成像测井技术研究现状及应用【摘要】成像测井作为第四代测井技术予20世纪80年代后期开始商业应用。
成像测井采用阵列化传感器技术，在井下大量采集丰富的地层信息，利用遥传将采集到的地层信息传到地面，并通过图像处理技术得到井壁二维图像或井壁周围某一探测范围内的三维图像。
根据预测，使用成像测井技术进行的油气勘探开发与使用数控技术相比，可提高10％一20％的油气储量。
因此，成像测井技术对来来油气勘探与开发的发展起着十分重要的作用。
文中阐述了目前常用的井下成像测井的原理、发展现状及其成用，并预测成像测井技术将来的发展趋势。
【引言】测井起源予1927年的法国，当时只有测量视电阻率、自然电位、井温等仪器，经过近80年的发展。
如今发展成为以电法测井仪、声波测井仪与核磁共振测井仪等系列的测井仪器。
回顾测井技术的发展历程，测井技术经历了从模拟测井到数字测井、数控测井、成像测井的发展历程。
成像测井技术是美国率先推出的具有三维特征的测井技本，是当今世界最新的测井技术。
它是在井下采用阵列传感器扫描测量或旋转扫描测量，沿井眼纵向、径向大量采集地层信息，利用遥传将采集到的地层信息，利用遥传将采集到的底层信息从井下传到地面，通过图像处理技术得到井壁二维图像或井眼周围某一探测范围内的三维图像。
因此，成像测井图像比以往的曲线表达方式更精确、更直观、更方便。
传统的测井只能获取井下地层井眼周向和径向上单一的信急，它适用于简单的均质地层。
而实际上地层是非均质的，尤其是裂缝性油气层的非均质性最为明显，在地层的周向和径向上的非均质性也非常突出。
这促使人们开始利用非均质和非线性理论来设计测井仪器。
成像测井技术就是在此理论基础上发展起来的。
它能获取井下地层井眼周向方位上和径向上多种丰富的信息，能够在更复杂、更隐蔽的油气藏勘探和开发方面有效的解决一系列问题：薄层、薄互层、裂缝储层、低孔隙低渗透层、复杂岩性储层评价；高含水油田开发中剩余油饱和度及其分布的确定；固井质量、压裂效果、套管井损坏等工程测井问题以及地层压力、地应力等力学参数的求取等等。
1电成像测井1．1地层微电阻率扫描成像测井技术地层微电阻率扫描成像测井仪，是在多个极板上分别安装若干个间距很小的钮扣状的小电极。
当电极扣向井壁地层发射电流的时候，电极接触的岩石成分、结构及所含流体的电阻率差异会引起电流的变化，据此生成电阻率的井壁成像。
斯伦贝谢公司在20世纪80年代最早推出地层微电阻率扫描成像测井仪FMS （Formation MicroScanner)，揭开了电阻率成像测井的新篇章。
到了20世纪90年代中期，斯伦贝谢公司又在地层微电阻率扫描测井仪器(FMS)的基础上，经过多次重大改进，尤其在提高井眼覆盖率和分辨率方面做了重大改进，从而推出新一代电阻率成像测井仪FMI(Fullbore Formation Micro Image)。
FMI测量精度高，图像清晰，井眼覆盖率大，可以进行广泛的地质解释及油气评价等，被地质学家称为“地下地层显微镜”。
全井眼微电阻率扫描成像测井技术是在FMS的基础上发展起来的，FMI与FMS的测量原理基本相同，不同的是在可自动伸缩的相互垂直的4个极板上安装了能够推靠在井壁上的阵列电极结构。
测量时由推靠器把极板推靠到井壁上，使电流通过井筒内钻井液柱和地层构成的回路回到仪器上部的回路电极。
极板中部的阵列电极向井壁发射电流，按照每个纽扣电极的深度进行采样，将采样数据组成一个矩阵。
通常水平与垂直的采样间隔均为0．25cm，每个矩阵元素表示图像上的一个灰点。
