石油勘探開發中的兩種三維技術

■ 王大銳

三維聲波測井儀器技術

早期的聲波測量方法相對簡單，只是將地震信號與巖層進行對照擬合。現在，聲波測量能揭示許多儲層與井眼特性，可以用來推導原始和次生孔隙度、滲透率、巖性、孔隙壓力、侵入、各向異性、礦物組份、流體類型、應力大小和方向、裂縫及其方位，以及套管-水泥膠結質量等。地層特性通常有很強的方位性，因此，必須進行三維測量才能提供完整的描述。

三維聲波能提供軸向（沿井筒方向）、周向（順著井周）、徑向（垂直于井筒方向）三個方向上的測井數據。井眼周圍和較遠處的變化取決于多鐘因素，包括井眼相對于沉積層的角度。水平地層中直井的軸向變化是最典型的，能夠指示巖性、流體含量、孔隙度和滲透率的變化。由于應力分布不均勻以及鉆井引起的近井力學和化學變化，造成了徑向流體和巖石特性的變化。周向變化能表明由于礦物顆粒分層、裂縫排列和應力差引起的各向異性。

三維聲波擁有多極子發射和陣列接收聲系，能測得更豐富的地層信息及更高的周向和軸向分辨率；并且擁有定向發射接收技術，能獲得更精確的地層方位信息；采用較大功率發射換能器及靈敏度更高的信號處理電路，使得徑向探測深度得到顯著提高，從而能獲得更豐富、更深入的原狀地層信息，如圖1所示。

圖1 三維聲波示意圖

傳統的單極子聲波測井技術可以用來評價均勻地層；正交偶極子聲波測井技術可以用來評價對稱軸沿水平方向的橫向各向同性地層。隨著勘探開發的不斷深入，石油勘探、開采的難度不斷加大。這就要求發展在非均質、各向異性、裂縫性等復雜地層井孔條件下，能夠提供更精細的、三維空間描述的地層信息的聲波測井方法和技術。三維聲波能加強現有的多極子聲波測井儀器的所有功能，并具有更大的徑向探測深度，以及良好的周向方位分辨率。

三維聲波儀器充分利用各類型換能器特征，結合先進的工藝設計和電路技術，能夠在以下生產需求下投入應用：（1）提供更精細的地層信息，包括提供更高的周向分辨率，更高的軸向分辨率，更可靠的測井數據；（2）提供探測深度更高的徑向地層信息，包括評價井旁有無污染帶，評價地層傷害的程度，準確測量原狀地層的聲波時差，為地層流體測試、壓力測試等各種近井壁地層測試技術和井壁取心提供可靠參考依據，為防砂作業提供依據；（3）提供井周不均勻地層的方位評價信息，準確評價井周地層的聲學和力學的周向不均勻性，為定向鉆井提供依據，為定向射孔提供距離，判斷井孔是否穿過界面；（4）提供套管井水泥膠結質量評價和地層評價信息。

雖然國外的三維聲波測井技術發展較早，但真正投入生產應用時間還較短，而且應用區域相對狹小，儀器類型相對單一。國內三維聲波測井技術起步較晚，但很快得到了測井各界的高度重視，通過堅持不懈地研發，三維聲波測井技術肯定能取得較快的、長遠的發展。

三維數字巖心孔隙級可視化

對于孔隙級數字巖心多相滲流的研究，首先需要弄清的是巖心內部孔隙空間結構。目前世界上對數字巖心重建的方法有切片組合法、X射線立體成像法以及基于圖像的數值重建方法等。而第三種方法只需要極少量巖石切片（一般為幾厘米）的X光掃描圖像，該方法經濟方便，是現在普遍使用的方法。微CT掃描儀主要包括：X射線源、樣品夾持器、X射線探測器以及相應數據存儲、處理的工作站、顯示器等。X射線源產生掃描樣品所需的X射線；樣品夾持器固定待掃描樣品，高精度旋轉掃描；X射線探測器檢測經樣品衰減后的X射線。上述組成均與計算機連接，計算機用于精確控制X射線源的射線強度、樣品夾持器的旋轉角度和其他掃描參數，此外計算機還將對檢測信號進行處理，最終輸出樣品的CT掃描圖像。

微CT成像原理是X射線的衰減，即X射線穿過物質時與物質的原子相互作用引起的能量衰減，如圖2所示。在掃描過程中X射線衰減主要取決于樣品的材料組成、密度和光束方向的厚度。

圖2 微CT掃描儀基本構成示意圖

衰減強度信號被探測器接收后傳輸給計算機，CT系統使用二維投影圖重構算法重構出樣品內部三維結構的切片圖像。

為了方便樣品固定，以及獲得高分辨率的巖石樣品圖像，便于后期圖像處理，實驗中應當將巖石樣品打磨成直徑0.3～0.5cm，長度1～1.5cm，近圓柱體形態。并盡可能地縮小探測器和X射線源間的距離，有利于獲得高分辨率的圖像并縮短實驗時間。

根據所得CT掃描圖像，運用三維重構軟件將其重建為三維立體模型，為之后將要進行的模型測量、力學性質以及滲流特性等方面的研究做好基礎工作。在對重構模型進行圖像分割處理前，為了減少圖形的噪聲干擾，或者突出研究對象，需要對CT掃描圖像進行降噪處理。正是基于這樣的目的，降噪處理工具往往會通過一系列的算法而使圖形更易識別。例如，降噪處理可以從損壞的圖像或較低對比度圖像中去除噪聲干擾。

將巖石切片圖形中獨立的基質或者孔隙各自分割開，以達到觀測孔洞數據的目的，同時也能更好地分析孔隙或者顆粒的體積、表面積、空間坐標等物性參數。

圖3 切片分割處理結果及顆粒區分圖

從圖3中可以觀察到，顆粒與顆粒之間基本被分隔開來，圖中的孔隙（黑色）分布比較明顯。灰色部分為不同的巖石顆粒。對巖樣的CT掃描圖形進行測量，可以直觀地得到該樣品的孔隙體積，有利于分析樣品的絕對滲透率。同時可得到巖石顆粒的粒徑大小，得到巖樣的粒度分布。最終得到的結果與實驗相對比，為以后的相滲過程模擬做好基礎準備工作。經過計算機軟件處理后，可以獲得如圖4所示的三維圖像。圖4中不同的顏色代表每一個不同的孔隙。從三維圖形中可以看出，所分析的樣品巖樣孔隙性較好，各孔隙尺度較大，是良好的油氣儲存場所。

圖4 三維可視化效果的孔隙

這種三維可視化技術的先進性表現在：可以直觀地得到數字巖心的物性資料；對數字巖心進行可視化處理，可以找到數字巖心重建過程中的部分問題，方便改進數字巖心的模擬。了解圖像的各個處理步驟，使數字巖心重建的原理更容易被理解。圖像的部分測量可以和實驗室測量數據相對比，判斷重建的準確性。微觀級的滲流研究，是在孔隙級的基礎上進行，借助可視化數字巖心，有利于滲流過程的模擬，有利于發現微觀滲流的規律。重建后所得巖樣孔隙度與實際所測孔隙度非常接近，存在的誤差是由于實測孔隙度為有效孔隙度，而重建后所得孔隙度為巖樣的絕對孔隙度，對巖樣物性參數的測量，重建所得數據具有可靠性，可用于工程計算。