美国Matrix测井系统超声波成像技术的应用及浅析

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1、美国 Matrix 测井系统超声波成像技术的应用及浅析刘付光，武学维，许方宁中煤地质工程总公司，北京 100073摘 要：ABI40 超声波成像测井仪为美国 Mount Sopris 仪器公司生产的 Matrix 测井系统中的一个井下成像仪器 ， 可 以在各种钻孔条件下实现测试窗的自动优化， 自动改良信号检测的动态范围。 利用其系统软件对测井数据进行处 理，可得孔壁超声波成像三维立体图、孔壁超声波成像平面展开图、钻孔壁结构面统计图节理裂隙统计极点图及玫 瑰花图，据此可识别裸眼井壁裂缝、判断钻孔岩心岩性及确定岩层产状。 实例说明，ABI40 超声波成像测井仪可准确 地评价钻孔岩体完整性及裂隙发育

2、程度。 但在使用该仪器时应注意孔径、泥浆粘度等钻孔条件的影响，并加装好扶 正器。关键词：超声波成像测井；地质勘探；测井中图分类号： P613.8；P631.5文献标识码： 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 前言早期的超声波成像测井仪由于数据采集技术的 限制，数据量太大，缺乏高性能计算机系统的支持等 原因，难于推广使用。 直到 20 世纪 90 年代，随着电 子技术、数字技术和计算机技术的开展，超声波成像 测井技术才逐步完善成熟， 成为地球物理测井的一 个有效方法。 美国 Matrix 测井系统中配置的小径超 声波成像测井仪 ABI40，可广泛应用于工程勘察、石 油、煤炭、煤层气等测井领域。1 ABI40 超声波成像测井仪简介11 根本原理ABI40 超声波成像测井仪为美国 Mo

7、unt Sopris仪器公司生产的 Matrix 测井系统中的一个井下探头，与地面采集面板、计算机、绞车组成完整的测井体系，并具有丰富的测井采集、处理、解释软件支持。ABI40 超声波成像测井探头， 其探头的声学头局部结构如图 1 所示。成像原理为压电陶瓷晶体产生并发射高频1.4MHz 超声波束， 沿探管轴心传播 ， 被一高速旋转的特制凹面反射镜垂直反射并聚焦，然 后穿过低密度树脂透声窗和钻井液到达孔壁， 其部 分超声波被孔壁反射并按原路径返回， 被压电陶瓷 晶体接收OA+AB+BA+AO。 压电陶瓷晶体记录孔 壁反射波的振幅和传播时间信息， 并转换成数字信 号通过绞车电缆传送到地面主机。同时

8、，三轴磁力计 和倾斜计记录孔壁各扫描点的磁坐标和倾斜坐标。 利用孔壁反射波的振幅和传播时间生成孔壁特征图 像；利用磁坐标对孔壁图像定向；利用倾斜坐标计算 钻孔的偏移值以及对所测得的结构面裂隙、岩层、 断层等进行角度校正，最终形成反映孔壁特征的二 维孔壁展开图像。作者简介 ： 刘付光 1962 ， 男，1987 年毕业于长春地质学院 ， 高 级工程师，现从事地球物理测井工作。收稿日期：2021-06-10责任编辑：孙常长增刊 2刘付光，等：美国 Matrix 测井系统超声波成像技术的应用及浅析109三维孔壁柱状图；进行节理统计；绘制节理倾向极点图和玫瑰花图； 利用测得的磁方位值对钻取的岩心 定位

9、；可以实现节理视倾角和真倾角转换；可以和多 种图像格式相互转换。 经过该软件处理后得到图形 图像如图 2 所示。孔壁超声波成像平面展开图为传感器从地磁北极开始顺时针北(N) 东(E) 南(S) 西(W) 北(N) 对孔壁进行扫描并随探头升降所形成的孔壁平剖 图。 因为不同密度和强度的物质对超声波的反射能 力不同， 颜色的深浅和变化反映了超声波反射信号 的强弱，即反映了钻孔孔壁岩性和强度的差异性。钻孔节理裂隙统计图是在孔壁超声波成像平面 展开图的根底上经过投影处理而得到节理裂隙随深 度分布情况的一个图形。图中为蝌蚪图，蝌蚪所在的 区间代表节理裂隙的倾角， 每 10为一个区间，090共八个区间，蝌

