绪论
第一节 测井技术的发展历程
自1927年马科尔 斯伦贝谢和科纳德 斯伦贝谢兄弟发明第一支电阻率测井仪并在法国Pechelbronn油田完成第一次电阻率测井作业以来，伴随着测井方法的多样化和计算机技术的不断发展，以及油气等地质资源的发现难度不断增加，测井技术先后经历了四个主要的发展阶段，分别是模拟记录阶段、数字测井阶段、数控测井阶段和成像测井阶段。模拟记录阶段是从测井技术出现到20世纪60年代末，使用模拟记录测井仪器记录地层的物理属性（电阻率、声波等）随深度的变化过程。测井系列以电法测井为主（自然电位测井、感应测井、普通电阻率测井），同时使用自然伽马和声波（纵波）测井作为地层岩性的指示。通过人工定性解释照相纸或胶片上记录的曲线变化来完成储层含油气评价和地层对比。该方法的特点是采集的数据量小、传输速率低，且为单项测量，效率低。代表性仪器包括了国外的51型电测仪和我国自主研发的JD581型多线式电测仪。20世纪60年代开始随着测井方法的增多以及大量数据处理的需要出现了数字测井仪器，将测井数据以数字磁带的方式记录好并用于后续的计算机处理。测井系列包括了常用的电测井、孔隙度测井和放射性测井（常九条），同时还出现了地层倾角测井。该方法的特点是操作复杂、数据量大。代表性测井系统有阿特拉斯的3600数字测井仪。70年代末期随着测井新方法的不断出现、对测井参数实时监控的需求以及计算机技术的发展出现了数控测井，实现了以一台计算机为中心的遥控测量，各种井下仪器作为计算机的外载设备，通过电缆通信系统与地面的计算机相连，实现了计算机对井下仪器的实时控制。代表性测井系统有斯伦贝谢的CSU测井系统、阿特拉斯的CLS3700测井系统、吉尔哈特公司的DDL-Ⅲ测井系统和胜利测井公司的SL3000测井系统。90年代随着复杂油气藏勘探对测井解释的更高要求以及计算机技术的进一步发展，进入了成像测井阶段，这一时期的测井系统不仅兼容了传统的常规测井系列，还配备了新型的声电成像和其他特殊测井仪器（核磁共振等）。代表性的测井系统有斯伦贝谢的Maxis500、阿特拉斯的Eclips5700、哈里伯顿的Excell2000和胜利测井公司的SL6000。
第二节 井壁成像测井技术的发展历程
按照物理属性的不同，井壁成像测井技术可划分为光学、声学、电学和密度成像测井，其中光学成像测井出现的时间*早，而密度成像测井出现得相对偏晚。钻井井眼中的地层成像试验始于1958年，美国Birdwell公司第一次使用16mm的照相镜头拍摄了井下岩石的模糊影像（Dempsey and Hickey，1958）。1964年井壁成像的研究转向了电视摄像，壳牌公司研究了井下黑白电视照相仪（Briggs，1964）。1968年美国莫比尔公司研发了第一套高频声波成像测井仪，其优势是扩展了井壁成像的应用范围，不受井眼流体透明度的限制，其缺点是对泥浆密度、井壁不规则程度和下井仪器的偏心程度较为敏感（Zemanek et al.，1969），更重要的是该方法较难清晰地刻画地层的层理等沉积特征。到1986年，斯伦贝谢公司率先研发了新一代的井壁成像测井仪FMS微电阻率扫描成像测井仪，它可以获得地层层理、裂缝和溶蚀孔洞等信息，但是其井壁覆盖率较低。为了获取更高的井壁覆盖率，斯伦贝谢公司于1991年又推出了新一代的微电阻率扫描成像测井仪，即全井眼地层微电阻率扫描成像测井仪（FMI）。另外，哈里伯顿和阿特拉斯公司也分别于1994年和1995年推出了相应的微电阻率扫描成像测井仪，以及井眼声波扫描成像测井仪，但是需要注意的是声波扫描成像测井仪在大多数情况下无法识别层理构造。而随着油气勘探难度的增大，为了降低钻井风险、提高钻井效率，许多含油气盆地的钻井使用了油基泥浆和合成泥浆，这一操作虽然对于声波扫描成像测井仪的数据采集没有太大的影响，但是对传统水基泥浆微电阻率扫描成像测井数据的准确获取产生了重要的干扰，为此，斯伦贝谢、阿特拉斯和哈里伯顿等公司又分别推出了相应的油基泥浆微电阻率扫描成像测井仪OBMI、EI和OMRI。另外，密度成像测井技术也可以提供层界面和构造产状等地层信息，但主要应用于随钻测井（Evans et al.，1995）。
