瞬态脉冲雷达成像测井及实验研究

摘要

我国油气资源勘探区域逐渐由浅层走向深层，而且勘探区域逐渐扩大、勘探深度越来越深和勘探难度越来越大。由于常规测井仪器存在径向探测距离短，勘探效率低下，对于储层非均质性强、微裂缝发育区域、低孔-低渗-致密性储层的识别将面临着很大困难。而瞬态脉冲雷达成像测井技术具有径向探测距离远、分辨率相对较高，且能够对井周地层结构进行成像的优势，能够弥补常规测井技术的不足，因此，成为世界各国竞相研究的重点。为了解决我国复杂油气藏勘探开发的技术难题，本文以研制我国首套用于油气资源勘探的瞬态脉冲雷达成像测井系统为目标，为此重点开展瞬态脉冲雷达成像测井及实验研究工作。
　　瞬态脉冲雷达成像测井技术是一种新型的地球物理勘探方法，它是基于钻孔雷达技术的深化和发展。瞬态脉冲雷达成像测井系统通过向地层中辐射瞬态脉冲，利用瞬态脉冲的传输特性来获取地层信息。井周地层电学参数的差异是实现瞬态脉冲雷达成像测井的前提，根据瞬态脉冲在地层中的传播特性分析，提出了瞬态脉冲雷达成像测井系统适用的地层条件为ζ/ωε<<1。瞬态脉冲雷达成像测井系统有跨孔-层析成像和单孔-反射成像两种工作模式。前者主要用于评估两井眼之间地层的电学参数；后者主要用于探测井周异常目标体，并通过定向天线获取目标体的方位信息。单孔-反射成像能够提供更多的地层信息、而且经济高效，也是实际勘探作业中的主流工作方式。根据油田作业井的环境条件，分析国外钻孔雷达定向方式的缺陷，本文提出了瞬态脉冲雷达成像测井系统的新型定位方式：采用离散电阻加载的偶极子作为全向发射天线，沿轴线方向排列的多个定向天线组成接收阵列，在不旋转接收天线的情况下实现对井周目标体的定位。同时，开展了适用于油气资源勘探的瞬态脉冲雷达成像测井样机系统的关键技术研究。
　　为了验证瞬态脉冲雷达成像测井系统的工作性能，将瞬态脉冲雷达成像测井样机系统和MALA钻孔雷达在模拟井中进行实验测试，并将两者的实验结果进行对比分析。同时，利用计算电磁场的时域有限差分（finite-difference time-domain, FDTD）方法开展相关的数值模拟计算。最终，通过物理实验与数值模拟相结合的方法开展瞬态脉冲在井周复杂环境介质中的传输特性研究。
　　瞬态脉冲雷达成像测井样机系统 I采用离散电阻加载的偶极子天线作为全向发射天线和全向接收天线，在石灰岩地层的模拟井 I中开展单孔-反射成像实验研究。物理实验和数值模拟结果表明：岩层中的裂缝会改变瞬态脉冲的传输路径，不利于有用回波信号的提取；该样机系统I在裂缝地层中能够探测到距离井眼10m远的目标体；在通讯电缆末端加入模拟5000m电缆模块的条件下，数据通讯状态良好，表明样机系统I具备了油气资源勘探的基本功能。瞬态脉冲雷达成像测井样机系统 II采用全向天线发射和四个铁氧体复合定向天线组成接收阵列；并在砂岩地层中的模拟井II中开展单孔-反射成像和跨孔-层析成像实验研究。物理实验和数值模拟结果表明：在高损耗的砂岩地层中，瞬态脉冲的衰减非常严重，不利于瞬态脉冲的传输；工作地层电导率的大小，严重制约了瞬态脉冲雷达成像测井系统的径向探测距离。
　　瞬态脉冲雷达成像测井样机系统 III采用全向天线发射和两个单极子定向天线组成接收阵列；并与常规测井仪器组合在一起，在深度为1596m、充满泥浆的油田作业井进行了测井实验。提出了通过能量曲线获取地层信息的方法，对瞬态脉冲雷达成像测井样机系统 III获得的雷达数据进行处理，所获取的能量曲线与常规电阻率曲线比较吻合。由于该样机系统的径向探测距离比较远，因而能量曲线更能反映井周原状地层的信息；所获取的典型角度雷达图像剖面图，表明瞬态脉冲雷达成像测井样机系统 III且具有一定的定向性。瞬态脉冲雷达成像测井样机系统III与常规测井仪器的实验结果具有较高程度的一致性，而且样机系统在高温、高压、充满泥浆的井眼中，工作性能良好。因此，瞬态脉冲雷达成像测井系统可以为储层评价提供一种新的手段。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 瞬态脉冲雷达成像测井技术

1.3 瞬态脉冲雷达成像测井的理论研究进展

1.4 本文的主要贡献与创新

1.5 本论文的结构安排

第二章 瞬态脉冲在井周复杂环境介质中的传输特性研究

2.1 基本的电磁关系

2.2 复介电常数和复电导率

2.3 损耗介质中平面波的传输特性

2.4 岩层分界面和裂缝的反射系数

2.5 瞬态脉冲在井周复杂环境媒质中传输特性的研究方法

2.6 本章小结

第三章 瞬态脉冲雷达成像测井的基本原理与关键技术

3.1 瞬态脉冲雷达成像测井的基本原理

3.2 瞬态脉冲雷达成像测井的工作方式

3.3 瞬态脉冲雷达成像测井的定向方式

3.4 瞬态脉冲雷达成像测井系统概述

3.5 本章小结

第四章 瞬态脉冲雷达成像测井系统在模拟井中的实验研究

4.1 实验场地

4.2 实验系统

4.3 模拟井I中的实验研究

4.4 模拟井II中的实验研究

4.5 本章小结

第五章 瞬态脉冲雷达成像测井系统在油田作业井中的实验研究

5.1油田作业井中的数值模拟

5.2 油田作业井实验场地概述

5.3 实验系统

5.4 测井实验

5.5 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果