石油勘探開發(fā)中的兩種三維技術(shù)

■ 王大銳

三維聲波測井儀器技術(shù)

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(xiàn)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(jié)質(zhì)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(shù)據(jù)。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(fā)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(fā)射接收技術(shù)，能獲得更精確的地層方位信息；采用較大功率發(fā)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(tǒng)的單極子聲波測井技術(shù)可以用來評價均勻地層；正交偶極子聲波測井技術(shù)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(fā)的不斷深入，石油勘探、開采的難度不斷加大。這就要求發(fā)展在非均質(zhì)、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(shù)。三維聲波能加強現(xiàn)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(jié)合先進的工藝設計和電路技術(shù)，能夠在以下生產(chǎn)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(shù)據(jù)；（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(shù)和井壁取心提供可靠參考依據(jù)，為防砂作業(yè)提供依據(jù)；（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(jù)，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(jié)質(zhì)量評價和地層評價信息。

雖然國外的三維聲波測井技術(shù)發(fā)展較早，但真正投入生產(chǎn)應用時間還較短，而且應用區(qū)域相對狹小，儀器類型相對單一。國內(nèi)三維聲波測井技術(shù)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(fā)，三維聲波測井技術(shù)肯定能取得較快的、長遠的發(fā)展。

三維數(shù)字巖心孔隙級可視化

對于孔隙級數(shù)字巖心多相滲流的研究，首先需要弄清的是巖心內(nèi)部孔隙空間結(jié)構(gòu)。目前世界上對數(shù)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(shù)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(jīng)濟方便，是現(xiàn)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(shù)據(jù)存儲、處理的工作站、顯示器等。X射線源產(chǎn)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(zhuǎn)掃描；X射線探測器檢測經(jīng)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(zhuǎn)角度和其他掃描參數(shù)，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(zhì)時與物質(zhì)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(gòu)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(tǒng)使用二維投影圖重構(gòu)算法重構(gòu)出樣品內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)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(tài)。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(jù)所得CT掃描圖像，運用三維重構(gòu)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(zhì)以及滲流特性等方面的研究做好基礎工作。在對重構(gòu)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(zhì)或者孔隙各自分割開，以達到觀測孔洞數(shù)據(jù)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(shù)。

圖3 切片分割處理結(jié)果及顆粒區(qū)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?；疑糠譃椴煌膸r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(jié)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(jīng)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(shù)的先進性表現(xiàn)在：可以直觀地得到數(shù)字巖心的物性資料；對數(shù)字巖心進行可視化處理，可以找到數(shù)字巖心重建過程中的部分問題，方便改進數(shù)字巖心的模擬。了解圖像的各個處理步驟，使數(shù)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(shù)據(jù)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(shù)字巖心，有利于滲流過程的模擬，有利于發(fā)現(xiàn)微觀滲流的規(guī)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(shù)的測量，重建所得數(shù)據(jù)具有可靠性，可用于工程計算。