电成像测井技术研究及现场作业实例分析

电成像测井技术研究及现场作业实例分析
作者：于增辉
来源：《中国科技博览》2013年第24期
摘要：电成像测井技术在复杂储集层描述和评价中起着重要作用，它能够反映井周地层的宏观构造，又能够描述各类储层的细节特征。

中海油服在电成像测井技术领域取得了突破，研制成功了增强型微电阻率扫描成像测井仪（ERMI）。

该仪器通过阵列扫描的方式探测井壁地层电阻率变化，能够为地质家提供丰富而又直观的地层信息。

本文重点阐述了ERMI电成像测井研究所涉及的三维建模与数值仿真、井下仪器设计、数据处理软件设计等关键技术问题的实现方式。

另外，结合渤海裂缝性储层评价和缅甸岩性识别的应用实例，对ERMI电成像测井现场作业效果进行了分析。

关键词：电成像；微电阻率扫描；ERMI；增强型微电阻率扫描成像测井仪
中图分类号：P631.811
1、引言
测井是获取井下地层参数信息的重要措施，对油气藏的精细评价至关重要。

随着石油工业的发展，尤其是非常规油气藏的勘探开发，测井面临的地质对象越来越复杂，给储层评价带来了严峻的挑战。

由于电成像测井能够提供直观而又丰富的地层信息，成为国内外先进测井系统的一项标志性技术。

电成像测井的分辨率几乎可以与观察钻井岩心相比较，又具有在目的层大段连续的特点，其成像资料类似岩心，在某些地质应用方面又“胜于”岩心，显示了强大的生命力。

[1]碳酸盐岩储层占全球油气储量的50%[2]，而该类储层的储积空间为地层裂缝或孔洞，电成像技术对于该类储层评价具有独特优势。

中海油自2007年3月，正式启动电成像测井技术研究，2009年12月首次在渤海某井现场测井作业成功。

2012年上半年，ERMI先后在缅甸、渤海连续进行了10井次的商业化作业，标志着仪器已经成功进入商业化阶段。

2、电成像测井系统、测量原理及技术难点
2.1 电成像测井系统
ERMI电成像测井系统包括地面系统、井下仪器（ERMI电成像仪器及其它辅助仪器）、数据处理和地质解释软件等。

地面系统基于ELIS成像测井系统的硬件平台，开发了专用的电成像软件模块。

井下仪器包括电子线路、电极系、专用绝缘短节、方位测量短节以及其它辅助仪器等。

2.2 电成像技术难点
电成像测量的最大难点是在非常低的泥浆电阻率和非常高的地层电阻率条件下进行高质量的井壁成像。

此类井况常见于裂缝性储层中，尤其是在某些碳酸盐岩储层，其地层电阻率与泥浆电阻率之比非常高，极端情况下可能达到百万倍。

此时电成像测量的待测主电流信号极小，测量难度很大，测量精度难以保证，对仪器性能与动态范围是极大考验。

3、电成像测井关键技术实现
电成像测井技术研究涉及三维建模与数值仿真、井下仪器设计、数据处理和地质解释软件开发等三个主要方面，突破了多项关键技术。

3.1 三维建模与数值仿真
电成像测井的建模和仿真，其难点在于：
（1）考虑到电成像测井仪器结构的特殊性和复杂性，进行二维的抽象和建模是不能满足要求的，必须建立三维模型，进行三维的模拟仿真计算。

（2）为了兼顾水基泥浆电成像测井和油基泥浆电成像测井的建模仿真需求，需要采用波动方程对目标进行建模和抽象。

（3）电成像测井仪器的宏观尺寸大，地层剖分的范围大，同时仪器又具有非常多的细节结构，在有三维矢量有限元素分析中要求精细剖分。

（电极阵列部分结构特别精细，且为测井仪器的关键部件。

）
上述3个方面给电成像测井的建模和仿真带来了很大的难度，一般的商业软件难以满足电成像建模仿真的要求。

我们专门开发了电成像建模仿真软件实现了电成像测井在复杂介质条件下的理论模拟，为仪器研制与数据处理提供了理论指导。

电成像测井数学物理模型的建立过程如下：
（1）基于麦克斯威方程，导出电成像测井抽象模型所满足的数学物理约束关系；
（2）导出上述待求边值问题相对应的泛函及其等价变分问题；
（3）用有限单元对求解区域剖分离散，其中在仪器细节部分采用细网格作精细的剖分，在远离仪器部分采用粗网格剖分；
（4）选取线性插值基函数，把变分问题转化为多元函数的极值问题，并导出离散化的有限元方程；
（5）选取适当的方程解法，求解有限元方程，得到所求问题的数值解。

