張瑩，潘保芝

（1.廣東海洋大學(xué)海洋遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江524088；2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026）

基于FMI的3種火山巖儲(chǔ)層裂縫孔隙度求取方法

張瑩1，潘保芝2

（1.廣東海洋大學(xué)海洋遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，廣東湛江524088；2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130026）

針對(duì)火山巖儲(chǔ)層裂縫孔隙度定量求取這一問(wèn)題，為充分利用地層微電阻率成像測(cè)井（FMI）資料，論述了已有的軟件人機(jī)交互解釋求取方法和圖像特征提取求取方法，并提出一種基于采集數(shù)據(jù)陣鄰域搜索的求取方法。以巖心分析得到的總孔隙度值與聲波得到的巖塊孔隙度值之差作為標(biāo)準(zhǔn)值，分析人機(jī)交互解釋、圖像特性提取、基于采集數(shù)據(jù)矩陣建模等3種求取裂縫孔隙度的求取效果。對(duì)比長(zhǎng)嶺地區(qū)3口井17個(gè)深度點(diǎn)的裂縫孔隙度計(jì)算結(jié)果，得出第1種方法依賴(lài)解釋者的主觀經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果大小不定；第2種方法只對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦形態(tài)裂縫有效，計(jì)算結(jié)果偏??；第3種方法將全部低電阻率響應(yīng)劃入，計(jì)算結(jié)果偏大。

微電阻率成像測(cè)井；火山巖；裂縫孔隙度；圖像特征提取；采集數(shù)據(jù)

0 引 言

以往利用測(cè)井方法對(duì)火山巖儲(chǔ)層裂縫的研究，主要是通過(guò)取心資料與測(cè)井資料對(duì)比，總結(jié)裂縫在常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)上的響應(yīng)特征，再利用多種數(shù)學(xué)方法，如分形法、有限元法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等對(duì)裂縫進(jìn)行評(píng)價(jià)［1－4］。隨著地層微電阻率成像測(cè)井（FMI）的廣泛應(yīng)用，為孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的火山巖儲(chǔ)層裂縫定量評(píng)價(jià)提供新的測(cè)井手段［5－7］。本文論述了3種利用FMI資料求取火山巖儲(chǔ)層裂縫孔隙度的方法，并分析了3種裂縫孔隙度求取方法的效果及影響因素。

1 人機(jī)交互解釋求取裂縫孔隙度

Geo Fram、eXepress及國(guó)內(nèi)自主研發(fā)（如Log－View）軟件的人機(jī)交互解釋模塊均可快速有效地求取火山巖裂縫孔隙度值，但首先要求解釋者能準(zhǔn)確區(qū)分典型裂縫在FMI圖像上的特征（見(jiàn)圖1）：①高導(dǎo)天然縫在FMI圖像上表現(xiàn)為深色（黑色）的正弦曲線(xiàn)，連續(xù)性比較好，往往充填有鉆井泥漿等低電阻率物質(zhì)而顯現(xiàn)為深色，其傾角大小變化很大，主要在40°～80°之間變化［見(jiàn)圖1（a）］；②高電阻率天然縫在FMI圖像上表現(xiàn)為相對(duì)高電阻率（淺色～白色）正弦曲線(xiàn)，高電阻率縫多為閉合縫，系高電阻率物質(zhì)充填裂縫或裂縫閉合而成［見(jiàn)圖1（b）］；③鉆井誘導(dǎo)縫為鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫，主要由于地層內(nèi)部應(yīng)力釋放，以及鉆具在井壁造成的擦痕所形成，最大特點(diǎn)是沿井壁的對(duì)稱(chēng)方向出現(xiàn)，呈羽狀或雁列狀［見(jiàn)圖1（c）］［8］。

通過(guò)軟件求取裂縫孔隙度，即是對(duì)FMI圖像上能夠成為油氣儲(chǔ)集空間的高導(dǎo)天然縫進(jìn)行人機(jī)交互的拾取，然后計(jì)算裂縫視孔隙度，即所見(jiàn)到的裂縫在1m井壁上的視開(kāi)口面積除以1m井段中FMI圖像的覆蓋面積，即

式中，φ為裂縫視孔隙度，%；Wi為第i條裂縫的平均寬度，m；Li為第i條裂縫在統(tǒng)計(jì)窗長(zhǎng)L內(nèi)（一般L選為1m）的長(zhǎng)度，m；D為井徑。

圖2為×1井（3 650～3 655m井段）通過(guò)Log－View軟件人機(jī)交互解釋功能提取的裂縫參數(shù)圖，其裂縫孔隙度值主要分布在0～0.96%之間。