10、蚪尾巴的指向代表节理裂隙的倾向。孔壁超声波成像三维立体图是孔壁超声波成像 平面展开图通过软件处理所形成的一个三维表达形 式。 钻孔节理裂隙统计极点图和玫瑰花图是对钻孔 节理裂隙数据进行统计分析绘制而成。3 成像资料的解释31 识别裸眼井壁裂缝水平裂缝在图像上显示为水平黑线， 根据黑线 宽度确定水平裂缝宽度； 垂直裂缝在图像上显示为1.发射/接收器(压电陶瓷晶体)；2.超声波束；3.特制凹面反射镜；4.反射点；5.低密度树脂透声窗；6.声学头图 1 探头的声学结构图Figure 1 Acoustic construction of a probe12 数据采集ABI40 超声波成像测井仪的测试操

11、作和数据记 录全部由 Mslog 采集软件系统自动控制， 只要按照 操作说明书翻开软件，选择正确的工具配置文件，在 数据采集窗口设置数据采集模式和频率， 就可以开 始测试工作，操作简单可靠。 在测试过程中，注意通 过计算机监视探头的各种性能参数， 以免发生意外 损坏探头。2 采集数据的处理采 集 数 据 的 处理主要依靠软件系统 WellCAD4.3，该软件可以对现场采集的数据进行处 理和解释，主要功能包括：将记录的超声波振幅值自 动转换成反映孔壁特征的图像；对局部数据的缺失，可以自动进行插值修补；将二维孔壁展开图复原成两条平行井轴的黑线，根据黑线的宽度和长度分别图 2 超声波成像测井数据处理

12、图像Figure 2 Processed images of ultrasonic imaging logging data中 国 煤 炭 地 质第 21 卷110表 1 JZ4 孔岩心完整性分析成果表Table 1 Results of JZ4 borehole integrity analysis岩心类别深度范围/m累计长度/m占检测范围比例/%岩心性状描述岩心破碎带岩体较破碎，钻孔扩径较严重。岩体相对较完整 ， 结构面清晰可辨 ， 结构面线密 度非常高，而且以清晰的张性结构面为主。岩体较完整， 结构面根本清晰可辨 ， 结构面线密 度相对较高，而张性结构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结构面密集带7.755.88结构面较密集带4.803.64结构面线密度相对较低，而且结构面主要以压性结构面为主。岩心完整带108.3582.24计算出垂直裂缝的宽度和长度； 倾斜裂缝在图像上显示为波浪黑线， 根据波浪黑线的最高点与最低点 的垂直距离和孔径计算出倾斜的倾角， 根据波浪黑 线最低点的坐

14、标确定倾斜的方位角。32 判断岩层岩性根据图像的亮暗程度大致区分岩性， 泥岩和煤 层声幅图像为“暗色显示，石灰岩和砂岩声幅图像 为“亮色显示。33 确定岩层产状声阻抗差异明显的两种岩层在声幅图像上 为 “亮“暗两局部，其分界被清楚地显示出来，据此可 确定岩层产状。4 应用实例与分析41 清水钻井超声成像某地区 JZ4 钻孔孔深 140.50m， 孔径 89mm，钻 井液为清水，岩性主要是泥岩、砂岩，要求进行超声 波成像测井，评价本孔岩体完整性，裂隙发育情况。根据图 3 图像解译结果和结构面线密度统计， 并结合实际的钻孔岩心编录，划分出岩心破碎带、结 构面密集带、较密集带和岩心完整带。当钻孔孔壁

