美國Matrix測井系統(tǒng)超聲波成像技術(shù)的應(yīng)用及淺析

1、美國 Matrix 測井系統(tǒng)超聲波成像技術(shù)的應(yīng)用及淺析劉付光，武學(xué)維，許方寧中煤地質(zhì)工程總公司，北京 100073摘 要：ABI40 超聲波成像測井儀為美國 Mount Sopris 儀器公司生產(chǎn)的 Matrix 測井系統(tǒng)中的一個井下成像儀器 ， 可 以在各種鉆孔條件下實現(xiàn)測試窗的自動優(yōu)化， 自動改良信號檢測的動態(tài)范圍。 利用其系統(tǒng)軟件對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行處 理，可得孔壁超聲波成像三維立體圖、孔壁超聲波成像平面展開圖、鉆孔壁結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計圖節(jié)理裂隙統(tǒng)計極點圖及玫 瑰花圖，據(jù)此可識別裸眼井壁裂縫、判斷鉆孔巖心巖性及確定巖層產(chǎn)狀。 實例說明，ABI40 超聲波成像測井儀可準(zhǔn)確 地評價鉆孔巖體完整性及裂隙發(fā)育

2、程度。 但在使用該儀器時應(yīng)注意孔徑、泥漿粘度等鉆孔條件的影響，并加裝好扶 正器。關(guān)鍵詞：超聲波成像測井；地質(zhì)勘探；測井中圖分類號： P613.8；P631.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼： AApplication and Analysis of US Matrix Well Logging System Ultrasonic Imaging TechnologyLiu Fuguang, Wu Xuewei and Xu Fangning(China Coal Geological Engineering Corporation, Beijing 100073)Abstract: The AB140 ultra

3、sonic imaging logger is a downhole imaging instrument of the Matrix logging system produced by the USMount Sopris Instrument. It can realize testing window automatic optimizing; automatically improve dynamic extent of signal detection. To use its system software carries out logging data processing c

4、an get borehole wall ultrasonic imaging 3D block diagram, borehole wall ultrasonic imaging planar developing drawing, borehole wall structural plane statistic chart, joint fracture statistic pole plot and rose diagram, hereby can identify open hole fracture, estimate core lithology and determine str

5、ata occurrence. Examples demonstrated that, AB140 ultrasonic imaging logger can evaluate borehole rock mass integrity and fissure development extent. But during the use of the logger, impacts from hole diameter, mud viscosity should be noticed, and furnish a centralizer is necessary.Keywords: ultras

6、onic imaging logging; geological exploration; well logging0 前言早期的超聲波成像測井儀由于數(shù)據(jù)采集技術(shù)的 限制，數(shù)據(jù)量太大，缺乏高性能計算機系統(tǒng)的支持等 原因，難于推廣使用。 直到 20 世紀(jì) 90 年代，隨著電 子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)的開展，超聲波成像 測井技術(shù)才逐步完善成熟， 成為地球物理測井的一 個有效方法。 美國 Matrix 測井系統(tǒng)中配置的小徑超 聲波成像測井儀 ABI40，可廣泛應(yīng)用于工程勘察、石 油、煤炭、煤層氣等測井領(lǐng)域。1 ABI40 超聲波成像測井儀簡介11 根本原理ABI40 超聲波成像測井儀為美國 Mo

7、unt Sopris儀器公司生產(chǎn)的 Matrix 測井系統(tǒng)中的一個井下探頭，與地面采集面板、計算機、絞車組成完整的測井體系，并具有豐富的測井采集、處理、解釋軟件支持。ABI40 超聲波成像測井探頭， 其探頭的聲學(xué)頭局部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。成像原理為壓電陶瓷晶體產(chǎn)生并發(fā)射高頻1.4MHz 超聲波束， 沿探管軸心傳播 ， 被一高速旋轉(zhuǎn)的特制凹面反射鏡垂直反射并聚焦，然 后穿過低密度樹脂透聲窗和鉆井液到達(dá)孔壁， 其部 分超聲波被孔壁反射并按原路徑返回， 被壓電陶瓷 晶體接收OA+AB+BA+AO。 壓電陶瓷晶體記錄孔 壁反射波的振幅和傳播時間信息， 并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信 號通過絞車電纜傳送到地面主機。同時

