發(fā)布時(shí)間：2019-05-13 12:14

【摘要】：在油氣資源勘探開發(fā)中,利用導(dǎo)電特性測(cè)量電阻率是開展地層含油、含氣、含水或油水同層定性評(píng)價(jià)的依據(jù),同時(shí)也是定量評(píng)價(jià)儲(chǔ)層含油氣飽和度的重要參數(shù)之一。隨鉆測(cè)井具有實(shí)時(shí)、高效等特點(diǎn),可以有效降低鉆井液入侵對(duì)測(cè)量地層電阻率的影響,對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)儲(chǔ)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(duì)稱分布,與垂直井相比,測(cè)井響應(yīng)發(fā)生了較大的變化,基于大斜度井和水平井中電測(cè)井響應(yīng)正反演數(shù)值模擬研究是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。同時(shí),在石油鉆井中,迫切需要一種能開展實(shí)時(shí)地質(zhì)導(dǎo)向及復(fù)雜油氣層鉆進(jìn)的隨鉆測(cè)井系統(tǒng),對(duì)未鉆地層進(jìn)行預(yù)測(cè),使井眼軌跡保持在期望的儲(chǔ)層內(nèi)。近年來(lái),在傳統(tǒng)隨鉆電阻率測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上,國(guó)外測(cè)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(cè)井技術(shù)研究,已研制出相應(yīng)的儀器并開始投入商業(yè)使用,但國(guó)內(nèi)對(duì)其研究尚處在起步階段,如何發(fā)展和擁有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的未鉆地層預(yù)測(cè)隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井系統(tǒng),是國(guó)內(nèi)迫切需要解決的關(guān)鍵科技問(wèn)題,因此開展隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井技術(shù)研究對(duì)提升國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井技術(shù)水平以及打破國(guó)外技術(shù)封鎖和壟斷都具有重要意義。 在此背景下,基于未來(lái)對(duì)儀器研制的考慮,本文圍繞隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井關(guān)鍵技術(shù),以電磁場(chǎng)理論、電測(cè)井方法原理和電子信息技術(shù)為理論基礎(chǔ),從測(cè)井響應(yīng)正演數(shù)值模擬和測(cè)井響應(yīng)弱信號(hào)檢測(cè)角度進(jìn)行先導(dǎo)研究。對(duì)于測(cè)井響應(yīng)正演模擬問(wèn)題,在對(duì)電磁場(chǎng)時(shí)域有限差分計(jì)算方法和隨鉆電磁波測(cè)井原理分析研究的基礎(chǔ)上,采用三維ADI-FDTD方法,在圓柱坐標(biāo)系中基于Yee氏非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格對(duì)Maxwell時(shí)域方程進(jìn)行差分離散,通過(guò)地層空間坐標(biāo)系與儀器空間坐標(biāo)系的變換,從而可在以儀器軸為z軸的坐標(biāo)系中表示各向異性傾斜地層空間的電導(dǎo)率張量矩陣,利用面積加權(quán)平均求取共形網(wǎng)格中介質(zhì)有效電導(dǎo)率,基于UPML(單軸各向異性介質(zhì)完全匹配層)吸收邊界條件,實(shí)現(xiàn)儀器在各向異性傾斜地層中測(cè)井響應(yīng)正演模擬；對(duì)于測(cè)井弱信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題,在對(duì)隨鉆測(cè)井噪聲分析的基礎(chǔ)上,利用非線性理論和電子信息技術(shù)開展隨鉆電磁測(cè)井弱信號(hào)檢測(cè)方法研究,采用一維非線性振子建立基于Duffing振子的弱信號(hào)檢測(cè)模型,在對(duì)Duffing振子動(dòng)力學(xué)特征分析的基礎(chǔ)上揭示Duffing振子用于弱信號(hào)檢測(cè)的機(jī)理,利用時(shí)間尺度變換方法,將Duffing振子應(yīng)用于隨鉆方位電磁波電阻率幅度衰減比和相位差的測(cè)量中,通過(guò)電路模擬設(shè)計(jì)和仿真調(diào)試,實(shí)現(xiàn)了基于Duffing振子的隨鉆電磁波測(cè)井響應(yīng)信號(hào)的檢測(cè)。通過(guò)正演技術(shù)模擬研究,掌握儀器在地層中的測(cè)井響應(yīng)特征,既為測(cè)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(shè)計(jì)方法指導(dǎo)；通過(guò)測(cè)井弱信號(hào)的檢測(cè)技術(shù)方法研究,降低可檢測(cè)信號(hào)的信噪比,提高儀器的徑向探測(cè)深度,增加未鉆地層預(yù)測(cè)的距離,為儀器的研制提供測(cè)井響應(yīng)信號(hào)采集技術(shù)支持。 本論文主要研究了電磁場(chǎng)三維時(shí)域有限差分計(jì)算方法、隨鉆方位電磁波電阻率儀器測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬算法、隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井響應(yīng)特征正演模擬、Duffing振子的動(dòng)力學(xué)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(cè)井弱信號(hào)的檢測(cè)與實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容,其主要研究工作和成果如下： 1.