圖1 火山巖儲(chǔ)層典型裂縫FMI圖像

圖2 ×1井人機(jī)交互解釋提取的裂縫參數(shù)圖

2 圖像特征提取方法求取孔隙度

在成像測(cè)井圖像上，井筒沿正北方向展開(kāi)后，裂縫面與井筒的交線(xiàn)在平面圖上呈現(xiàn)為單周期的正弦曲線(xiàn)［9］。Hough變換方法的點(diǎn)線(xiàn)對(duì)偶性正適合對(duì)圖像中的裂縫信息進(jìn)行拾取［10］。由此，針對(duì)火山巖儲(chǔ)層的FMI圖像可采用如下處理方法求取裂縫孔隙度值。

（1）預(yù)處理。FMI采集數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過(guò)壞電極剔除，深度對(duì)齊，電壓、方位、加速度等校正，然后通過(guò)線(xiàn)性變換或?qū)?shù)變換將電阻率值轉(zhuǎn)換為圖像的灰度值，再進(jìn)行灰度插值加密，最終得到合理的FMI圖像顯示［11］［見(jiàn)圖3（a）］。

（2）濾波。為了消除圖像在采集、生成和傳輸過(guò)程中受到各種噪聲源的干擾和影響［12］，針對(duì)火山巖儲(chǔ)層的FMI圖像，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，選用了正方形中值濾波方法對(duì)其進(jìn)行處理［見(jiàn)圖3（b）］。

（3）銳化。由于火山巖儲(chǔ)層的FMI圖像常顯示成層性，圖像的銳化技術(shù)更容易導(dǎo)致裂縫與流動(dòng)構(gòu)造面的混淆，因此針對(duì)火山巖儲(chǔ)層FMI圖像的處理不進(jìn)行圖像銳化處理。

（4）二值化。圖像中目標(biāo)與背景的分離技術(shù)就是圖像分割，也稱(chēng)圖像二值化［13］。針對(duì)火山巖儲(chǔ)層FMI圖像的直方圖特征，增加對(duì)直方圖的濾波和抗干擾處理后，自適應(yīng)確定二值化域值，達(dá)到能夠在FMI圖像上把裂縫從基巖中顯現(xiàn)出來(lái)的效果［見(jiàn)圖3（c）］。

（5）細(xì)化。通過(guò)圖像細(xì)化的操作，找到FMI圖像上的裂縫脊線(xiàn)。針對(duì)火山巖儲(chǔ)層的FMI圖像的實(shí)際應(yīng)用分析，Hilditch法細(xì)化的效果較好［見(jiàn)圖3（d）］。

圖3 ×2井FMI圖像處理效果圖

（6）裂縫追蹤。在圖像上，對(duì)利用軟件人機(jī)交互解釋所提取的高導(dǎo)天然縫軌跡的自動(dòng)追蹤，就轉(zhuǎn)化成了拾取正弦曲線(xiàn)參數(shù)的問(wèn)題。而FMI圖像中的裂縫是周期長(zhǎng)度等于圖像寬度的正弦曲線(xiàn)，因而可以采用二維Hough變換提取裂縫所在位置對(duì)應(yīng)的正弦曲線(xiàn)的幅度和初相位參數(shù)［14－15］。

正弦曲線(xiàn)的一般方程

式中，A為正弦曲線(xiàn)的振幅；ω為角速度；β為初相位；y0為正弦曲線(xiàn)的基線(xiàn)。圖4為裂縫即正弦曲線(xiàn)示意圖，其中水平直線(xiàn)H是正弦曲線(xiàn)S的基線(xiàn)，在S上任取一點(diǎn)M，然后在S上找出與M水平距離等于T／2的另一點(diǎn)N，將M和N配成一個(gè)點(diǎn)對(duì)。設(shè)點(diǎn)M的坐標(biāo)為（xM，yM），點(diǎn)N的坐標(biāo)為（xN，yN），則有xN＝xM＋T／2，設(shè)M和N的中點(diǎn)為C，其縱坐標(biāo)為yC＝y(tǒng)M＋yN。則中點(diǎn)C恰好位于正弦曲線(xiàn)S的基線(xiàn)H上。由此將圖像中所有水平距離為T(mén)／2的像素點(diǎn)配成點(diǎn)對(duì)，計(jì)算出它們的中點(diǎn)縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)次數(shù)最多的中點(diǎn)縱坐標(biāo)值即為正弦曲線(xiàn)的基線(xiàn)位置。則正弦曲線(xiàn)的未知參數(shù)只剩下幅度A和初相位β。選擇A和β參數(shù)作為坐標(biāo)，建立一個(gè)二維Hough變換參數(shù)空間。由式（2）可知，圖像中任意一點(diǎn)（x，y）映射到參數(shù)空間（A，β）中為1條曲線(xiàn)。從而實(shí)現(xiàn)了FMI圖像中裂縫的自動(dòng)拾取。

