發(fā)布時間：2019-05-13 12:14

【摘要】：在油氣資源勘探開發(fā)中,利用導電特性測量電阻率是開展地層含油、含氣、含水或油水同層定性評價的依據(jù),同時也是定量評價儲層含油氣飽和度的重要參數(shù)之一。隨鉆測井具有實時、高效等特點,可以有效降低鉆井液入侵對測量地層電阻率的影響,對準確評價儲層含油情況具有重要意義。為提高采收率和降低成本,水平井、大斜度井和分支井日益增多,而在這些井中,由于井眼周圍的電性參數(shù)不再是軸對稱分布,與垂直井相比,測井響應發(fā)生了較大的變化,基于大斜度井和水平井中電測井響應正反演數(shù)值模擬研究是當前研究的熱點。同時,在石油鉆井中,迫切需要一種能開展實時地質導向及復雜油氣層鉆進的隨鉆測井系統(tǒng),對未鉆地層進行預測,使井眼軌跡保持在期望的儲層內。近年來,在傳統(tǒng)隨鉆電阻率測量技術的基礎上,國外測井巨頭斯倫貝謝、哈里伯頓、貝克休斯等開展了隨鉆方位電磁波電阻率測井技術研究,已研制出相應的儀器并開始投入商業(yè)使用,但國內對其研究尚處在起步階段,如何發(fā)展和擁有具有自主知識產(chǎn)權的未鉆地層預測隨鉆方位電磁波電阻率測井系統(tǒng),是國內迫切需要解決的關鍵科技問題,因此開展隨鉆方位電磁波電阻率測井技術研究對提升國內隨鉆測井技術水平以及打破國外技術封鎖和壟斷都具有重要意義。 在此背景下,基于未來對儀器研制的考慮,本文圍繞隨鉆方位電磁波電阻率測井關鍵技術,以電磁場理論、電測井方法原理和電子信息技術為理論基礎,從測井響應正演數(shù)值模擬和測井響應弱信號檢測角度進行先導研究。對于測井響應正演模擬問題,在對電磁場時域有限差分計算方法和隨鉆電磁波測井原理分析研究的基礎上,采用三維ADI-FDTD方法,在圓柱坐標系中基于Yee氏非均勻交錯網(wǎng)格對Maxwell時域方程進行差分離散,通過地層空間坐標系與儀器空間坐標系的變換,從而可在以儀器軸為z軸的坐標系中表示各向異性傾斜地層空間的電導率張量矩陣,利用面積加權平均求取共形網(wǎng)格中介質有效電導率,基于UPML(單軸各向異性介質完全匹配層)吸收邊界條件,實現(xiàn)儀器在各向異性傾斜地層中測井響應正演模擬；對于測井弱信號檢測問題,在對隨鉆測井噪聲分析的基礎上,利用非線性理論和電子信息技術開展隨鉆電磁測井弱信號檢測方法研究,采用一維非線性振子建立基于Duffing振子的弱信號檢測模型,在對Duffing振子動力學特征分析的基礎上揭示Duffing振子用于弱信號檢測的機理,利用時間尺度變換方法,將Duffing振子應用于隨鉆方位電磁波電阻率幅度衰減比和相位差的測量中,通過電路模擬設計和仿真調試,實現(xiàn)了基于Duffing振子的隨鉆電磁波測井響應信號的檢測。通過正演技術模擬研究,掌握儀器在地層中的測井響應特征,既為測井資料的處理解釋提供理論依據(jù),也為儀器的研制提供設計方法指導；通過測井弱信號的檢測技術方法研究,降低可檢測信號的信噪比,提高儀器的徑向探測深度,增加未鉆地層預測的距離,為儀器的研制提供測井響應信號采集技術支持。 本論文主要研究了電磁場三維時域有限差分計算方法、隨鉆方位電磁波電阻率儀器測井響應數(shù)值模擬算法、隨鉆方位電磁波電阻率測井響應特征正演模擬、Duffing振子的動力學行為與噪聲影響、系統(tǒng)相態(tài)的判別算法和基于Duffing振子的隨鉆電磁波測井弱信號的檢測與實現(xiàn)等內容,其主要研究工作和成果如下： 1.電磁場三維時域有限差分計算方法 電磁場三維時域有限差分計算方法研究以時域Maxwell方程組為理論基礎,基于Yee氏網(wǎng)格在直角坐標系下對Maxwell旋度方程進行差分離散,從差分計算的角度,分別論述差分方程的迭代、數(shù)值穩(wěn)定性與數(shù)值色散、吸收邊界條件、網(wǎng)格剖分、共形網(wǎng)格介質參數(shù)的確定、激勵源的設置以及時諧場振幅和相位的提取等相關問題。