第三节 微电阻率扫描成像测井技术的发展历程
微电阻率扫描成像测井技术的发展主要伴随了两个方面的技术需求：其一是要求测井仪器能够*大化地覆盖井壁地层，其二是要求测井仪器能够适应钻井液由低阻的水基泥浆向高阻的油基泥浆变化。*早出现的微电阻率扫描成像测井是20世纪80年代中期斯伦贝谢在倾角测井仪基础上研发的第一代FMS（Ekstrom et al.，1986；Lloyd et al.，1986），该型号的FMS只安装了两个成像极板（共54个电极），在8in1in=2.54cm。井眼中的覆盖率仅有20%。为了进一步提高FMS的井壁覆盖率，第二代FMS相继诞生（Boyeldieu and Jeffreys，1988），在四个成像极板中各安装了16个电极，由原来的54个电极的FMS发展成为四臂四极板64个电极的FMS，使得仪器在8in井眼中井壁覆盖率达到40%，但是这一覆盖率的提高是以降低仪器分辨率为代价的，第一代FMS的分辨率是0.2in而第二代的分辨率是0.3in。尽管如此，FMS对井壁的覆盖率仍然较低。因此斯伦贝谢在FMS的基础上又研发了四臂八极板192个电极的FMI全井眼地层微电阻率扫描成像测井仪，在8in井眼中该仪器的覆盖率可达80%，且垂向和周向的分辨率都为0.2in（Safinya et al.，1991）。其他测井公司微电阻率扫描成像测井仪的研发时间相对偏晚，其中哈里伯顿的EMI出现于1994年（Seiler et al.，1994），阿特拉斯的STAR出现于1995年（Tetzlaff and Paauwe，1997），二者的井壁覆盖率都较低。我国微电阻率扫描成像测井仪的推出始于20世纪末，现今已有一些得到了商业化的应用（如MCI）。
微电阻率扫描成像测井仪的另一个发展是与钻井泥浆性质的转变息息相关的。FMS、FMI、EMI、STAR和MCI等微电阻率扫描成像测井数据的采集都是基于钻井泥浆是导电的水基泥浆这一前提。然而，为了降低钻井风险和提高钻井效率，现今国内外的许多含油气盆地中都使用了油基泥浆和合成泥浆等非导电泥浆进行钻井，这种高阻的井眼环境使得水基泥浆微电阻率扫描成像测井仪失去了作用。为了能够在油基泥浆和合成泥浆中获得近似于水基泥浆的电成像测井图像，通过对成像极板进行设计，不同测井公司先后研发了非导电井眼的微电阻率扫描成像测井。斯伦贝谢在1999年对OBMI油基泥浆微电阻率扫描成像测井进行了现场测试（Cheung et al.，2001），之后为了扩大仪器对井壁的覆盖率，2004年研发人员又在原有的基础上加装了一个OBMI探头（OBMI2），等于配置了两套成像测井仪，从而将仪器的井壁覆盖率扩大了一倍。但是，OBMI的水平/垂直分辨率都约为1.2in（约3cm）且电极个数较少，因此只能分辨裂缝和层界面等宏观的地质体，多数油基泥浆微电阻率扫描成像仪都不能识别微细的地质特征（如纹层）。以沉积特征为例，油基泥浆电成像分辨率要比水基泥浆电成像分辨率小一个数量级（Bourke and Prosser，2010）。为了进一步提高油基泥浆微电阻率扫描成像测井仪的分辨率和覆盖率，2011年和2014年斯伦贝谢又先后研发了FMI-HD（Laronga et al.，2011）和QuantaGeo（Bloemenkamp et al.，2014）。其中QuantaGeo是该公司*新一代的油基泥浆微电阻率扫描成像测井仪，不同于水基泥浆的电成像（千赫兹频段的工作频率），该仪器的纽扣电极以兆赫兹频段的频率发射电流，从而与井壁地层形成电容连接。仪器的垂向分辨率可达0.24in（6mm），水平分辨率为0.12in（3mm）；在8in的井眼中井壁覆盖率可达98%。目前QuantaGeo已经在中石油（新疆油田、塔里木油田和浙江油田等）进行了不同钻井井眼和不同岩性地层的数据采集。哈里伯顿和阿特拉斯等测井公司的油基泥浆成像测井仪出现得较晚，其中贝克休斯的EI出现于2002年（Lofts et al.，2002），而哈里伯顿于2008年研发了OMRI油基泥浆成像仪（Martin et al.，2008）。
