本文關(guān)鍵詞：瞬態(tài)脈沖雷達成像測井及實驗研究

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【摘要】：我國油氣資源勘探區(qū)域逐漸由淺層走向深層,而且勘探區(qū)域逐漸擴大、勘探深度越來越深和勘探難度越來越大。由于常規(guī)測井儀器存在徑向探測距離短,勘探效率低下,對于儲層非均質(zhì)性強、微裂縫發(fā)育區(qū)域、低孔-低滲-致密性儲層的識別將面臨著很大困難。而瞬態(tài)脈沖雷達成像測井技術(shù)具有徑向探測距離遠、分辨率相對較高,且能夠?qū)艿貙咏Y(jié)構(gòu)進行成像的優(yōu)勢,能夠彌補常規(guī)測井技術(shù)的不足,因此,成為世界各國競相研究的重點。為了解決我國復(fù)雜油氣藏勘探開發(fā)的技術(shù)難題,本文以研制我國首套用于油氣資源勘探的瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)為目標,為此重點開展瞬態(tài)脈沖雷達成像測井及實驗研究工作。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井技術(shù)是一種新型的地球物理勘探方法,它是基于鉆孔雷達技術(shù)的深化和發(fā)展。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)通過向地層中輻射瞬態(tài)脈沖,利用瞬態(tài)脈沖的傳輸特性來獲取地層信息。井周地層電學參數(shù)的差異是實現(xiàn)瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的前提,根據(jù)瞬態(tài)脈沖在地層中的傳播特性分析,提出了瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)適用的地層條件為ζ/ωε1。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)有跨孔-層析成像和單孔-反射成像兩種工作模式。前者主要用于評估兩井眼之間地層的電學參數(shù);后者主要用于探測井周異常目標體,并通過定向天線獲取目標體的方位信息。單孔-反射成像能夠提供更多的地層信息、而且經(jīng)濟高效,也是實際勘探作業(yè)中的主流工作方式。根據(jù)油田作業(yè)井的環(huán)境條件,分析國外鉆孔雷達定向方式的缺陷,本文提出了瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)的新型定位方式:采用離散電阻加載的偶極子作為全向發(fā)射天線,沿軸線方向排列的多個定向天線組成接收陣列,在不旋轉(zhuǎn)接收天線的情況下實現(xiàn)對井周目標體的定位。同時,開展了適用于油氣資源勘探的瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。為了驗證瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)的工作性能,將瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)和MALA鉆孔雷達在模擬井中進行實驗測試,并將兩者的實驗結(jié)果進行對比分析。同時,利用計算電磁場的時域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法開展相關(guān)的數(shù)值模擬計算。最終,通過物理實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展瞬態(tài)脈沖在井周復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中的傳輸特性研究。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)I采用離散電阻加載的偶極子天線作為全向發(fā)射天線和全向接收天線,在石灰?guī)r地層的模擬井I中開展單孔-反射成像實驗研究。物理實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明:巖層中的裂縫會改變瞬態(tài)脈沖的傳輸路徑,不利于有用回波信號的提取;該樣機系統(tǒng)I在裂縫地層中能夠探測到距離井眼10m遠的目標體;在通訊電纜末端加入模擬5000m電纜模塊的條件下,數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)良好,表明樣機系統(tǒng)I具備了油氣資源勘探的基本功能。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)II采用全向天線發(fā)射和四個鐵氧體復(fù)合定向天線組成接收陣列;并在砂巖地層中的模擬井II中開展單孔-反射成像和跨孔-層析成像實驗研究。物理實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明:在高損耗的砂巖地層中,瞬態(tài)脈沖的衰減非常嚴重,不利于瞬態(tài)脈沖的傳輸;工作地層電導(dǎo)率的大小,嚴重制約了瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)的徑向探測距離。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)III采用全向天線發(fā)射和兩個單極子定向天線組成接收陣列;并與常規(guī)測井儀器組合在一起,在深度為1596m、充滿泥漿的油田作業(yè)井進行了測井實驗。提出了通過能量曲線獲取地層信息的方法,對瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)III獲得的雷達數(shù)據(jù)進行處理,所獲取的能量曲線與常規(guī)電阻率曲線比較吻合。由于該樣機系統(tǒng)的徑向探測距離比較遠,因而能量曲線更能反映井周原狀地層的信息;所獲取的典型角度雷達圖像剖面圖,表明瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)III且具有一定的定向性。瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)III與常規(guī)測井儀器的實驗結(jié)果具有較高程度的一致性,而且樣機系統(tǒng)在高溫、高壓、充滿泥漿的井眼中,工作性能良好。因此,瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)可以為儲層評價提供一種新的手段。