在此基礎上,針對常規(guī)FDTD方法的空間離散步長和時間步長需滿足Courant條件的問題,研究了ADI-FDTD方法和ADI-FDTD方法的UPML邊界條件：針對矩形網(wǎng)格剖分帶來“階梯”誤差問題以及基于隨鉆測井中井眼的實際形狀,研究了圓柱形非均勻Yee網(wǎng)格,基于迭代方程中軸線方向上電場出現(xiàn)奇異的問題,研究了在軸線附近采用Maxwell方程的積分形式進行特殊處理的方法。通過對電磁場三維時域有限差分計算方法的研究,推導給出了直角坐標系和圓柱坐標系下時域推進迭代方程；結合隱式差分特點,將UPML吸收邊界條件推廣到ADI-FDTD方法中,推導給出了三維ADI-FDTD方法中實現(xiàn)UPML吸收邊界條件的計算公式。 2.隨鉆方位電磁波電阻率儀器測井響應數(shù)值模擬算法 在圓柱坐標系下,以時域Maxwell旋度方程為基礎,利用Yee氏交錯網(wǎng)格對各向異性地層時域Maxwell旋度方程進行差分離散,從而得到每個交錯節(jié)點上電磁場的時域遞推方程；基于傾斜地層,通過旋轉矩陣,先將地層空間直角坐標系變換成儀器空間直角坐標系,再將儀器空間直角坐標系變換成儀器空間圓柱坐標系,通過2次坐標旋轉變換,求出圓柱坐標空間中各向異性傾斜地層電導率矩陣張量；基于隨鉆測井中儀器偏心導致在井眼和地層的交界面處出現(xiàn)部分填充網(wǎng)格,其與圓柱坐標網(wǎng)格不共形問題,采用面積加權平均準靜態(tài)近似技術計算其等效電導率張量,從而提高模擬的精度；基于計算機內存有限導致FDTD的計算必須在有限區(qū)域開展的問題,利用UPML吸收邊界條件降低外邊界反射,實現(xiàn)有限網(wǎng)格空間的截斷,提高模擬的效率；基于簡單的均勻地層模型和數(shù)值模式匹配算法(NMM),對本文提出的算法進行驗證,結果表明算法正確。通過對隨鉆方位電磁波電阻率儀器測井響應數(shù)值模擬算法的研究,建立了一套基于坐標系變換和面積加權近似表示共形網(wǎng)格有效介質電導率矩陣張量的表示方法,此方法可推廣適用于其他隨鉆電法測井儀器在各向異性傾斜地層中測井響應模擬研究。 3.隨鉆方位電磁波電阻率測井響應特征正演模擬 在電磁場三維時域有限差分計算方法和隨鉆方位電磁波電阻率儀器測井響應數(shù)值模擬算法的基礎上,開展隨鉆方位電磁波電阻率測井儀器在復雜條件下測井響應特征研究。通過對不同地層模型的測井響應數(shù)值模擬,表明：1)在各向異性地層中,測量視電阻率是水平電導率和垂直電導率的綜合反映；2)隨著傾角的增大,地層的視厚度也增寬,當傾斜角度較大時,相位差和幅度比曲線在地層的邊界處出現(xiàn)牛角效應,而且傾斜角度越大,牛角效應越明顯；3)當泥漿的電導率和周圍地層的電導率相差較小時,儀器偏心對測井響應的影響較小,但當泥漿的電導率和周圍地層的電導率相差較大時,儀器偏心對測井響應的影響明顯,且隨著偏心距的增大,幅度衰減比也增大；4)在傾斜角度相同時,隨著儀器偏心距的增大,在地層邊界處牛角效應越明顯；5)對于線圈系面垂直于鉆鋌的隨鉆電磁波電阻率儀器,以大的傾斜角度穿越地層邊界時,測井響應曲線在上下邊界處均出現(xiàn)角峰,且角峰的形狀相似寬度也窄,利用此角峰可以指示地層邊界的存在；對于線圈系面傾斜于鉆鋌的隨鉆電磁波電阻率儀器,以大的傾斜角度穿越地層邊界時,測井響應曲線在地層邊界處出現(xiàn)的角峰不對稱,且角峰寬而深,利用此角峰不僅可以指示地層邊界的存在,而且還可以提前指示未鉆地層是高阻地層還是低阻地層,可用于實時的地質導向,使鉆頭保持在高阻含油層中鉆進。通過對測井響應特征正演模擬研究,比較深入的認識了隨鉆方位電磁波電阻率測井儀器在復雜條什下的測井響應特征,為將來反演計算、儀器的自主研制和測井資料的解釋提供了理論依據(jù)。 4.Duffing振子的動力學行為與噪聲影響 研究了Duffing振子動力學行為與噪聲影響。