成像图用多级色度表示地层电阻率的相对变化，一般图像颜色越浅电阻率越大，颜色越深，电阻率越低。
为了能使阵列电极发射的电流垂直进入井壁，在极板推靠器和极板金属构件上施加一个相同的电位，迫使阵列电极电流聚焦发射。
通过上述的改进，FMI大幅提高了井壁的覆盖率，改善了极板与井壁的结合性能，使仪器的直径减小，在满足不同测井需要的同时更是大幅提高了测井的速度。
除了斯伦贝谢公司外，哈里伯顿和阿特拉斯公司也先后成功的研制了微电阻率井孔成像测井仪EMI(Electrical Macro Imaging T001)和StarII型井壁微电阻率成像测井仪(RES系统)，并在很多油田得到了广泛的应用。
1．2阵列感应成像测井技术阵列感应成像测井仪AIT(Array Induction Im—ager T001)，是基于20世纪40年代道尔(H．DOLL)提出的感应测井几何因子理论发展起来的。
常规感应测井仪都采用复合线圈系结构，通过选择适当的间距和多线圈对组合，产生具有直耦信号近似为零的多个测量信号矢量叠加，使流过地层的电流限定在特定的径向和纵向距离上，实现硬件聚焦的效果。
斯伦贝谢公司的阵列感应测井仪(Art)与常规感应仪有所不同，在设计上，放弃了将数对线圈连在一起实现硬件聚焦的方法，而采用了8个不同发射器／接收器间距的方式，所有线圈都作为独立的仪器工作。
它的另一特点是8对接收线圈共用一个发射线圈，同时以三种不同频率工作(26．325kHz、52．65kHz、105．3kHz)，每个线圈对的几何因子是固定的、AIT 感应测井仪共测量了28个原始实分量和虚分量信号。
阵列感应成像测井不仅可以获得不同探测深度和不同纵向分辨率的电阻率曲线，还可以测量原状地层及侵入带电阻率等参数，并且可以研究侵人带的变化，确定过渡带的范围，并能根据所获得的基本数据进行二维电阻率径向和侵入带剖面的径向图像。
在20世纪80年代，由BPB公司首先推出具有发射线圈和多个接受线圈的阵列感应成像测井仪(AIS)。
随后三大石油公司也相继推出了其各自的阵列感应成像测井仪，分别是斯伦贝谢公司的新型阵列感应成像测井仪(棚)，哈里伯顿公司的高分辨率阵列感应仪HRAI，阿特拉斯公司的高分辨率感应测井仪(HDIL)。
1．3方位电阻率成像测井技术方位电阻率成像测井ARI(Azimuthal Resistivity Image)，是在Doll提出的双侧向测井的基础上发展起来的新一代的侧向测井技术。
它具有12个电极，装在双侧向测井的屏蔽电极A2的中部，每个电极向外的张开角为300，12个电极覆盖了井周360度方位范围的地层，可以测量12个方向的定向电阻率值。
1995年，Smits等人又成功研制了高分辨率方位侧向成像测井仪HALS系统，并同ARI相比较。
HALS中的方位电极阵列移到了AO主电极中部，而且整个电极系的长度是ARI电极系的一半。
ARI和HALS的测量原理基本相同，但在具体实施时，ARI采用硬件聚焦、有源测量方式；而HALS采用软聚焦、无源测量方式。
2001年，阿特拉斯公司推出新型阵列侧向测量仪(HDLL)。
该仪器是一种阵列型非聚焦电阻率测井仪，仪器有一个电流注入电极和18个分布于电流注入电极上下两侧的测量电极，8个作为接收电极，能测量8个不同深度曲线，垂直分辨率小于30．48cm。
2声波成像测井2．1超声波成像测井超声波成像测井仪采用旋转式超声换能器对井周进行扫描，并记录回波波形信号。
经测量到的反射波幅度和传播时间等信息进行一系列处理，把结果按井周360度方位显示成像，可得到整个井壁的高分辨率成像。
