井周声波扫描成像测井

信号的幅度与井壁表面的情况有关，反射波幅度
图像通常用来探测井壁地层的各种性质。 所有的超声波井壁成像方法都与井筒内流体与 井壁界面的反射波能量有关。
2.物理基础与方法原理
反射波幅度 反射波能量的大小可以利用反射系数来表示， 反射系数的表达式如下：
R ( 2V2 cos 1 V1 V1 sin )
人员应用超声成像技术研制成
第 一 代 井 下 电 视 BHTV
（ Borehole Televiewer ），成
为第一种能够在油井中应用的 井下成像测井方法。
1.发展历程
早期的井下电视采用超声波成像原理，类似于 对井壁进行超声扫描，连续记录井壁的图像。在 裸眼井中，可以获得井壁的直观图像，显示井壁 上的裂缝、崩塌及岩性界面等；在套管井中，可 以用于评价套管腐蚀和破损，套管状态及射孔孔 眼的以脉冲回
波法为基础。 在仪器的底部安装一个超声换能器（自发自 收），以脉冲 - 回波的方式向井壁发射声波脉冲 信号并且接收井壁反射回来的声波信号。
在仪器沿着井眼上下移动的过程中，换能器以
360o的角度对井壁进行扫描，反射幅度和传播时
间被测量并且记录下来显示成图像。
2 2
( 2V2 cos 1 V1 V1 sin )
2 2
1 , V1 是井内流体的密度和声波速度
2 ,V2
是地层的密度和纵波速度；为入射角
V 为声阻抗，反映岩石的声学特征
2.物理基础与方法原理
传播时间 传播时间：指换能器发射声波信号，穿过泥浆 到井壁；再由井壁反射回来，穿过泥浆回到换能 器的时间。 传播时间既与换能器到井壁的距离有关，也与
第二个换能器安装在一个 固定的位置，提供关于流体 传播时间数据。
3.CAST-V的测量原理
井壁地层声阻抗的变化，包括由岩性、物性的 变化及裂缝、孔洞、层理等沉积构造引起的变化 使收到的回波幅度发生变化。仪器将记录到的回 波幅度以及回波时间（仪器至井壁的距离）按井 周360°显示成彩色或灰度等级图像。 CAST-V 有 两 种 测 井 模 式 ， 分 别 是 成 像 模 式 （ Imaging Mode ） 和 套 管 井 模 式 (Case Hole Mode)。成像模式既可以用于裸眼井，也可以用 于套管井；而套管井模式通常只用于套管井。
《测井新方法》
第2讲 井周声波扫描成像测井
张元中 地球物理与信息工程学院测井系
《测井新方法》
主要内容
1、声成像测井发展历程
2、物理基础与方法原理 3、CAST-V的测量原理
4、仪器结构
5、采集的信息及用途
1.发展历程
“井周声波扫描成像测井”简称“声成像测井”。 1969 年， Mobile 公司的研究
4.仪器结构
扫描头单元：包括两个超声换 能器； 第一个换能器安装在旋转扫描 头上，当它发射一超声脉冲后马 上开关到接收方式，接收信号经 电路处理后上传到地面； 第二个换能器是泥浆槽换能器， 测量井眼中流体的声速，确定井 眼流体的传播时间。
独立的换能器来持续测量井筒流体的声波速度。
2.物理基础与方法原理 传播时间
井筒流体的声波速度
Vf 2d m t am
d m 为泥浆中换能器和反射面之间的距离
t a m为泥浆中脉冲信号的传播时间
换能器到井壁的距离
d V f ta 2
t a为声脉冲的传播时间
2.物理基础与方法原理
方法原理 红色圆球换能器 , 按照顺时 针方向旋转，记录点成螺旋 式上升。 测量井壁反射波的幅度和及 传播时间，经定向后可以获 得按照地理北、磁北或其它 方式的井周声波幅度和传播 时间图像。
2.物理基础与方法原理
方法原理
换能器在井中走的是螺旋
轨迹。螺旋间距依赖于测井
速度。
测井速度越快，间距就越 宽。
采样原理决定了该方法较
低的测井速度。
2.物理基础与方法原理
影响超声波井眼扫描成像的一个关键参数是换 能器的频率。早期的仪器采用的换能器频率约为 2MHz，目前的仪器已经降为几百kHz。 现代超声波成像测井仪的一个重要改进是在井
进，改善了井下声波电视的成像功能，改进了换
能器的设计，增加了扫描频率。
在后续的图像处理方面也进行了较多的研究， 提高了图像的质量和分辨率，能够在不同井液的 环境状态下获得清晰的图像，可以在各种井眼条 件下提供高质量高分辨率的井眼图像，发展了 “井周声波扫描成像测井”方法。
1.发展历程
目前 “声波井下声波电视”这个术语修改为 “井周声波成像测井”；在成像测井方法中的 “井下电视”，则主要是指井下光学成像方法。
井周声波成像测井代表性的仪器有， HES ： CAST （ Circumferential Acoustic Scanning Tool） SLB：UBI（Ultrasonic Borehole Imaging） Baker Hughes ： CBIL （ Circumferential Borehole Imaging Logging）
