寬頻介電測(cè)井方法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、21世紀(jì)以來(lái)，石油技術(shù)人員不斷開(kāi)發(fā)新的能夠探測(cè)油田地層特性的儀器，其中利用電磁波測(cè)量巖石和流體性質(zhì)的介電測(cè)井就是一種新的技術(shù)。介電測(cè)井可以對(duì)含淡水、礦化水或礦化度未知的儲(chǔ)層的孔隙度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)含水孔隙度，可得出與電阻率無(wú)關(guān)的流體飽和度。測(cè)井分析人員可將介電測(cè)量結(jié)果與深探測(cè)儀器獲得的數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于識(shí)別含有可動(dòng)油氣的地層，這對(duì)于稠油油藏是極為重要的信息。
　　對(duì)于地層這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，通過(guò)的總電流為位移電流與傳導(dǎo)電流的和，而總電

2、流與地層的介電常數(shù)有關(guān)。當(dāng)外電場(chǎng)頻率改變時(shí)，受多孔介質(zhì)內(nèi)各種導(dǎo)電機(jī)理的影響，介電常數(shù)也隨之改變。所以，為了可以對(duì)地層的頻散特性有更全面的評(píng)估，自介電測(cè)井方法問(wèn)世以來(lái)，儀器研發(fā)人員從未停止對(duì)介電測(cè)井的工作頻率進(jìn)行拓展，從最早EPT的單點(diǎn)頻，到最近推出的Dielectric Scanner分布于2MHz到1GHz的四點(diǎn)頻率。這使得儀器除了提供介電信息外，還能提供一項(xiàng)新參數(shù)--介電頻散，根據(jù)這一信息，巖石物理學(xué)家可確定更多的地質(zhì)參數(shù)，如巖石結(jié)

3、構(gòu)及泥質(zhì)的影響。目前研究者們圍繞電磁波信號(hào)發(fā)射接收裝置的設(shè)計(jì)也開(kāi)展了大量的工作，早期設(shè)備多使用縫隙天線(xiàn)，采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量總是受井眼粗糙程度影響，而且測(cè)量精度也難以量化。為提高收發(fā)效率，改良探測(cè)精度，豐富探測(cè)深度，近期推出的儀器多使用偶極天線(xiàn)，并利用多發(fā)多收的天線(xiàn)模式，可同時(shí)提供多種不同的徑向探測(cè)深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥餅、侵入帶到原狀地層的同時(shí)測(cè)量。
　　在對(duì)天線(xiàn)電磁特性的研究及儀器對(duì)不同地層響應(yīng)的分析中，設(shè)備的制造、參數(shù)優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)地層的設(shè)

4、置校準(zhǔn)都是非常耗時(shí)、耗財(cái)?shù)倪^(guò)程，因此理論研究對(duì)儀器的設(shè)計(jì)尤為重要。目前，針對(duì)用于介電測(cè)井的收發(fā)天線(xiàn)優(yōu)化、儀器在復(fù)雜地層響應(yīng)、鉆鋌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等問(wèn)題尚沒(méi)有明確的理論指導(dǎo)，為了節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，通常借助計(jì)算機(jī)技術(shù)降低開(kāi)發(fā)成本并加快設(shè)計(jì)過(guò)程。時(shí)域有限差分(Finite differencetime domain method，F(xiàn)DTD)法是一種目前流行的電磁場(chǎng)數(shù)值仿真手段，適合解決電磁場(chǎng)的散射、傳輸及輻射等各種問(wèn)題，在石油資源勘探、探地雷達(dá)、天線(xiàn)設(shè)

5、計(jì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但由于介電測(cè)井的數(shù)值仿真是一個(gè)電大問(wèn)題，傳統(tǒng)的FDTD方法遇到了計(jì)算量巨大和計(jì)算時(shí)間冗長(zhǎng)等難題，利用圖形處理器加速技術(shù)，可以在一定程度上使這類(lèi)問(wèn)題得到解決。
　　本文在已有的介電測(cè)井儀器基礎(chǔ)上，提出一種利用時(shí)域窄脈沖對(duì)地層地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的寬頻介電測(cè)井方法，并以電磁場(chǎng)理論及電磁場(chǎng)數(shù)值分析為手段，對(duì)寬頻介電測(cè)井應(yīng)用中的電磁場(chǎng)傳播特性等科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的研究。具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　一、利用經(jīng)

6、典電磁波理論及線(xiàn)性系統(tǒng)分析對(duì)寬頻介電測(cè)井儀在單一均勻地層的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行研究，從理論上建立地層流體飽和度與儀器響應(yīng)的聯(lián)系，利用定性正演的方法，驗(yàn)證了儀器的理論可行性，為下一步儀器的設(shè)計(jì)改良提供了理論依據(jù)。
　　二、利用地層介電常數(shù)混合模型及現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)推導(dǎo)出了多種巖石結(jié)構(gòu)在不同流體飽和度情況下的復(fù)介電常數(shù)頻散曲線(xiàn)，為進(jìn)一步的數(shù)值仿真研究提供了豐富的地層電學(xué)參數(shù)。
　　三、綜合鉆鋌結(jié)構(gòu)、井底環(huán)境、工作帶寬等限制條件，選取一種