8、，三軸磁力計 和傾斜計記錄孔壁各掃描點的磁坐標(biāo)和傾斜坐標(biāo)。 利用孔壁反射波的振幅和傳播時間生成孔壁特征圖 像；利用磁坐標(biāo)對孔壁圖像定向；利用傾斜坐標(biāo)計算 鉆孔的偏移值以及對所測得的結(jié)構(gòu)面裂隙、巖層、 斷層等進(jìn)行角度校正，最終形成反映孔壁特征的二 維孔壁展開圖像。作者簡介 ： 劉付光 1962 ， 男，1987 年畢業(yè)于長春地質(zhì)學(xué)院 ， 高 級工程師，現(xiàn)從事地球物理測井工作。收稿日期：2021-06-10責(zé)任編輯：孫常長增刊 2劉付光，等：美國 Matrix 測井系統(tǒng)超聲波成像技術(shù)的應(yīng)用及淺析109三維孔壁柱狀圖；進(jìn)行節(jié)理統(tǒng)計；繪制節(jié)理傾向極點圖和玫瑰花圖； 利用測得的磁方位值對鉆取的巖心 定位

9、；可以實現(xiàn)節(jié)理視傾角和真傾角轉(zhuǎn)換；可以和多 種圖像格式相互轉(zhuǎn)換。 經(jīng)過該軟件處理后得到圖形 圖像如圖 2 所示?？妆诔暡ǔ上衿矫嬲归_圖為傳感器從地磁北極開始順時針北(N) 東(E) 南(S) 西(W) 北(N) 對孔壁進(jìn)行掃描并隨探頭升降所形成的孔壁平剖 圖。 因為不同密度和強度的物質(zhì)對超聲波的反射能 力不同， 顏色的深淺和變化反映了超聲波反射信號 的強弱，即反映了鉆孔孔壁巖性和強度的差異性。鉆孔節(jié)理裂隙統(tǒng)計圖是在孔壁超聲波成像平面 展開圖的根底上經(jīng)過投影處理而得到節(jié)理裂隙隨深 度分布情況的一個圖形。圖中為蝌蚪圖，蝌蚪所在的 區(qū)間代表節(jié)理裂隙的傾角， 每 10為一個區(qū)間，090共八個區(qū)間，蝌

10、蚪尾巴的指向代表節(jié)理裂隙的傾向?？妆诔暡ǔ上袢S立體圖是孔壁超聲波成像 平面展開圖通過軟件處理所形成的一個三維表達(dá)形 式。 鉆孔節(jié)理裂隙統(tǒng)計極點圖和玫瑰花圖是對鉆孔 節(jié)理裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析繪制而成。3 成像資料的解釋31 識別裸眼井壁裂縫水平裂縫在圖像上顯示為水平黑線， 根據(jù)黑線 寬度確定水平裂縫寬度； 垂直裂縫在圖像上顯示為1.發(fā)射/接收器(壓電陶瓷晶體)；2.超聲波束；3.特制凹面反射鏡；4.反射點；5.低密度樹脂透聲窗；6.聲學(xué)頭圖 1 探頭的聲學(xué)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Acoustic construction of a probe12 數(shù)據(jù)采集ABI40 超聲波成像測井儀的測試操