裂縫孔隙度的計(jì)算。在裂縫自動(dòng)追蹤的基礎(chǔ)上，找出圖像上組成裂縫的像素點(diǎn)，則

3 基于采集數(shù)據(jù)矩陣建模求取孔隙度

本文提出了一種直接利用FMI采集的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)矩陣求解裂縫孔隙度值的方法。FMI圖像是采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各種校正處理進(jìn)而刻度成的彩色圖像。儲(chǔ)集空間的張開(kāi)縫由于泥漿的充填，在圖像上表現(xiàn)為黑色正弦曲線(xiàn)，即裂縫處測(cè)得的電阻率值較小。由此，對(duì)具備FMI資料的火山巖儲(chǔ)層，可以通過(guò)研究FMI采集數(shù)據(jù)矩陣求取裂縫孔隙度值。

具體做法：①讀入FMI采集數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)矩陣為n行×192列，n取決于測(cè)量井段深度和采樣間隔；②選取閥值，用以區(qū)分矩陣中各點(diǎn)，是泥漿充填孔隙的低電阻率響應(yīng)，還是致密巖塊等物質(zhì)的高電阻率響應(yīng)；③建立鄰點(diǎn)搜索模型，搜索低電阻率響應(yīng)范圍；④計(jì)算低電阻率響應(yīng)范圍在采樣數(shù)據(jù)矩陣中所占比例。

圖4 正弦曲線(xiàn)示意圖

3.1 閥值的選擇

（1）為閥值F選擇一個(gè)初始估計(jì)值，通常選擇最大電阻率值與最小電阻率值的中間值。

（2）使用F值分割矩陣中的數(shù)據(jù)點(diǎn)，電阻率值≥F的所有點(diǎn)組成F1，電阻率值＜F的所有點(diǎn)組成F2。

（3）計(jì)算F1和F2范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均電阻率值μ1、μ2。

（4）計(jì)算一個(gè)新閥值

（5）重復(fù)步驟（4）～（5），直到連續(xù)迭代中F的差比預(yù)先指定的參數(shù)F0小為止。

3.2 鄰點(diǎn)搜索模型

圖5為識(shí)別低電阻率區(qū)域所建立的搜索模型，圖5（a）為采樣矩陣最左側(cè)數(shù)據(jù)列搜索模型，圖5（b）為中間各列搜索模型，圖5（c）為最右側(cè)列搜索模型。分別比較采樣矩陣中數(shù)據(jù)點(diǎn)上下左右各2點(diǎn)的數(shù)值，如果均為閥值范圍內(nèi)的低電阻率響應(yīng)，則記錄該點(diǎn)。所求的縫洞孔隙度值為

圖5 鄰域搜索模型

4 3種裂縫孔隙度求取方法的對(duì)比分析

將巖心分析得到的總孔隙度數(shù)值與聲波測(cè)井資料計(jì)算得到的巖塊孔隙度值之差，作為上述3種裂縫孔隙度求取方法結(jié)果的對(duì)比值。其中，利用聲波測(cè)井資料求取的巖塊孔隙度可由式（6）近似求出［16］

