[科普中国]-地层微电阻率扫描成像测井(FMS)基本原理

简介

地层微电阻率扫描成像测井是由高分辨地层学地层倾角仪发展而成的，它利用多极板上的多排钮扣状的小电极向井壁地层发射电流，由于电极接触的岩石成分、结构及所含流体的不同，由此引起电流的变化，电流的变化反映了井壁各处的岩石电阻率的变化，据此可以显示电阻率的井壁成像，自从80 年代斯伦贝谢公司的地层微电阻率扫描测井(FMS)投入工业应用以来，由于其在地层评价和地质应用中的价值促进了该项技术的迅速发展，斯伦贝谢公司在推出FMS-A 型仪器后，用了不到三年时间做了三次重大发展，研制出了FMI 全井眼微电阻率成像测井仪。哈里伯顿公司、阿特拉斯公司也先后研制出了井壁微电阻率扫描成像测井仪EMI 和Star Imager 这些仪器的主要区别在于钮扣式电极的排列。1

FMS 的电极排列和测量原理我们知道，微电阻率测井贴井壁测量，探测深度浅而垂向分辨率高，因而对井壁附近地层的电性不均匀极为敏感。因此，人们利用微侧向测井研究冲洗带和裂缝，利用四条微电导率测井曲线确定地层倾角，识别裂缝，研究沉积相等。但是，这些微电阻率测井无法确定裂缝的产状，无法区分裂缝、小溶洞和溶孔，这些问题都可由微电阻率扫描测井解决。

电极排列及测量原理地层微电阻率扫描成像测井采用了侧向测井的屏蔽原理，在原地层倾角测井仪的极板上装有纽扣状的小电极，测量每个纽扣电极发射的电流强度，从而反映井壁地层电阻率的变化。通常把电流电平转换成灰度显示，不同级别的灰度表示不同的电流电平，这样就可用灰度图来显示井壁底电阻率的变化。

第一代FMS是在地层倾角测井仪两个相邻极板上装上纽扣状电极，每个极板上装有4排27各电极，共有54个电极，每排电极相互错开，以提高井壁覆盖率。对8.5in的井眼，井壁覆盖率为20%。

为提高井壁覆盖率，第二代仪器在4个极板上都装有两排纽扣电极，每排8个共16个电极，4个极板共64电极，对8.5in井眼，井壁覆盖率达40%，这种仪器在电极上作了很大的改进，把原来的4排电极改为2排电极，能更准确地作深度偏移。2

全井眼地层微电阻率扫描成像测井(FMI)斯伦贝谢测井公司在前述仪器的基础上，又研制了全井眼地层微电阻率扫描成像测井仪。该仪器除4 个极板外，在每个极板的左下侧又装有翼板，翼板可围绕极板轴转动以便更好地与井壁相接触，每个极板和翼板上装有两排电极，每排有12 个电极，8 个极板上共有192 个电极，对 in 井眼，井壁覆盖率可达80%，能更全面精确地显示井壁地层的变化，极板下部两个大的圆电极用于测量地层倾角。该仪器在电极排列及电极尺寸上都有改进，两排电极中心间距离为0.3in (7.6mm)，使深度位移更准确，另外把钮扣电极的直径改为0.16in (4.1mm)，电极周围绝缘环的外缘直径为0.24in (6.1mm)，从而进一步提高纵向分辨率的精度。两排电极上下两个电极中心间的横向距离仍为电极的半径，保证两个电极有一半相重叠，这样就能毫无遗漏扫过井壁。

测井模式1.全井眼模式测井。用192个纽扣电极进行测量，进行井壁成像。

2.4极板模式测井。此时用4个极板上的96个电势进行测量，翼板上的电极不工作，对于地质情况较熟悉的区域，采用这种方式测井可提高测速，降低采集数据量和测井成本，但对井壁覆盖率降低一半。

3. 地层倾角测井。当用户不需要井壁成像，而需要地层倾角时，可用这种模式测井。这是只用4个极板上的8个电极测量，得出高分辨率地层倾角仪同样的结果，测速可进一步。

在应用FMI资料时，通常在一个地区，选有代表性的参数井进行取芯，并作FMI测井，通过与岩芯柱的详细对比，研究有关地质特征在井壁图像中的显示，就能充分利用这些特征解决地质问题。1

