現為壹條水平線段。④與鉆孔相交的垂直構造是壹條垂直直線；任何偏離垂直結構的情況，例如圖中垂直裂縫中間附近的凹陷，都表現為曲線。⑤井壁上的孔洞是孤立的、形狀不規則的點(圖6。2.8).
在井壁平面的傳播時間圖上:①與鉆孔相交的張開裂縫有壹條與振幅圖上相似的特征線。(2)井壁坍塌、井眼不圓、套管腐蝕和損壞等。
目前，井內聲波成像測井在油田領域發揮著巨大的作用，可用於解決以下相關問題:
1)360°空間高分辨率井眼直徑測量，分析井眼幾何形狀(圖6。2.8、圖6。2.10)，並計算地應力方向；
圖6。2.10鉆孔立體圖1in≈2。54厘米
2)確定地層厚度和傾角；
3)檢測裂縫，識別裂縫，劃分破裂帶(圖6。2.8);
4)分析地層形態和結構；
5)返回井壁取芯(圖6。2.11);
6)測量套管內徑和厚度的變化，檢查射孔質量和套管損壞情況；
7)水泥膠結評價。
圖6。2.11核心歸位與BHTV圖像