第四节 微电阻率扫描成像测井的研究尺度及评价内容
现今地层岩石评价的方法主要包括了地震、常规测井、成像测井、露头、岩心和不同尺度的显微薄片等。这些方法具有不同的研究尺度，可以分辨几十米到微米、纳米级的地质体（图0.1）。一般地，地震资料可以较好地识别几十米厚的地层，通过提取地震属性等方法可以勾勒地质体的空间形态，从而分析不同类型地质体（沉积体系、火山机构）的区域展布特征，但是地震资料较低的分辨率限制了其用于地质体内部精细结构的识别和划分。常规测井资料的分辨率主要在分米级，以自然伽马曲线为例，可以识别0.3m以上厚的地层，以曲线“相面”的形式较好地反映某一时期沉积岩地层垂向的韵律变化特征，但是无法进一步识别薄层以及岩层内部的结构构造特征。井壁微电阻率扫描成像测井的垂向分辨率为5mm，既可以识别直径大于这一数值的单个孔洞和砾石等体状体，也可以识别小于这一数值的线状体（裂缝或纹层）。更为重要的是该方法可以以低于钻井取心成本的方式，直观地为地质学家呈现地下地层的图像特征，据此在长井段内连续观察碎屑岩、碳酸盐岩和火山岩地层的结构和构造。因此该方法虽然不能完全等同于岩心和露头对地层的刻画，但是其优点是其他方法所无法取代的。
图0.1 多尺度地质研究方法示意图
从地震、常规测井、微电阻率扫描成像测井、岩心到铸体薄片，各方法的分辨率不断提高，但研究视野不断减小井壁微电阻率扫描成像测井的评价内容主要包括了地层的划分（包括地层界面的识别）、井旁或过井眼构造解析、岩性岩相划分和沉积环境分析、古水流方向恢复、成岩作用分析、碳酸盐岩和火山岩风化壳的识别、火山机构解析、缝洞识别及参数计算、现今地应力分析等（图0.2）。地层的划分是根据动、静态图像特征的突变或地层产状的突变等确定上下地层之间的分层界面，如静态图像由中低阻向上突变为高阻的图像背景，或动态图像由带状组合模式突变为斑状组合模式等都可能指示了重大的地层界面。在实际研究中可以先根据常规测井曲线或录井岩性剖面确定地层界面的大致深度，再根据高分辨率的微电阻率扫描成像测井图像确定具体的深度点。井旁构造解析是根据长井段内地层产状的变化来判断井点所在地区地下地层的空间构造分布形态等（褶皱、大尺度断层和不整合面等），而过井眼构造解析除了可以利用局部地层产状的变化外，还可以通过观察图像确定小尺度的断层、判断断层的性质。岩性解释是综合静态图像反映的电阻率高低和动态图像反映的结构构造类型，而不同类型岩石的结构构造是根据小窗长增强处理的动态图像识别的，*终综合岩性岩相和结构构造等确定地层的岩相类型。沉积时的古水流方位是在图像中倾斜砂岩纹层和砾岩层识别基础上，根据构造倾角消除后的砂岩纹层的倾向或砾石定向排列的方位判断的。在成岩作用方面，由于微电阻率扫描成像测井无法刻画岩矿级别的地层特征，因此其在成岩作用的研究中应用较为有限，目前的研究局限于识别碳酸盐岩地层的岩溶作用、溶蚀作用和白云岩化作用。在解释古风化壳方面，主要是利用动态图像识别碳酸盐岩或火山岩风化壳中的各类结构要素，再将各要素按照从顶到底的顺序进行组合，划分出风化壳内部的多层结构。火山喷发期次及火山机构的解析主要是根据各类火山岩在现代或古代火山机构中的发育规律，
图0.2 井壁微电阻率扫描成像测井评价的内容
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