電磁場(chǎng)三維時(shí)域有限差分計(jì)算方法 電磁場(chǎng)三維時(shí)域有限差分計(jì)算方法研究以時(shí)域Maxwell方程組為理論基礎(chǔ),基于Yee氏網(wǎng)格在直角坐標(biāo)系下對(duì)Maxwell旋度方程進(jìn)行差分離散,從差分計(jì)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(zhì)參數(shù)的確定、激勵(lì)源的設(shè)置以及時(shí)諧場(chǎng)振幅和相位的提取等相關(guān)問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)常規(guī)FDTD方法的空間離散步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)需滿足Courant條件的問(wèn)題,研究了ADI-FDTD方法和ADI-FDTD方法的UPML邊界條件：針對(duì)矩形網(wǎng)格剖分帶來(lái)“階梯”誤差問(wèn)題以及基于隨鉆測(cè)井中井眼的實(shí)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(chǎng)出現(xiàn)奇異的問(wèn)題,研究了在軸線附近采用Maxwell方程的積分形式進(jìn)行特殊處理的方法。通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)三維時(shí)域有限差分計(jì)算方法的研究,推導(dǎo)給出了直角坐標(biāo)系和圓柱坐標(biāo)系下時(shí)域推進(jìn)迭代方程；結(jié)合隱式差分特點(diǎn),將UPML吸收邊界條件推廣到ADI-FDTD方法中,推導(dǎo)給出了三維ADI-FDTD方法中實(shí)現(xiàn)UPML吸收邊界條件的計(jì)算公式。 2.隨鉆方位電磁波電阻率儀器測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬算法 在圓柱坐標(biāo)系下,以時(shí)域Maxwell旋度方程為基礎(chǔ),利用Yee氏交錯(cuò)網(wǎng)格對(duì)各向異性地層時(shí)域Maxwell旋度方程進(jìn)行差分離散,從而得到每個(gè)交錯(cuò)節(jié)點(diǎn)上電磁場(chǎng)的時(shí)域遞推方程；基于傾斜地層,通過(guò)旋轉(zhuǎn)矩陣,先將地層空間直角坐標(biāo)系變換成儀器空間直角坐標(biāo)系,再將儀器空間直角坐標(biāo)系變換成儀器空間圓柱坐標(biāo)系,通過(guò)2次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換,求出圓柱坐標(biāo)空間中各向異性傾斜地層電導(dǎo)率矩陣張量；基于隨鉆測(cè)井中儀器偏心導(dǎo)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(biāo)網(wǎng)格不共形問(wèn)題,采用面積加權(quán)平均準(zhǔn)靜態(tài)近似技術(shù)計(jì)算其等效電導(dǎo)率張量,從而提高模擬的精度；基于計(jì)算機(jī)內(nèi)存有限導(dǎo)致FDTD的計(jì)算必須在有限區(qū)域開展的問(wèn)題,利用UPML吸收邊界條件降低外邊界反射,實(shí)現(xiàn)有限網(wǎng)格空間的截?cái)?提高模擬的效率；基于簡(jiǎn)單的均勻地層模型和數(shù)值模式匹配算法(NMM),對(duì)本文提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明算法正確。通過(guò)對(duì)隨鉆方位電磁波電阻率儀器測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬算法的研究,建立了一套基于坐標(biāo)系變換和面積加權(quán)近似表示共形網(wǎng)格有效介質(zhì)電導(dǎo)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(cè)井儀器在各向異性傾斜地層中測(cè)井響應(yīng)模擬研究。 3.隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井響應(yīng)特征正演模擬 在電磁場(chǎng)三維時(shí)域有限差分計(jì)算方法和隨鉆方位電磁波電阻率儀器測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬算法的基礎(chǔ)上,開展隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀器在復(fù)雜條件下測(cè)井響應(yīng)特征研究。通過(guò)對(duì)不同地層模型的測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬,表明：1)在各向異性地層中,測(cè)量視電阻率是水平電導(dǎo)率和垂直電導(dǎo)率的綜合反映；2)隨著傾角的增大,地層的視厚度也增寬,當(dāng)傾斜角度較大時(shí),相位差和幅度比曲線在地層的邊界處出現(xiàn)牛角效應(yīng),而且傾斜角度越大,牛角效應(yīng)越明顯；3)當(dāng)泥漿的電導(dǎo)率和周圍地層的電導(dǎo)率相差較小時(shí),儀器偏心對(duì)測(cè)井響應(yīng)的影響較小,但當(dāng)泥漿的電導(dǎo)率和周圍地層的電導(dǎo)率相差較大時(shí),儀器偏心對(duì)測(cè)井響應(yīng)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(shí),隨著儀器偏心距的增大,在地層邊界處牛角效應(yīng)越明顯；5)對(duì)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(shí),測(cè)井響應(yīng)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(duì)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(shí),測(cè)井響應(yīng)曲線在地層邊界處出現(xiàn)的角峰不對(duì)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(shí)時(shí)的地質(zhì)導(dǎo)向,使鉆頭保持在高阻含油層中鉆進(jìn)。通過(guò)對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征正演模擬研究,比較深入的認(rèn)識(shí)了隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井儀器在復(fù)雜條什下的測(cè)井響應(yīng)特征,為將來(lái)反演計(jì)算、儀器的自主研制和測(cè)井資料的解釋提供了理論依據(jù)。 