[科普中国]-井下声波电视

简介

超声电视成像测井采用旋转式超声换能器，对井眼四周进行扫描，并记录回波波形。岩石声阻抗的变化会引起回波幅度的变化，井径的变化会引起回波传播时间的变化。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，就可对整个井壁进行高分辨率成像，由此可看出井下岩性及几何界面的变化(包括冲蚀带、裂缝和孔洞等)。

超声成像测井仪器目前具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 和超声井眼成像仪UBI、阿特拉斯的井周声波成像测井仪CBIL、哈里伯顿的井周声波扫描仪CAST、国内华北油田的井下电视仪等。右表是这些仪器的简况。

与早期的BJFWV相比，超声成像测井仪主要采用了以下措施来改善成像质量和分辨率：

(1)通过改进超声换能器的布局，将换能器与钻井液直接接触，减小了信号的衰减;

(2)普遍采用了聚焦型换能器，减小了信号在钻井液中的衰减对成像质量造成的不利影响;

(3)通过采用低频换能器或大尺寸换能器，提高仪器在高密度钻井液中工作的能力;

(4)通过增大垂向和横向采样点数，提高了仪器的成像分辨率。目前这些仪器的最大纵向分辨率在10~30mm 之间，略低于微电阻率扫描成像测井仪。1

原理该仪器用压电换能器，由马达驱动，在井下可作360°旋转(如图)。通常用频率为1500次/s 电脉冲激发换能器，使其成声波源发射声波，换能器的工作频率为1.3MHz，另一种换能器的工作频率为400kHz。

仪器由井下上提时，换能器向井壁发射声波，当声波由井壁反射回来时，换能器则作为接收器接收反射回来的信号，将接收到的信号经电子线路送到地面显示屏，调节显像管的辉度，辉度的亮暗与信号的幅度有一定的比例关系，于是在荧光屏上显示出亮暗不同的调辉光点口当换能器在井中旋转一周时，就触发显象管的光点水平偏转一次，结果就显示出与旋转一周相对应的水平扫描线。仪器上提，就在记录仪中得出井眼展开的图像，可以用辉度的明暗显示，也可用彩色显示。

当前，声波井下电视，已由模拟测量改进为数字测量。一般是测量回波幅度和双程旅行时间，输出的都是数字信号，将这些信息进行处理，可以得到井壁图像和井径变化的图像，由于普遍采用聚焦探头，超声井下电视不仅可以在套管井中测量，也可以在裸眼井中测量。

超声成像测井的声源是圆片状压电陶瓷。可以将声源的声场看成是圆片上无限多个点声源产生声场叠加的结果。通常定义声压幅度值衰减为声轴方向声压幅度70%(3 面)的方向的角度。这一角度对应的波场宽度又称为三分贝射束宽度，这一参数反映了超声成像的空间分辨率。换能器设计的原则尽可能使更多的能量汇集在一块较小的面积内。发射信号的性质主要取决于换能器的直径和频率。影响超声波衰减和成像分辨率的主要因素有：

(1) 工作频率。

换能器的形状、频率以及与目的层的距离决定声束的光斑大小。尺寸越小，频率越高，则光斑越小。但是，尺寸越小，功率就越小;频率越高，声衰减就越大。钻井液引起的声衰减会降低信号分辨率，要求工作频率尽可能低;然而降低频率会对测量结果的空间分辨率产生不利影响。

(2) 井内钻井液。

井内钻井液由钻井液的固有吸收和固相颗粒(或气泡)散射衰减两部分组成。钻井液密度越大，声波衰减越大，探测灵敏度则下降。

(3)测量距离。

(4)目的层的表面结构。

不同类型岩石具有不同的表面结构。钻井过程造成的非自然表面结构。

(5)目的层的倾角

在仪器居中不好或井眼不规则时，图像中呈现出遮掩显著特征的垂直条纹。

(6)岩石的波阻抗差异。

哈里伯顿公司的超声井下电视CAST 使用电子自动聚焦换能器可以把声束的光斑控制，井下声波电视原理图在5mm 的直径，提高了仪器的分辨率及井壁图像的质量。1

图像处理方法及应用(1)包括可供用户选择的数据显示、传播时间和反射波幅度剖面图的绘制，进行图像增强、计算地层倾角、确定裂缝方位以及进行频率分析等。图像增强是通过采用平衡滤波器来改善低振幅的黑暗部分，使用清晰滤波器突出近似水平或近似垂直的特征，从而使整个图像的明暗度得到有效调整，使得薄夹层显露出来。由频率分析可确定出某一井段上的层理面、裂缝、孔洞和冲蚀层段的数目o 此外，可用所得到的地层方位玫魂图来确定层理面或裂缝系统的主要方向。提高图像的垂向分辨率则受换能器性能、扫描旋转速度以及测井速度等因素。

近几年来井下声波电视有很大发展，井壁成像质量取得很大的改进，尤其是"星"成像|的制约。测井系统(Star Imager)很有特色(阿特拉斯公司)。它把微电阻率成像与声波电视成像接成一根仪器，同时给出电成像和声波成像，右图 是仪器结构示意图。微电阻率成像仪是在6 臂地层倾角仪的基础上发展的，每个极板上有两排电极，每排12 个钮扣电极，共144 个电极。声波成像与环形井眼成像系统基本一样，在8in 井眼中，微电阻率成像的覆盖率为60%，声波成像覆盖率为100%。

(2)井下声波电视测井的应用

声波接收器收到的声波幅度与钻井液和井壁的声阻抗有关，声阻抗大，反射回波幅度大;声阻抗小，反射回的波幅度小。另外也可以用双程旅行时来研究井眼形状的变化。井下声波电视可解决下述有关问题：

(1)判断岩性。对于硬地层，如白云岩、石灰岩及致密硬砂岩，声阻抗大，反射波幅度大，图像的辉度明亮。对于泥岩层和煤层，声阻抗小，反射波幅度低，图像的辉度暗，总之可将图像与岩心对比，找出地区岩性的特点。

(2)划分裂缝带。对于裂缝带，通常显示暗的条纹，可根据条纹的变化，确定裂缝的产状(与地层微电阻率扫描成像一样)。右图是碳酸盐岩地层，在声波幅度图像中有明显的黑条纹，而且是倾角较陡的裂缝(约为80°)，在双程旅行时图像中也有显示，但不如声波幅度图像中清楚。

(3)检查射孔质量及套管损坏情况。在声波幅度图像中射孔孔眼显示成黑点，黑点的分布反映孔眼的分布，如果黑点间有黑色条纹相连，表明射孔时套管破裂。如果套管有损坏时，对于损坏的地方则呈暗色。

(4)检查压裂效果。如果在压裂前、后分别进行井下声波电视测井，即可显示出压裂的人工裂缝。右图是泥质灰岩和石灰岩的井眼图像，压裂前图像中元裂缝显示，但在加压压裂时和压裂后的图像中清楚地显示两条垂直的裂缝，这是由压裂形成的人工裂缝。1