式中，Δt、Δtf、Δtmai、Vmai分別為測(cè)井聲波時(shí)差、流體聲波時(shí)差、第i種礦物聲波時(shí)差和第i種礦物百分含量；n為礦物總數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用地區(qū)為長(zhǎng)嶺斷陷的火山巖儲(chǔ)層。當(dāng)火山巖儲(chǔ)層的巖性類(lèi)型確定時(shí)，相應(yīng)的礦物組合也可確定，故式（6）的聲波時(shí)差可由典型巖性的聲波時(shí)差代表。又由于巖心分析得到的總孔隙度為單點(diǎn)孔隙度值，因此是對(duì)某一深度點(diǎn)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析。圖6是3口井中各種方法求取的裂縫孔隙度結(jié)果，具體數(shù)值見(jiàn)表1。第1種LogView軟件交互解釋方法操作簡(jiǎn)單，但裂縫孔隙度值求取的準(zhǔn)確與否，主要取決于解釋者的主觀判斷，與巖心分析及常規(guī)測(cè)井的計(jì)算結(jié)果相比，數(shù)值大小不定。第2種圖像特征提取方法可實(shí)現(xiàn)裂縫的自動(dòng)拾取，雖克服人機(jī)交互解釋時(shí)主觀因素帶來(lái)的影響，但由于只能自動(dòng)拾取標(biāo)準(zhǔn)正弦形態(tài)的裂縫曲線(xiàn)，而使得求取結(jié)果偏小。第3種方法以原始采集數(shù)據(jù)矩陣為研究對(duì)象，也能夠克服人機(jī)交互解釋時(shí)主觀因素的影響，但由于未考慮低電阻率響應(yīng)的形狀及大小，因此一旦閥值選定，所求取的結(jié)果包括所有低電阻率部分的響應(yīng)，這必然使計(jì)算出來(lái)的裂縫孔隙度值偏大。

圖6 3口井內(nèi)各種方法求取結(jié)果對(duì)比

表1 3口井裂縫孔隙度值求取結(jié)果對(duì)比分析表

5 結(jié) 論

（1）可利用成像測(cè)井分析軟件的人機(jī)交互解釋功能、數(shù)字圖像處理中的特征提取方法及直接計(jì)算原始采集數(shù)據(jù)矩陣低電阻率響應(yīng)比例這3種方法求取火山巖儲(chǔ)層裂縫孔隙度值。

（2）成像測(cè)井分析軟件（LogView）人機(jī)交互解釋功能的計(jì)算結(jié)果主要受解釋者的主觀經(jīng)驗(yàn)影響；數(shù)字圖像處理中可對(duì)圖像上顯示為裂縫特征的區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)提取，從而克服人為主觀因素的影響，但只能追蹤到完整的標(biāo)準(zhǔn)正弦形態(tài)的裂縫；計(jì)算原始采樣數(shù)據(jù)矩陣低電阻率響應(yīng)比例的方法亦可消除主觀因素的影響，但低電阻率響應(yīng)未考慮分布形態(tài)僅用閥值控制。

（3）以長(zhǎng)嶺斷陷3口井中17個(gè)深度點(diǎn)的巖心分析得到的總孔隙度數(shù)值與聲波計(jì)算得到的巖塊孔隙度值之差作為標(biāo)準(zhǔn)值，成像測(cè)井分析軟件（Log－View）人機(jī)交互解釋功能的計(jì)算結(jié)果大小不定，其中9個(gè)深度點(diǎn)計(jì)算結(jié)果小于標(biāo)準(zhǔn)值，其他8個(gè)深度點(diǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值；圖像特征提取求取方法的計(jì)算結(jié)果均小于標(biāo)準(zhǔn)值，平均絕對(duì)誤差0.531 06%；計(jì)算采樣數(shù)據(jù)矩陣低電阻率響應(yīng)比例的計(jì)算結(jié)果均大于標(biāo)準(zhǔn)值，平均絕對(duì)誤差2.534 4%。

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On Three Calculation Methods of Volcanic Reservoir Fracture Porosity Based on FMI Data

ZHANG Ying1，PAN Baozhi2
（1.Lab of Ocean Remote Sensing and Information Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，Guangdong 524088，China；2.College of Geo－exploration Science and Technology，Jilin University，Changchun，Jilin 130026，China）

It is very difficult to quantitatively acquire the fracture porosity of volcanic reservoir.To take full advantage of micro－resistivity imaging log（FMI）data，expounded are the existing ways about interactive interpretation and image feature extraction，and put forward is a new method to calculate the fracture porosity of volcanic reservoir which is based on collecting data array neighborhood search.We take the differentials between the total porosity values from the core analysis and rock porosity values from the acoustic logging as the standard value to analyze the calculations of the above methods.Through the comparison of calculations about the fracture porosity from 17depth points of three wells，we could get the conclusion：The first method relies on subjective experience of personnel，the calculations are not sure；The second method is only effective for the standard sine form fracture，the calculations are smaller；The third method includes all the low resistivity responses，the calculations are larger.

micro－resistivity imaging logging，volcanic，fracture porosity，image feature extraction，acquisition data

P631.84

A

2012－05－10 本文編輯 余迎）

1004－1338（2012）04－0365－05

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41174096）和國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)（編號(hào)：2011zx05009－001）聯(lián)合資助

張瑩，女，1982年生，博士，從事火山巖儲(chǔ)層測(cè)井綜合評(píng)價(jià)研究。