FMS数据处理和成像微电阻率扫描成像测井测量的是阵列电极电流和仪器姿态几何信息。从这些测量信息中提取地层地质特征信息需要经过两个过程，第一个过程是将测量信息映射为井壁微电阻率图像的过程，第二个过程是从新得到的井壁微电阻率图像中提取地层地质特征。由测量信息映射为井壁微电阻率图像需经过下列处理步骤：

1.预处理

(1)自动增益和电流校正。

被测地层电阻率动态范围变化大，要使测量电极电流的动态范围变化相应地大，需通过自动增益控制和改变供电电流强度而实现。

(2)失效电扣检测及补偿。

通过对每个电极电流在选择的处理窗口段上的电流分布直方图分析，去掉那些电极电流不随地层变化的电极信息，利用有效相邻电极相应测点处的测量值的插值对失效电极测量进行填补。

(3)速度校正和电极方位定位。

第一步应用三分量加速度计测量信息将阵列电扣电流时间域测量信息映射为深度域测量自信息，即确定每个测点的深度。校正方法完全等同于地层倾角测井速度校正。

第二步利用三分量磁通量测量信息和加速度测量信息确定每个电极相对于磁北极的方位角。

还须要对每个电极测量的信息(或曲线)进"深度对齐"。由于极板上两排钮扣电极间的距离为0.3in，不做深度对齐时，两排电极显示的异常具有深度偏移。而翼板的电极(FMI)与主极板上的电极相距5.7in，显示的异常更有较大的深度偏移。在对像素处理时必须首先将各电击极的测量结做深度对齐处理，如图是深度对齐前后的电极异常显示。

2.图像重构即把数字图像信息集重构为井壁图像。

为了把每个钮扣电极的电流强度转换为变强度的图像，在输出的图像中用16 种级别的民灰度显示，在解释工作站上可用256 种色标来显示图像，图像中的每一个"像素"点对应于自某一特定范围的电流电平。通常可用两种方案来选择灰度和色彩级别，即所谓"静态"归一化和"动态"归一化。又称均衡处理。

(1)"静态"归一化。即在较大的深度段内(相应于某层段或某一储集层段)，对仪器的响应进行归一化，即在一个深度处特定色彩表示的电阻率，而另一深度处如果色彩相同，即表示该深度处具有同样的电阻率，这种归一化的优点是在较长的井段内通过灰度和颜色的比较来对比电阻率。其不足之处是不能分辨小范围内微电阻率的变化，图(a)是经过"静态"归一化处理的成像图。

(2)"动态"归一化。即在较短的井段内，选择灰度的深浅和色彩的浓淡来表征电流电平的级别，因此能反映局部范围微电阻率的变化，从而能更精细地研究井壁岩石结构、裂缝等变化，通常其纵向窗长为3ft。这种方法的优点能显示局部范围内微电阻率的相对变化。图(b)是同一井段经过"动态"归一化处理的成像图，与图(a)相比，能更详细地划分井壁地层的变化，尤其在剖面的顶部，清楚地显示地层层理的变化等，而在图(a)中则没有这种显示。

(3)图形显示。

当一平面与井身圆柱体垂直相切时，井壁在（0～360°）的展开图上呈一直线。当平面与井身圆柱斜交时，井壁与斜交平面切出一椭圆，在0～360°展开图上呈正弦曲线状，平面与井轴相交的角度愈大，则正弦曲线的幅度也愈大，并能从展开图上确定出平面的倾角与走向。根据这种成像显示，就可以确定地层的层理或裂缝的产状等，从而能利用井壁成像研究井壁地层的有关地质特征。2

资料解释与应用通常在一个地区，选有代表性的参数井进行取心，并作全井眼微电阻率扫描成像测井，通过与岩心柱的详细对比，研究有关地质特征在井壁图像中的显示，就能充分地利用这些特征解决地质问题，下面通过一些实例来说明其应用。图9中清楚地显示出地层的层理，层理的倾向为S-W。在剖面的顶部与底部有裂缝，裂缝的倾向为N-E。图10 是白云岩中的空洞孔隙的图像，黑颜色表示空洞孔隙，自颜色为岩石骨架。以上的应用实例表明，全井眼地层微电阻率扫描成像测井在研究岩层层理、岩石结构等方面有较大的优势，图11是碳酸盐岩中缝合线图像，图中标出0.2m 井段内有黑色条纹，即为缝合线。1