这些成像显示能为识别地层岩性及沉积特征等地质目的，以及套管检查和水泥胶结评价等工程目的提供信息。
概括起来有如下作用：①360度的高分辨率井径测量，可分析井眼的几何形状，推算地应力的方向；②探测裂缝和评价井眼垮塌；③确定地层厚度和倾角；④进行地层形态和沉积构造分析；⑤检查套管腐蚀和变形情况；⑥进行水泥胶结质量评价。
目前常用的超声波成像测井井下仪器有：斯伦贝谢公司的超声波成像测井仪(UBI—UltrasonicBorehole Imager)，哈利伯顿公司的声波成像测井仪CAST—V(Circumferential Acoustic Scanning T001)，阿特拉斯公司的超声波井周成像测井仪CBIL(CircumferenfialBorehole Imaging Log)。
2．2偶极横波成像测井偶极横波成像测井DSI(Dipole Shear Sonic Im—ager)是斯仑贝谢公司继长源距声波测井之后的新一代全波测井，与以往的长源距声波测井相比，其接收探头增多，间距变小，声波频率变低(DSI单极全波除外)，增强了地层横波信息的探测及斯通利波的记录。
因此，它在评价薄储层、裂缝、气层、井周附近的地质构造等方面有着广阔的应用前景。
仪器包括2个偶极声源、1个单极声源和8个接收单元，工作方式主要有：①纵横波方式；②斯通利波方式；③上、下偶极横波方式；④专家方式，记录波列分别为8条、8条、8条、32条；波形采样间距分别为10tts、40p。
s、40pLs、401LLs；每个波形采样分别为512个、512个、512个和256个点。
从DSI资料中提取纵波、横波、斯通利波信息是其资料应用的前提。
由于DSI资料数据量大，用频率域的处理方法往往非常耗时，而时间域的慢度(时差)时间相关法(STC法)算法简单、稳定性好、计算效率高，但精度较差。
针对DSI 声系的特点及井场记录的声波全波波形的特征，采用时域STC方法并利用地层连续性作为约束条件对DSI资料进行处理，从处理的DSI全波资料看提取信息的质量是可靠的。
3核磁共振成像测井核磁共振测井的最初思路是：应用线圈和高电流，在地层中产生静磁场，极化岩石孔隙中流体的氢核。
迅速断开电流后，被极化的氢核会回到弱而均匀的地磁场中原来的状态，这个过程使核载线圈中产生一个按指数衰减的信号。
该信号包含各种流体孔隙度的信息，分析这些信息就达到了评价岩石孔隙度的目的。
’1983年，NUMAR公司综合了Jasper Jackson博士提出的“Inside—out”思想和核磁共振成像技术，利用梯度磁场和自选回波方法，设计开发了全新的磁共振成像测井仪(MRI)，并于1991年7月正式投入油田商业服务。
1995年斯伦贝谢公司的以贴井壁磁体为核心的组合式核磁共振测井仪(CMR)也进入了商业服务。
组合式核磁共振测井仪(CMR)是斯伦贝谢公司推出的新一代核磁共振测井仪器。
它采用磁性很强的永久磁铁产生静磁场，在井眼之外的地层中建立一个比地磁场强度大1000倍的均匀磁场区域，天线发射CPMG脉冲序列信号并接收地层的回波信号。
CMR原始数据是由一系列自旋回波幅度组成，经处理得到他弛豫时间分布。
记分布为主要的测井输出，由此可导出CMR孑L隙度、束缚流体孔隙度、自由流体孔隙度和渗透率。
核磁共振成像测井有助于表示油藏流体的特征及地层特性，在确定好地层评价目标和适当的选择采集参数的情况下，核磁共振成像测井得出的信息，是传统测量有效孔隙度和渗透率的方法所不能及的。
近年来，采用梯度磁场、多种发射频率，以提供多种探测深度的数据，使用预极化磁体以提高测井速度，成为当今核磁共振测井仪器的特征。