11、作和數(shù)據(jù)記 錄全部由 Mslog 采集軟件系統(tǒng)自動控制， 只要按照 操作說明書翻開軟件，選擇正確的工具配置文件，在 數(shù)據(jù)采集窗口設(shè)置數(shù)據(jù)采集模式和頻率， 就可以開 始測試工作，操作簡單可靠。 在測試過程中，注意通 過計算機監(jiān)視探頭的各種性能參數(shù)， 以免發(fā)生意外 損壞探頭。2 采集數(shù)據(jù)的處理采 集 數(shù) 據(jù) 的 處理主要依靠軟件系統(tǒng) WellCAD4.3，該軟件可以對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處 理和解釋，主要功能包括：將記錄的超聲波振幅值自 動轉(zhuǎn)換成反映孔壁特征的圖像；對局部數(shù)據(jù)的缺失，可以自動進(jìn)行插值修補；將二維孔壁展開圖復(fù)原成兩條平行井軸的黑線，根據(jù)黑線的寬度和長度分別圖 2 超聲波成像測井?dāng)?shù)據(jù)處理

12、圖像Figure 2 Processed images of ultrasonic imaging logging data中 國 煤 炭 地 質(zhì)第 21 卷110表 1 JZ4 孔巖心完整性分析成果表Table 1 Results of JZ4 borehole integrity analysis巖心類別深度范圍/m累計長度/m占檢測范圍比例/%巖心性狀描述巖心破碎帶巖體較破碎，鉆孔擴徑較嚴(yán)重。巖體相對較完整 ， 結(jié)構(gòu)面清晰可辨 ， 結(jié)構(gòu)面線密 度非常高，而且以清晰的張性結(jié)構(gòu)面為主。巖體較完整， 結(jié)構(gòu)面根本清晰可辨 ， 結(jié)構(gòu)面線密 度相對較高，而張性結(jié)構(gòu)面所占比例大大降低。7.1012.5

13、0108.55114.0012.5014.00，64.6568.0090.6591.50，106.50108.5530.5032.5091.5094.306.257.10，14.0030.50，32.5064.65，68.0090.6594.30106.50，114.00138.0010.858.23結(jié)構(gòu)面密集帶7.755.88結(jié)構(gòu)面較密集帶4.803.64結(jié)構(gòu)面線密度相對較低，而且結(jié)構(gòu)面主要以壓性結(jié)構(gòu)面為主。巖心完整帶108.3582.24計算出垂直裂縫的寬度和長度； 傾斜裂縫在圖像上顯示為波浪黑線， 根據(jù)波浪黑線的最高點與最低點 的垂直距離和孔徑計算出傾斜的傾角， 根據(jù)波浪黑 線最低點的坐

14、標(biāo)確定傾斜的方位角。32 判斷巖層巖性根據(jù)圖像的亮暗程度大致區(qū)分巖性， 泥巖和煤 層聲幅圖像為“暗色顯示，石灰?guī)r和砂巖聲幅圖像 為“亮色顯示。33 確定巖層產(chǎn)狀聲阻抗差異明顯的兩種巖層在聲幅圖像上 為 “亮“暗兩局部，其分界被清楚地顯示出來，據(jù)此可 確定巖層產(chǎn)狀。4 應(yīng)用實例與分析41 清水鉆井超聲成像某地區(qū) JZ4 鉆孔孔深 140.50m， 孔徑 89mm，鉆 井液為清水，巖性主要是泥巖、砂巖，要求進(jìn)行超聲 波成像測井，評價本孔巖體完整性，裂隙發(fā)育情況。根據(jù)圖 3 圖像解譯結(jié)果和結(jié)構(gòu)面線密度統(tǒng)計， 并結(jié)合實際的鉆孔巖心編錄，劃分出巖心破碎帶、結(jié) 構(gòu)面密集帶、較密集帶和巖心完整帶。當(dāng)鉆孔孔壁

15、圖 像有一半以上面積為暗藍(lán)色，或?qū)捊Y(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面寬 度20cm很多且結(jié)構(gòu)面間距小于 20cm 時，即認(rèn)為圖 3JZ4 孔超聲波成像測井資料分析解釋圖是巖心破碎帶；結(jié)構(gòu)面線密度4 條/m 的區(qū)域為結(jié)Figure 3 Interpretation diagram of JZ4 borehole ultrasonicimaging logging data analysis1064.00m，孔徑 165mm，鉆井液為泥漿，泥漿密度為構(gòu)面密集帶，2結(jié)構(gòu)面線密度4 條/m 的區(qū)域為結(jié)構(gòu)面較密集帶； 結(jié)構(gòu)面線密度2 條/m 的區(qū)域為巖 心完整帶，劃分結(jié)果如表 1 所示?？傮w看來，整個鉆孔的巖體相對完整，巖心