3.2 井下仪器设计
电成像井下仪器设计需要解决数字化测量探头设计、高性能电子线路设计、推靠器设计三项关键技术。

3.2.1数字化测量探头
电成像测井需要测量多路电流信号，从而形成井周地层的二维视电阻率图像，待测信号数量多，信号微弱，动态范围大。

在高阻地层，待测信号及其微弱，需要仪器能够精确实现对30nA采样信号的提取。

[3]电成像测量极板内部空间非常有限，并且需要克服承压、耐高温、电极绝缘、电极耐腐蚀等一系列技术难点。

在极板内部将模拟信号转为数字信号，从根本上保证了小信号测量的精度；同时，设计中研究了提高有源带通滤波品质因数、降低噪声增益、减小电源噪声等各种措施来提高测量的噪比，从而保证纳安级微弱电流信号的检测精度。

通过艰苦攻关，研制成功了大动态范围微弱电流信号的检测电路，并针对物理空间及芯片能力等实际情况，优化了25路信号的检测、采集方式。

设计中采用4个通道，在测速要求的采样时间间隔以内及时完成对25路待测信号的检测。

能够监测的信号动态范围为95dB，除了16位模数转换器的动态范围适应能力，设计中采用100倍和1倍高低增益交叉采样的方法，达到上述信号检测动态范围适应能力。

由于设计中需要检测纳安级的微弱电流信号，设计中研究了多种微弱信号的检测方法。

为了解决信号调理、放大、采集、传输电路设计的物理空间非常有限的问题，设计中仍然采用10层板高密度电路设计。

3.2.2具有良好井壁适应特性的新型推靠器
ERMI推靠器设计面临的问题是井壁不规则，要获得良好的测井图像，极板贴靠井壁的效果非常关键；同时，电成像测量采样间隔达到毫米级，而很长的电缆具有较大弹性，要保持仪器在井下平稳移动非常困难。

ERMI采用六臂独立推靠设计、极板能垂向转动，并且对推靠力曲线进行合理的优化设计，保证了极板贴靠效果和仪器运动平稳性，从而提高了成像测量效果。

图2给出了科研样机的推靠力曲线与优化后的工程化样机推靠力曲线对比。

从图中可以看出，优化后的工程化样机推靠力曲线随井径的变化比较平稳，且随着井径的增大缓慢下降。

这就使得仪器遇到不规则垮塌井段时，即能够保持良好的贴靠效果，同时又不容易遇卡，也就保持了仪器井下运动的平稳性，从而保证了良好的成像测量效果。

3.3 数据处理与地质解释软件
ERMI配套的电成像数据处理与地质解释软件突破了图像处理技术、倾角计算、人机交互解释等关键技术。

ERMI的数据处理流程图见图3：
3.3.1图像处理技术
电成像图像可以直观反映井壁的各种地质特征，是解释工程师获取井壁地层信息最有效的渠道，ERMI图像清晰度非常重要，为此设计了直方图均衡处理图像增强算法。