4.Duffing振子的動(dòng)力學(xué)行為與噪聲影響 研究了Duffing振子動(dòng)力學(xué)行為與噪聲影響�；谝痪S非線性振子的模型建立Duffing振子的一般檢測(cè)模型,在此基礎(chǔ)上研究周期策動(dòng)力和噪聲對(duì)Duffing振子運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律,通過(guò)理論推導(dǎo)和仿真分析,表明：1)隨著周期策動(dòng)力的增加,Duffing振子的相軌跡會(huì)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)演變,非線性動(dòng)力特性十分明顯；2)Duffing振子對(duì)于任意分布的平穩(wěn)隨機(jī)噪聲都具有良好的免疫性能,對(duì)初值具有敏感性,輸入信號(hào)的幅度越小,系統(tǒng)對(duì)信號(hào)越敏感,系統(tǒng)的抗噪性能越好,信噪比越低；3)噪聲對(duì)Duffing振子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響與噪聲的強(qiáng)度有關(guān),噪聲的存在和強(qiáng)弱會(huì)影響系統(tǒng)檢測(cè)的性能。通過(guò)Duffing振子動(dòng)力學(xué)行為與噪聲影響的研究,為基于Duffing振子的弱信號(hào)檢測(cè)提供了依據(jù),揭示了基于Duffing振子的弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)有最低的檢測(cè)門限。 5.系統(tǒng)相態(tài)自動(dòng)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(chǔ)上,從工程實(shí)現(xiàn)的角度,針對(duì)測(cè)量?jī)x器識(shí)別系統(tǒng)相態(tài)問(wèn)題,研究系統(tǒng)相態(tài)自動(dòng)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(dòng)判別方法。在功率譜計(jì)算的基礎(chǔ)上,以主頻譜分量為中心,基于一段頻率窗內(nèi)的譜分量,用功率譜能量因子來(lái)定量描述運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的能量特征。在相圖中設(shè)置一個(gè)區(qū)域,將相圖劃分為區(qū)域外和區(qū)域內(nèi)兩個(gè)部分,進(jìn)而判斷相軌跡曲線是否穿越到區(qū)域內(nèi)以及穿越過(guò)的次數(shù),通過(guò)計(jì)算穿越次數(shù)判別系統(tǒng)的相態(tài)。兩種方法計(jì)算量小,實(shí)時(shí)性好,可以移植到硬件中實(shí)現(xiàn),模擬仿真表明方法有效。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)相態(tài)自動(dòng)判別算法的研究,為Duffing振子實(shí)際應(yīng)用于弱信號(hào)的檢測(cè)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(cè)井信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 研究了隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井弱信號(hào)Duffing檢測(cè)硬件電路。在對(duì)基于Duffing振子進(jìn)行弱信號(hào)檢測(cè)的基礎(chǔ)上分析了待測(cè)信號(hào)與策動(dòng)力信號(hào)之間存在相位差和頻率差時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,通過(guò)時(shí)間尺度變換方法,將Duffing振子擴(kuò)展到頻率為2MHz的信號(hào)檢測(cè),在此基礎(chǔ)上研究基于Duffing振子測(cè)量隨鉆方位電磁波電阻率儀器響應(yīng)中幅度衰減比和相位差的基本原理,設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng)的硬件電路整體框圖,并用具體的硬件電路實(shí)現(xiàn)了Duffing振子模型,通過(guò)模擬輸入熱噪聲,電路仿真表明設(shè)計(jì)的Duffing電路可對(duì)頻率為2MHz的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),電路對(duì)參數(shù)非常敏感,同時(shí)對(duì)噪聲有一定的免疫力,隨著檢測(cè)臨界閾值精度的提高,信噪比降低。通過(guò)此內(nèi)容的研究,利用具體的電路實(shí)現(xiàn)Duffing振子模型,為基于Duffing電路的隨鉆電磁弱信號(hào)檢測(cè)提供了技術(shù)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?jī)?nèi)容、研究方法和創(chuàng)新點(diǎn)：第二章為電磁場(chǎng)的時(shí)域有限差分計(jì)算方法,論述了直角坐標(biāo)系和圓柱坐標(biāo)系中三維電磁波時(shí)域有限差分計(jì)算問(wèn)題,為隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井響應(yīng)模擬提供支持：第三章為隨鉆方位電磁波電阻率測(cè)井響應(yīng)數(shù)值模擬,論述了其測(cè)井的基本原理和正演模擬算法,模擬不同模型的測(cè)井響應(yīng)并開展未鉆地層預(yù)測(cè)研究；第四章為隨鉆測(cè)井弱信號(hào)檢測(cè)方法與設(shè)計(jì),論述了基于Duffing振子的測(cè)井弱信號(hào)檢測(cè)方法技術(shù)和Duffing電路的設(shè)計(jì)：第五章為總結(jié)與建議,對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)以及提出今后研究的建議。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P618.13;P631.811

