寬頻介電測井方法的設(shè)計與優(yōu)化.pdf

1、21世紀(jì)以來，石油技術(shù)人員不斷開發(fā)新的能夠探測油田地層特性的儀器，其中利用電磁波測量巖石和流體性質(zhì)的介電測井就是一種新的技術(shù)。介電測井可以對含淡水、礦化水或礦化度未知的儲層的孔隙度進行測量，根據(jù)含水孔隙度，可得出與電阻率無關(guān)的流體飽和度。測井分析人員可將介電測量結(jié)果與深探測儀器獲得的數(shù)據(jù)相結(jié)合，用于識別含有可動油氣的地層，這對于稠油油藏是極為重要的信息。
　　對于地層這種復(fù)雜的多孔介質(zhì)，通過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)外電場頻率改變時，受多孔介質(zhì)內(nèi)各種導(dǎo)電機理的影響，介電常數(shù)也隨之改變。所以，為了可以對地層的頻散特性有更全面的評估，自介電測井方法問世以來，儀器研發(fā)人員從未停止對介電測井的工作頻率進行拓展，從最早EPT的單點頻，到最近推出的Dielectric Scanner分布于2MHz到1GHz的四點頻率。這使得儀器除了提供介電信息外，還能提供一項新參數(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發(fā)射接收裝置的設(shè)計也開展了大量的工作，早期設(shè)備多使用縫隙天線，采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量總是受井眼粗糙程度影響，而且測量精度也難以量化。為提高收發(fā)效率，改良探測精度，豐富探測深度，近期推出的儀器多使用偶極天線，并利用多發(fā)多收的天線模式，可同時提供多種不同的徑向探測深度，實現(xiàn)對泥餅、侵入帶到原狀地層的同時測量。
　　在對天線電磁特性的研究及儀器對不同地層響應(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、耗財?shù)倪^程，因此理論研究對儀器的設(shè)計尤為重要。目前，針對用于介電測井的收發(fā)天線優(yōu)化、儀器在復(fù)雜地層響應(yīng)、鉆鋌結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等問題尚沒有明確的理論指導(dǎo)，為了節(jié)約實驗成本，通常借助計算機技術(shù)降低開發(fā)成本并加快設(shè)計過程。時域有限差分(Finite differencetime domain method，F(xiàn)DTD)法是一種目前流行的電磁場數(shù)值仿真手段，適合解決電磁場的散射、傳輸及輻射等各種問題，在石油資源勘探、探地雷達、天線設(shè)

5、計等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但由于介電測井的數(shù)值仿真是一個電大問題，傳統(tǒng)的FDTD方法遇到了計算量巨大和計算時間冗長等難題，利用圖形處理器加速技術(shù)，可以在一定程度上使這類問題得到解決。
　　本文在已有的介電測井儀器基礎(chǔ)上，提出一種利用時域窄脈沖對地層地質(zhì)參數(shù)進行測量的寬頻介電測井方法，并以電磁場理論及電磁場數(shù)值分析為手段，對寬頻介電測井應(yīng)用中的電磁場傳播特性等科學(xué)問題進行了詳細的研究。具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　一、利用經(jīng)

6、典電磁波理論及線性系統(tǒng)分析對寬頻介電測井儀在單一均勻地層的簡化模型進行研究，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，驗證了儀器的理論可行性，為下一步儀器的設(shè)計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)有的實驗室數(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，為進一步的數(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、單極天線作為寬頻介電測井儀的收發(fā)天線，并在不改變天線圓柱外形的前提下，通過調(diào)整天線的終端匹配負(fù)載，獲得最佳工作帶寬，并研究了終端負(fù)載對天線傳輸反射特性的影響。在最佳帶寬基礎(chǔ)上，研究了天線的方向性，進一步對天線進行優(yōu)化。
　　四、利用經(jīng)典電磁場模式分析理論結(jié)合電磁場數(shù)值方法，研究了寬頻電磁脈沖經(jīng)過UWB天線發(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。本文針對不同探測需求對儀器進行改良提供了理論依

8、據(jù)。
　　五、根據(jù)不同探測深度需求，分別對寬頻介電測井儀的鉆鋌結(jié)構(gòu)和天線參數(shù)進行了優(yōu)化，繼而利用電磁場數(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深度變化情況。
　　六、完成了對真實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井儀在通過非均勻分層地層時的響應(yīng)情況，并對響應(yīng)進行了傅里葉分析，進一步提出了寬頻介電測井對地質(zhì)參數(shù)的反演方法。
　　本文的主要研究內(nèi)容是提出寬頻介電測井儀

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

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

11、。接下來完成了對天線寬頻下輻射方向性的分析，通過添加瓦狀反射板，實現(xiàn)天線750MHz到2.5GHz范圍下輻射功率前后比超過6∶1，使天線具有很好的收發(fā)單向性。然后利用電磁場數(shù)值分析和電磁場模式分析理論，對天線在鉆鋌、地層模型中的電磁輻射分布進行研究，研究發(fā)現(xiàn)，由天線輻射的電磁能量以兩種形式存在:側(cè)向傳播的球面場和沿金屬鉆鋌傳播的表面場。針對這兩種能量模式，分別對天線附近鉆鋌結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，最后，設(shè)計了兩種鉆鋌分別促進球面場和表面場的激發(fā)，

12、可各自用于淺層泥餅或深層侵入帶的測量。
　　三、利用電磁場數(shù)值分析手段，研究了寬頻介電測井儀在油基泥漿井眼中穿過非均勻地層的響應(yīng)變化。通過與地層電學(xué)參數(shù)對照分析，首次提出了針對寬頻介電測井的反演方法:利用儀器響應(yīng)時域下的時間延遲，可以對相應(yīng)地層的復(fù)介電常數(shù)實部進行定量的反演;利用寬頻帶下響應(yīng)信號的衰減頻譜，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。因為響應(yīng)信號隨著地層參數(shù)改變在時域和頻域都伴隨有