ERMI实现了静态图像与动态图像生成，并且在生成动态图像时攻克了图像去“台阶”技术难题，使得动态图像生成技术达到了国际同类电成像处理软件的先进水平。

图4是EGPS软件与斯伦贝谢的GeoFrame软件对同一电成像测井数据处理后的图像对比。

可以看出，二者均能清晰地反映出井壁地层的细微变化，在井壁细节特征的反应上，具有相似的清晰度。

3.3.2交互地质解释技术
为了有效发挥人的智能，集成解释专家的经验知识，提高地质解释的准确性，本软件设计了交互解释进行地层特征拾取的功能。

在交互地质解释时用户操作的便利性方面也进行了重点研究，使得软件的可视化与交互便捷性大大增强，有效地提高了解释工程师的工作效率。

同时，还采取了用户自定义地质特征类型的设计，提高了解释专家操作的灵活性。

4、ERMI电成像现场作业分析
电成像测井采样密集（国际上主流仪器都采用0.1英寸的采样间隔），成像清晰度高，能够对极其细微的地质特征进行描述。

以裂缝识别和描述为例，基于电成像测井资料，能够对微米级的裂缝进行识别和半定量评价。

除了裂缝分析和评价，目前国内电成像测井技术的典型应用还包括沉积和构造分析、孔隙度谱分析、地应力方向分析[3]等。

微电阻率扫描成像测井仪（ERMI）已经研制成功，并已经完成多井次的现场商业化作业。

本文选取了渤海和缅甸两个地区的应用实例，对ERMI现场应用的效果进行简要分析。

在渤海的现场作业以火成岩风化壳裂缝性储层描述为目标，在缅甸的现场作业以岩性识别和地层描述为目标。

4.1 渤海现场测井实例
渤海某井目的层主要为元古界潜山地层，岩性以浅色花岗岩为主；成像测量井段总体裂缝较为发育，主要为高导斜交缝。

与碳酸盐岩裂缝性储层类似，火成岩风化壳储层的岩石电阻率很高，而裂缝内的导电液体电阻率则很低。

天然裂缝为该类储层的油气储集空间和运移通道，裂缝的识别和评价对于该类储层的评价非常重要。

由图5、图6可以看出，ERMI能够对裂缝性储层进行精细描述，能够对裂缝的形状、方位、角度等信息进行正确反映，能够满足地质解释和地层评价的要求。

4.2 缅甸现场测井实例
缅甸某井的测量井段岩性复杂，主要发育粉砂岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质砾岩、集块岩、凝灰岩，岩性识别和有效性评价对于该区块储层有效性的评价非常重要。

粉砂岩、凝灰质粉砂岩如图7所示，为层状结构，从电成像的测井图像上可以看到暗色斑点，发育空隙。

凝灰质砾岩如图8所示，从电成像动静态图像上可以看到亮色的砾石发育，砾石磨圆度较好，层状排列，砾石间为暗色斑状特征。

由图7、图8可以看出，电成像测井资料能够有效识别地层岩性及结构，解决了常规测井难于识别储层的问题。

5、小结
（1）ERMI具有裂缝识别和评价、高分辨率地层沉积分析、地质构造分析、地层孔隙度频谱分析、地应力分析等用途，可以帮助地质学家分析复杂油气藏的成因、构造形态和其它地质特征。

（2）电成像测井的最大难点是在非常低的泥浆电阻率和非常高的地层电阻率条件下进行高质量的井壁成像。

在某些碳酸岩储层，其地层电阻率与泥浆电阻率之比非常高，此时待测信号极小，测量难度大，精度难保证。

ERMI在三维建模与数值仿真、数字化测量探头、高性能电子线路、具有良好井壁适应特性的新型推靠器、数据处理与地质解释软件等方面实现了技术突破和创新。

特别是采用了具有内外双电源供电模式的地层激励信号源、极板内将测量信号数字化、数字相敏检波等设计保证了成像测量的精度。

（3） ERMI已经在缅甸的火山碎屑岩，渤海的凝灰岩、火成岩、砂泥岩等地层进行了多井次的商业化作业。

仪器现场作业成果表明，ERMI能够对各种典型地质特征进行准确、清晰的显示，具有很好的成像效果，能够满足陆地以及海上电成像测井作业的要求。

参考文献
[1] 张庚骥. 电法测井. 石油大学出版社， 1996，84-92
[2] 安涛，杨兴琴. 地层评价与测井技术新进展. 测井技术， 2008，487-492
[3] 朱涵斌等. 国产微电阻率成像测井系统研制及其在长庆油田的应用. 中国石油学会第十六届测井年会论文集. 石油工业出版社. 2010， 1-11。