15、图 像有一半以上面积为暗蓝色，或宽结构面结构面宽 度20cm很多且结构面间距小于 20cm 时，即认为图 3JZ4 孔超声波成像测井资料分析解释图是岩心破碎带；结构面线密度4 条/m 的区域为结Figure 3 Interpretation diagram of JZ4 borehole ultrasonicimaging logging data analysis1064.00m，孔径 165mm，钻井液为泥浆，泥浆密度为构面密集带，2结构面线密度4 条/m 的区域为结构面较密集带； 结构面线密度2 条/m 的区域为岩 心完整带，划分结果如表 1 所示。总体看来，整个钻孔的岩体相对完整，岩心

16、完整带和结构面密集带占了整个钻孔的 88.12，且破碎 带很少。拟建工程所涉及部位的岩体相对较好，局部1.15g/cm ，泥浆粘度为 23s。 其中1 032.801 041.35m3为煤层，厚度为 8.55m，要求进行超声波成像测井，评价煤层上下井段岩体完整性和煤层裂隙发育情 况。图 4 是 XL3 孔超声波成像测井资料分析解释 图，可见图像较模糊，欠清晰。 分析原因可能是钻孔 较深，下部泥浆较稠，钻孔较斜，仪器不完全居中所地段岩体内结构面稍有发育，碎带。42 泥浆钻进超声成像但是没有发育大的破致。 测量井段未见明显裂隙发育。下转第 126 页某地区 XL3 钻孔为煤层气测井试验孔，孔深中

17、国 煤炭 地 质第 21 卷126图 8 洪涝尺勘查区三维地质模型Figure 8 3D geological model of Honglaochi exploration area2005,25(z1).3 李青元,郑佳荣,韩建. 对面向构造地质的 GIS 软件平台的几点思 考 J.中国煤炭地质,2021,20(10).4 王占刚,曹代勇.基于改良三棱柱模型的复杂地质体 3D 建模方法J.中国煤田地质,2004,16(1).5 李青元,朱小弟,曹代勇.三维地质模型的数据模型研究J.中国煤 田地质,2000,12(3).6 宁夏回族自治区煤田地质局.宁夏回族自治区洪涝池勘查区煤炭 普查报告R

18、.银川:宁夏煤田地质局,2007.图 7三维地质建模点Figure 7 Modeling point of 3D geological model现矿山多源数据可视化集成， 真正实现地下信息共 享和互操作，对复杂的地质条件做以理解和判别。能 更加有效的指导后期矿井设计、资源开采。参考文献：1 王李管，何兴盛，贾明涛.三维地质体实体建模技术及其在工程中 的应用J.金属矿山,2006,(2).2 刑存恩，宋毅.采矿工程剖面图计算机生成方法探讨J.煤炭学报,!上接第 110 页5 结论通过以上资料分析可知， 中国煤炭地质总局中 煤地质工程总公司引进的美国 Matrix 测井系统中 ABI40 超声波

19、成像测井仪， 可以测量提供大量有效 可视的钻孔岩体定量数据，如岩体结构面的产状、分 布特征等。但在工作中应注意孔径、泥浆粘度等钻孔 条件的影响，仪器一定要安装好扶正器，保持仪器居 中。 只要熟练掌握仪器性能，选择适宜的技术参数， 就能获得最正确的测井数据。 由于超声波成像测井受 现场测试条件限制相对较少，且具有直观、清晰、可 视性的特点，必将在工程勘察、石油、煤炭、煤层气等 测井领域有着广阔的应用前景， 为地质勘探工作又 提供了一条有效的技术途径。参考文献：1 毛吉震.超声波成像钻孔电视及其在岩石工程中的应用J.岩石力 学与工程学报，1994，03.2 张景考，刘振祥,等.超声波成像测井在矿井地质中的应用J.矿井 地质，1997,(01).3 王成虎，郭启良，等.新一代超声波钻孔电视及其在工程勘察中的 应用研究J.地质与勘探，2007,(01).图 4 XL3 孔超声波成像测井资料分析解释图Figure 4 Interpretation diagram of XL3 borehole ultrasonic imaging logging data analysis