基于一維非線性振子的模型建立Duffing振子的一般檢測模型,在此基礎上研究周期策動力和噪聲對Duffing振子運動的影響規(guī)律,通過理論推導和仿真分析,表明：1)隨著周期策動力的增加,Duffing振子的相軌跡會依次按照同宿軌道狀態(tài)、分岔狀態(tài)、混沌狀態(tài)、外軌道大周期運動狀態(tài)演變,非線性動力特性十分明顯；2)Duffing振子對于任意分布的平穩(wěn)隨機噪聲都具有良好的免疫性能,對初值具有敏感性,輸入信號的幅度越小,系統(tǒng)對信號越敏感,系統(tǒng)的抗噪性能越好,信噪比越低；3)噪聲對Duffing振子運動狀態(tài)的影響與噪聲的強度有關,噪聲的存在和強弱會影響系統(tǒng)檢測的性能。通過Duffing振子動力學行為與噪聲影響的研究,為基于Duffing振子的弱信號檢測提供了依據(jù),揭示了基于Duffing振子的弱信號檢測系統(tǒng)有最低的檢測門限。 5.系統(tǒng)相態(tài)自動判別算法 研究了系統(tǒng)相態(tài)判別方法。在常規(guī)系統(tǒng)相態(tài)判別方法研究的基礎上,從工程實現(xiàn)的角度,針對測量儀器識別系統(tǒng)相態(tài)問題,研究系統(tǒng)相態(tài)自動判別算法,提出了功率譜能量因子和相圖圖像區(qū)域穿越兩種相態(tài)自動判別方法。在功率譜計算的基礎上,以主頻譜分量為中心,基于一段頻率窗內的譜分量,用功率譜能量因子來定量描述運動系統(tǒng)的能量特征。在相圖中設置一個區(qū)域,將相圖劃分為區(qū)域外和區(qū)域內兩個部分,進而判斷相軌跡曲線是否穿越到區(qū)域內以及穿越過的次數(shù),通過計算穿越次數(shù)判別系統(tǒng)的相態(tài)。兩種方法計算量小,實時性好,可以移植到硬件中實現(xiàn),模擬仿真表明方法有效。通過對系統(tǒng)相態(tài)自動判別算法的研究,為Duffing振子實際應用于弱信號的檢測提供了有效的判別手段。 6.基于Duffing振子的隨鉆方位電磁波電阻率測井信號檢測電路設計 研究了隨鉆方位電磁波電阻率測井弱信號Duffing檢測硬件電路。在對基于Duffing振子進行弱信號檢測的基礎上分析了待測信號與策動力信號之間存在相位差和頻率差時對測量結果的影響,通過時間尺度變換方法,將Duffing振子擴展到頻率為2MHz的信號檢測,在此基礎上研究基于Duffing振子測量隨鉆方位電磁波電阻率儀器響應中幅度衰減比和相位差的基本原理,設計了檢測系統(tǒng)的硬件電路整體框圖,并用具體的硬件電路實現(xiàn)了Duffing振子模型,通過模擬輸入熱噪聲,電路仿真表明設計的Duffing電路可對頻率為2MHz的信號進行檢測,電路對參數(shù)非常敏感,同時對噪聲有一定的免疫力,隨著檢測臨界閾值精度的提高,信噪比降低。通過此內容的研究,利用具體的電路實現(xiàn)Duffing振子模型,為基于Duffing電路的隨鉆電磁弱信號檢測提供了技術支持。 本論文全文共分5章。第一章為緒論,闡述了研究的目的與意義、研究的現(xiàn)狀以及研究內容、研究方法和創(chuàng)新點：第二章為電磁場的時域有限差分計算方法,論述了直角坐標系和圓柱坐標系中三維電磁波時域有限差分計算問題,為隨鉆方位電磁波電阻率測井響應模擬提供支持：第三章為隨鉆方位電磁波電阻率測井響應數(shù)值模擬,論述了其測井的基本原理和正演模擬算法,模擬不同模型的測井響應并開展未鉆地層預測研究；第四章為隨鉆測井弱信號檢測方法與設計,論述了基于Duffing振子的測井弱信號檢測方法技術和Duffing電路的設計：第五章為總結與建議,對全文進行總結以及提出今后研究的建議。
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【學位授予單位】：中國地質大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：P618.13;P631.811

【參考文獻】

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本文編號：2475863