16、完整帶和結(jié)構(gòu)面密集帶占了整個鉆孔的 88.12，且破碎 帶很少。擬建工程所涉及部位的巖體相對較好，局部1.15g/cm ，泥漿粘度為 23s。 其中1 032.801 041.35m3為煤層，厚度為 8.55m，要求進(jìn)行超聲波成像測井，評價煤層上下井段巖體完整性和煤層裂隙發(fā)育情 況。圖 4 是 XL3 孔超聲波成像測井資料分析解釋 圖，可見圖像較模糊，欠清晰。 分析原因可能是鉆孔 較深，下部泥漿較稠，鉆孔較斜，儀器不完全居中所地段巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面稍有發(fā)育，碎帶。42 泥漿鉆進(jìn)超聲成像但是沒有發(fā)育大的破致。 測量井段未見明顯裂隙發(fā)育。下轉(zhuǎn)第 126 頁某地區(qū) XL3 鉆孔為煤層氣測井試驗孔，孔深中

17、國 煤炭 地 質(zhì)第 21 卷126圖 8 洪澇尺勘查區(qū)三維地質(zhì)模型Figure 8 3D geological model of Honglaochi exploration area2005,25(z1).3 李青元,鄭佳榮,韓建. 對面向構(gòu)造地質(zhì)的 GIS 軟件平臺的幾點思 考 J.中國煤炭地質(zhì),2021,20(10).4 王占剛,曹代勇.基于改良三棱柱模型的復(fù)雜地質(zhì)體 3D 建模方法J.中國煤田地質(zhì),2004,16(1).5 李青元,朱小弟,曹代勇.三維地質(zhì)模型的數(shù)據(jù)模型研究J.中國煤 田地質(zhì),2000,12(3).6 寧夏回族自治區(qū)煤田地質(zhì)局.寧夏回族自治區(qū)洪澇池勘查區(qū)煤炭 普查報告R

18、.銀川:寧夏煤田地質(zhì)局,2007.圖 7三維地質(zhì)建模點Figure 7 Modeling point of 3D geological model現(xiàn)礦山多源數(shù)據(jù)可視化集成， 真正實現(xiàn)地下信息共 享和互操作，對復(fù)雜的地質(zhì)條件做以理解和判別。能 更加有效的指導(dǎo)后期礦井設(shè)計、資源開采。參考文獻(xiàn)：1 王李管，何興盛，賈明濤.三維地質(zhì)體實體建模技術(shù)及其在工程中 的應(yīng)用J.金屬礦山,2006,(2).2 刑存恩，宋毅.采礦工程剖面圖計算機生成方法探討J.煤炭學(xué)報,!上接第 110 頁5 結(jié)論通過以上資料分析可知， 中國煤炭地質(zhì)總局中 煤地質(zhì)工程總公司引進(jìn)的美國 Matrix 測井系統(tǒng)中 ABI40 超聲波成像測井儀， 可以測量提供大量有效 可視的鉆孔巖體定量數(shù)據(jù)，如巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分 布特征等。但在工作中應(yīng)注意孔徑、泥漿粘度等鉆孔 條件的影響，儀器一定要安裝好扶正器，保持儀器居 中。 只要熟練掌握儀器性能，選擇適宜的技術(shù)參數(shù)， 就能獲得最正確的測井?dāng)?shù)據(jù)。 由于超聲波成像測井受 現(xiàn)場測試條件限制相對較少，且具有直觀、清晰、可 視性的特點，必將在工程勘察、石油、煤炭、煤層氣等 測井領(lǐng)域有著