接收器，一部分能量沿套管外的物质传播。
3.CAST-V的测量原理
套管井模式 换能器最初接收到来自套管 内壁的返回信号及随后到达
的随指数衰减的信号，它反
映了套管的胶结情况； 胶结状况差的衰减慢，而胶结好时衰减快，由 套管和水泥的耦合情况决定的。这些参数以黑白 图或彩图显示。
3.CAST-V的测量原理 套管井模式 在套管井模式：传播时间、首波波峰幅度、谐 振窗计数和套管壁厚。
为了在确保换能器在井下工作时聚焦，可以调 节其尺寸以适合不同井眼尺寸的大小。 超声波井眼成像测井既可以在水基泥浆，也可 以在油基泥浆中进行测井；在油基泥浆中，由于 衰减太快而对钻井液密度有上限，依赖于钻井液 中固体颗粒和各种其它因素，一般是1.8g/cm3。
3.CAST-V的测量原理
CAST-V 是 以 超 声 波 扫 描 测量方式对井壁地层成像。 有2个换能器，主换能器安 装在一个旋转的扫描探头上， 探头发射并且接收来自套管 或地层的反射波信号。
2.物理基础与方法原理
井壁声波成像测井所使用的脉冲-回波法，使用
的不是连续波，而是具有一定持续时间、按照一
定频率断续发射的超声波脉冲。 脉冲声波在介质中传播时，遇到声阻抗发生变 化的各种异常体，则在分界面处将产生反射，该
方法通常也称为脉冲-反射法。
2.物理基础与方法原理 反射波幅度
当发射换能器发射的声波通过泥浆入射到井壁 上时，一部分能量会从井壁反射回来；反射声波
裸眼井：评价裂缝、孔洞、井壁的情况等。
套管井：揭示套管形变、磨损、孔眼、裂口和 套管内壁上的其它异常来评价套管的完整性等。
3.CAST-V的测量原理
套管井模式 换能器发射的超声脉冲， 穿过井眼流体（红线， Transmitted ） ， 撞 击 到 套 管壁上，在套管壁上大部分 能量被返回到换能器（黑线， Reflected）。 套管内的每一次反射，一部分能量直接返回到
1.发展历程
80年代后期，SLB发展了井下声波电视测井仪 （ BTTB ），探头中心频率为 320kHz 和 480kHz 两种，探头每秒旋转12周。 1990年，Western Atlas公司的数字井周成像测 井仪CBIL投入市场服务，声学探头有250kHz和 500kHz 两种，对井壁声学界面的分辨率可以达 到厘米级，探头每秒旋转6周，每旋转1周向井壁 发射250次声波脉冲，测井速度可以达到182m/h （600ft/h）。
下应用了聚焦的超声换能器。这种换能器具有凹
型的表面，能够把超声波束聚焦到比换能器本身
更小的面积上。通过这种方法，空间分辨率得到
改进，偏心影响和对井眼不规则的灵敏度减少。
2.物理基础与方法原理 现在所用换能器的频率范围为 200-500kHz ，比 早期的频率低，通过优化高分辨率和在钻井液中 的穿透能力强的性能而得到。
套管井模式下的测量可以确定这些物质的声阻
抗，也可以确定套管与套管外水泥的胶结程度 。
4.仪器结构
CAST-V 井下仪器包括：电路部 分、定位单元及扫描头单元。 电路部分：触发测量换能器和泥 浆槽换能器，处理扫描数据并传 输到地面，对地面传输的命令进 行编译。 定位单元：包括 X 轴和 Y 轴两个 定位装置；成像方式下可以提供 倾角、方位和相对方位。套管模 式下可以提供倾角和相对方位。
首波幅度和谐振计数用于计算声阻抗。传播时 间和泥浆槽传播时间一起用于计算井径，而套管 壁厚是用谐振频率来计算的。
在套管模式下可以确定套管内半径和套管壁厚 度。套管厚度与套管外径测量结果相结合，用来 指示套管外部缺陷。
3.CAST-V的测量原理 套管井模式
对波形资料进一步处理可以得到有关套管和井 壁之间环形空间中物质的信息。环形空间中的各 类充填物质包括水泥、钻井泥浆、水、气、或这 些物质的混合物。
1990年，HES发展了井周声波扫描测井仪CAST， 中心频率为450kHz。1996年推出了新一代声波井 周扫描成像测井CAST-V。
1.发展历程
1991年，SLB的USI投入生产服务。该仪器的声 学 探 头 中 心 频 率 为 500kHz ， 带 宽 为 200kHz700kHz。既能在裸眼井中对储集层的裂缝、夹层 等进行探测，也能对套管外水泥环的分布、串槽 流体的相态进行识别。
每旋转 1 周向井壁发射 480-512 次频率约为 1MHz
的声波脉冲，测井速度为90m/h，得到井壁二维
黑白展开图。
1.发展历程
20世纪80年代，井下声波电视测井仪由模拟记
录向数字记录的转变，成果显示为彩色图，且在
裸眼井中能够显示井下的磁北方位，使该仪器具
有定位的功能。
代表性仪器是Standford大学井眼地球物理实验 室研制的非商业性仪器，声学探头主频为 1.25 MHz ，每秒钟绕井轴旋转 3 周，每旋转 1 周向井 壁发射600次声波脉冲，测井速度为90m/h。