【參考文獻(xiàn)】

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1 李月,郭華,唐方江,鄧曉英,劉奔;噪聲通過(guò)混沌振子后統(tǒng)計(jì)特性的定性分析[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2002年03期

2 劉四新;二維圓柱坐標(biāo)下FDTD法對(duì)多頻電磁波測(cè)井的數(shù)值模擬[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2004年02期

3 楊寶俊;李月;劉曉華;金雷;趙雪平;袁野;高穎;;改善地震勘探記錄的4項(xiàng)技術(shù)[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2006年05期

4 聶春燕;王祝文;李澤;崔炳民;;儲(chǔ)集層測(cè)井信號(hào)的非線性混沌特性[J];吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版);2011年01期

5 溫曉君;宗成閣;;混沌背景下基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微弱諧波信號(hào)檢測(cè)[J];傳感技術(shù)學(xué)報(bào);2007年01期

6 時(shí)鵬程;隨鉆測(cè)井技術(shù)在我國(guó)石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用[J];測(cè)井技術(shù);2002年06期

7 張辛耘;王敬農(nóng);郭彥軍;;隨鉆測(cè)井技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)[J];測(cè)井技術(shù);2006年01期

8 史曉鋒;;水平井中隨鉆電阻率測(cè)量?jī)x定位和預(yù)測(cè)地層界面的方法[J];測(cè)井技術(shù);2006年02期

9 高杰;辛秀艷;陳文輝;陳鵬;;隨鉆電磁波電阻率測(cè)井之電阻率轉(zhuǎn)化方法與研究[J];測(cè)井技術(shù);2008年06期

10 湯天知;陳濤;周凱波;江有宏;張群華;;MIT陣列感應(yīng)測(cè)井微弱信號(hào)檢測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];測(cè)井技術(shù);2008年06期

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2 熊杰;基于地質(zhì)約束的感應(yīng)測(cè)井非線性正反演研究[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京);2012年

3 呂偉國(guó);水平井中感應(yīng)測(cè)井、電磁波測(cè)井測(cè)量響應(yīng)研究[D];吉林大學(xué);2009年

4 楊震;非均勻復(fù)雜地層隨鉆電磁波測(cè)井響應(yīng)研究[D];中國(guó)石油大學(xué);2009年

5 閆向宏;隨鉆測(cè)井聲波傳輸特性數(shù)值模擬研究[D];中國(guó)石油大學(xué);2010年

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本文編號(hào)：2475863