7、單極天線(xiàn)作為寬頻介電測(cè)井儀的收發(fā)天線(xiàn)，并在不改變天線(xiàn)圓柱外形的前提下，通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)的終端匹配負(fù)載，獲得最佳工作帶寬，并研究了終端負(fù)載對(duì)天線(xiàn)傳輸反射特性的影響。在最佳帶寬基礎(chǔ)上，研究了天線(xiàn)的方向性，進(jìn)一步對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化。
　　四、利用經(jīng)典電磁場(chǎng)模式分析理論結(jié)合電磁場(chǎng)數(shù)值方法，研究了寬頻電磁脈沖經(jīng)過(guò)UWB天線(xiàn)發(fā)射后，電磁能量在地層井眼環(huán)境中的分布情況，分析了不同模式電磁波在地層的傳播特性。本文針對(duì)不同探測(cè)需求對(duì)儀器進(jìn)行改良提供了理論依

8、據(jù)。
　　五、根據(jù)不同探測(cè)深度需求，分別對(duì)寬頻介電測(cè)井儀的鉆鋌結(jié)構(gòu)和天線(xiàn)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，繼而利用電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法，研究了優(yōu)化后的儀器在不同流體飽和度地層的探測(cè)深度變化情況。
　　六、完成了對(duì)真實(shí)非均勻分層地層及泥漿侵入帶的建模工作，繼而用FDTD方法分析了寬頻介電測(cè)井儀在通過(guò)非均勻分層地層時(shí)的響應(yīng)情況，并對(duì)響應(yīng)進(jìn)行了傅里葉分析，進(jìn)一步提出了寬頻介電測(cè)井對(duì)地質(zhì)參數(shù)的反演方法。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容是提出寬頻介電測(cè)井儀

9、，在此基礎(chǔ)上利用相關(guān)的電磁場(chǎng)數(shù)值分析、理論分析方法對(duì)寬頻介電測(cè)井方法進(jìn)行分析和優(yōu)化，其創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:
　　一、提出了一種利用發(fā)射時(shí)域窄脈沖來(lái)探測(cè)地層電學(xué)特性的寬頻介電測(cè)井方法，通過(guò)這種方法可以對(duì)地層的流體飽和度、孔隙度等地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。首先，在均勻地層簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)典電磁學(xué)理論及線(xiàn)性分析理論，將響應(yīng)電壓信號(hào)與已知地層電學(xué)參數(shù)建立聯(lián)系，完成對(duì)寬頻介電測(cè)井方法的正演驗(yàn)證。接下來(lái)，利用電磁學(xué)數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)油基泥

10、漿井眼中寬頻介電測(cè)井儀在層狀非均勻地層的響應(yīng)情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，結(jié)合對(duì)響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域、頻域下的分析，寬頻介電測(cè)井不僅可以對(duì)地層復(fù)介電常數(shù)進(jìn)行測(cè)量，而且可以對(duì)其頻散特性進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)結(jié)合地層的電學(xué)參數(shù)，提出了針對(duì)寬頻介電測(cè)井的反演方法。
　　二、基于地層介電常數(shù)的頻散特性，確定測(cè)量的頻帶范圍，進(jìn)而選用扇形共型單極天線(xiàn)作為測(cè)井儀器的收發(fā)天線(xiàn)。首先研究了改變終端負(fù)載對(duì)單極天線(xiàn)的工作帶寬的影響，根據(jù)發(fā)射脈沖需求，確定了天線(xiàn)的最佳負(fù)載

11、。接下來(lái)完成了對(duì)天線(xiàn)寬頻下輻射方向性的分析，通過(guò)添加瓦狀反射板，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)750MHz到2.5GHz范圍下輻射功率前后比超過(guò)6∶1，使天線(xiàn)具有很好的收發(fā)單向性。然后利用電磁場(chǎng)數(shù)值分析和電磁場(chǎng)模式分析理論，對(duì)天線(xiàn)在鉆鋌、地層模型中的電磁輻射分布進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)，由天線(xiàn)輻射的電磁能量以?xún)煞N形式存在:側(cè)向傳播的球面場(chǎng)和沿金屬鉆鋌傳播的表面場(chǎng)。針對(duì)這兩種能量模式，分別對(duì)天線(xiàn)附近鉆鋌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最后，設(shè)計(jì)了兩種鉆鋌分別促進(jìn)球面場(chǎng)和表面場(chǎng)的激發(fā)，

12、可各自用于淺層泥餅或深層侵入帶的測(cè)量。
　　三、利用電磁場(chǎng)數(shù)值分析手段，研究了寬頻介電測(cè)井儀在油基泥漿井眼中穿過(guò)非均勻地層的響應(yīng)變化。通過(guò)與地層電學(xué)參數(shù)對(duì)照分析，首次提出了針對(duì)寬頻介電測(cè)井的反演方法:利用儀器響應(yīng)時(shí)域下的時(shí)間延遲，可以對(duì)相應(yīng)地層的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部進(jìn)行定量的反演;利用寬頻帶下響應(yīng)信號(hào)的衰減頻譜，不僅可以反演出地層復(fù)介電常數(shù)的虛部，而且可以精確地描述地層介電參數(shù)的頻散特性。因?yàn)轫憫?yīng)信號(hào)隨著地層參數(shù)改變?cè)跁r(shí)域和頻域都伴隨有