【關(guān)鍵詞】：瞬態(tài)脈沖雷達成像測井 鉆孔雷達 時域有限差分方法 單孔-反射成像 能量曲線
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P631.81
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-25
• 1.1 研究工作的背景與意義13-15
• 1.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井技術(shù)15-20
• 1.2.1 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的發(fā)展歷史16-17
• 1.2.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的理論研究進展20-22
• 1.4 本文的主要貢獻與創(chuàng)新22-24
• 1.5 本論文的結(jié)構(gòu)安排24-25
• 第二章 瞬態(tài)脈沖在井周復(fù)雜環(huán)境介質(zhì)中的傳輸特性研究25-48
• 2.1 基本的電磁關(guān)系25-26
• 2.2 復(fù)介電常數(shù)和復(fù)電導(dǎo)率26-29
• 2.3 損耗介質(zhì)中平面波的傳輸特性29-31
• 2.4 巖層分界面和裂縫的反射系數(shù)31-38
• 2.5 瞬態(tài)脈沖在井周復(fù)雜環(huán)境媒質(zhì)中傳輸特性的研究方法38-47
• 2.5.1 存在問題和解決方法39
• 2.5.2 FDTD算法的基本原理39-44
• 2.5.3 FDTD算法的穩(wěn)定性44
• 2.5.4 FDTD算法的數(shù)值色散特性44-45
• 2.5.5 FDTD算法的吸收邊界條件45-46
• 2.5.6 初值條件和激勵函數(shù)46-47
• 2.6 本章小結(jié)47-48
• 第三章 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)48-71
• 3.1 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的基本原理48-60
• 3.1.1 雷達波方程48-50
• 3.1.2 雙程走時50
• 3.1.3 雷達分辨率50-60
• 3.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的工作方式60-62
• 3.2.1 跨孔-層析成像模式60-61
• 3.2.2 單孔-反射成像模式61-62
• 3.3 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的定向方式62-69
• 3.3.1 定向鉆孔雷達的定向方式63-67
• 3.3.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井的定向方式67-69
• 3.4 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)概述69-70
• 3.5 本章小結(jié)70-71
• 第四章 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)在模擬井中的實驗研究71-114
• 4.1 實驗場地71-76
• 4.1.1 模擬井I實驗場地概述71-73
• 4.1.2 模擬井Ⅱ?qū)嶒瀳龅馗攀?/span>73-76
• 4.2 實驗系統(tǒng)76-83
• 4.2.1 MALA鉆孔雷達系統(tǒng)76-77
• 4.2.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)I77-79
• 4.2.3 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)Ⅱ79-83
• 4.3 模擬井I中的實驗研究83-102
• 4.3.1 時間延遲標定實驗83-85
• 4.3.2 透射實驗85-88
• 4.3.3 MALA鉆孔雷達系統(tǒng)的崖壁成像實驗88-89
• 4.3.4 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)I的崖壁成像實驗89-92
• 4.3.5 模擬井I中物理實驗的數(shù)值模擬92-98
• 4.3.6 模擬井I中的物理實驗與數(shù)值模擬的結(jié)果分析98-102
• 4.4 模擬井Ⅱ中的實驗研究102-113
• 4.4.1 MALA鉆孔雷達系統(tǒng)的崖壁成像實驗102-104
• 4.4.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)Ⅱ的崖壁成像實驗104-106
• 4.4.3 模擬井Ⅱ中物理實驗的數(shù)值模擬106-111
• 4.4.4 模擬井Ⅱ中的物理實驗與數(shù)值模擬結(jié)果分析111-113
• 4.5 本章小結(jié)113-114
• 第五章 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井系統(tǒng)在油田作業(yè)井中的實驗研究114-140
• 5.1 油田作業(yè)井中的數(shù)值模擬114-125
• 5.1.1 井周點狀目標體的數(shù)值模擬114-116
• 5.1.2 井周線狀目標體的數(shù)值模擬116-119
• 5.1.3 井周面狀目標體的數(shù)值模擬119-125
• 5.2 油田作業(yè)井實驗場地概述125-126
• 5.3 實驗系統(tǒng)126-132
• 5.3.1 單極子定向天線126-129
• 5.3.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)Ⅲ129-131
• 5.3.3 油田常規(guī)測井儀器131-132
• 5.4 測井實驗132-139
• 5.4.1 雷達成像和能量曲線133-137
• 5.4.2 瞬態(tài)脈沖雷達成像測井樣機系統(tǒng)Ⅲ的定向性137-139
• 5.5 本章小結(jié)139-140
• 第六章 全文總結(jié)與展望140-144
• 6.1 全文總結(jié)140-143
• 6.2 后續(xù)工作展望143-144
• 致謝144-145
• 參考文獻145-158
• 攻博期間取得的研究成果158-160

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本文編號：758622