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随钻电磁波测井仪的数值模拟及地质导向应用研究

作　者: 宋殿光
导　师: 张贵宾
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 地球探测与信息技术
关键词: 随钻测井电磁场倾斜线圈地质导向正反演
分类号: P631.83
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随钻测井技术现已成为油田开发获得最大效益的至关重要手段，在国内外油田应用非常普遍。随钻电磁波测井仪器是随钻测井仪器的核心之一，在地层评价和地质导向方面被广泛应用，但少见该类仪器在地质导向应用中的系统理论研究，因而，本文基于正反演数值模拟，对随钻电磁波仪器的地质导向应用进行了详细研究。正演数值模拟主要采用磁偶极子源并矢格林函数理论，利用矩阵递推原理推导出各向异性任意多层介质中的并矢格林函数。该方法适用于分析线圈任意方向放置的随钻电磁波测井仪器的响应，具有计算速度快，精度高的优点。反演中开发了自适应阻尼型高斯牛顿和变形波恩迭代方法，并给出一种新的正则化方法以及不等式约束条件施加方法。利用开发的正反演方法模拟了常规及倾斜线圈随钻电磁波测井仪在大斜度井中的响应规律和在地质导向中的应用。模拟结果表明，常规电磁波测井仪在大斜度井中靠近地层边界时，响应有极化角现象可作为预示界面存在的依据，受各向异性的影响随相对倾角的增大而增大，薄互层呈现出宏观各向异性特征。新一代单发单收倾斜线圈采用更低的频率和更长的源距，在靠近地层上下界面时分别呈现相反的信号特征，能有效识别界面方向。对双发双收倾斜线圈结构定义了一种新的定向信号，使该结构形式同时具备地层评价和地质导向方位探测能力。模拟结果表明，电阻率响应受各向异性的影响更加敏感，而定向测量则基本不受影响，对界面的响应特征与单发单收线圈结构相同。对地质导向矢量角理论进行了研究，利用空间重叠算法进行数值模拟，发现该矢量角始终指向电导率更大的方向，与倾斜线圈的定向信号结合可以判断仪器从哪个方向靠近边界，该理论适用于地层界面不平行的情况。采用多种地层模型，对随钻电磁波仪器进行了反演数值模拟。提出了一种多初值法，通过模拟发现，该方法可以有效改善由于初值给定不合适引起的迭代发散以及多解性问题。总结了相对倾角及地层电阻率参数误差对反演结果的影响规律，验证了地质导向反演中三层模型的可行性。在具有多个薄层的地层模型下，常规电磁波电阻率曲线比深探测定向曲线具有更好的界面识别效果，而厚地层中深探测定向测量曲线则具有更好的界面识别效果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第一章引言  11-22
  1.1 研究课题的意义及背景  11-12
  1.2 电磁波测井仪国内外研究现状  12-15
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-15
  1.3 导向钻井技术介绍  15-16
    1.3.1 几何导向钻井  15
    1.3.2 地质导向钻井  15-16
  1.4 电磁波测井正反演算法研究现状  16-20
    1.4.1 正演算法介绍  16-19
    1.4.2 反演算法介绍  19-20
  1.5 本文研究内容及创新点  20-22
第二章随钻电磁波测井仪数值模拟方法  22-39
  2.1 层状介质中磁偶极子源并矢格林函数法  22-32
    2.1.1 均匀各向异性介质中单位磁偶极子产生的电磁场  22-25
    2.1.2 层状各向异性介质中单位磁偶极子产生的电磁场  25-32
  2.2 最优化反演方法  32-39
    2.2.1 自适应阻尼型高斯牛顿法  33-35
    2.2.2 自适应波恩迭代法  35-36
    2.2.3 正则化处理  36-37
    2.2.4 不等式约束条件的施加  37-39
第三章轴向线圈电磁波测井仪数值模拟  39-50
  3.1 仪器测量原理  39-40
  3.2 相对倾角及围岩的影响  40-42
  3.3 各向异性的影响  42-43
  3.4 薄互层的宏观各向异性  43-44
  3.5 MPR 测井仪钻前地质导向应用分析  44-46
    3.5.1 钻前正演模型  44-45
    3.5.2 响应模拟  45-46
  3.6 MPR 测井仪的边界探测能力分析  46-50
第四章倾斜线圈电磁波测井仪数值模拟  50-78
  4.1 坐标变换原理  50-51
  4.2 单发单收接收线圈倾斜结构  51-60
    4.2.1 仪器测量原理  52-53
    4.2.2 定向探测特性分析  53-57
    4.2.3 井周方位分辨特性分析  57-59
    4.2.4 成像应用  59-60
  4.3 双发双收接收线圈倾斜结构  60-68
    4.3.1 视电阻率探测特性分析  61-63
    4.3.2 新的定向信号定义  63-64
    4.3.3 定向信号响应规律分析  64-68
  4.4 单发单收接收线圈横向结构  68-76
    4.4.1 多层地层响应  69
    4.4.2 地质导向矢量角的定义  69-71
    4.4.3 地质导向矢量角的数值模拟  71-76
  4.5 各向异性测量  76-78
    4.5.1 理论基础  76
    4.5.2 数值模拟  76-78
第五章反演技术在地质导向中的应用  78-116
  5.1 实时反演模型  78-79
  5.2 最优化方法反演地层参数  79-95
    5.2.1 单层界面反演  80-82
    5.2.2 双层界面反演  82-83
    5.2.3 层界面与垂直电阻率同时反演  83-84
    5.2.4 七参数反演  84-87
    5.2.5 相对倾角的影响分析  87-88
    5.2.6 反演的多解性分析  88-90
    5.2.8 电阻率参数的影响分析  90-95
  5.3 多初值法应用  95-110
    5.3.1 三层模型反演  96-99
    5.3.2 五层模型反演  99-110
    5.3.3 小结  110
  5.4 方位随钻电磁波反演效果分析  110-113
  5.5 图版法反演地层参数  113-116
    5.5.1 已知目的层电阻率图版绘制  114
    5.5.2 已知围岩层电阻率图版绘制  114-116
第六章总结与展望  116-119
  6.1 总结  116-117
  6.2 展望  117-119
致谢  119-120
参考文献  120-127
学术论文发表情况  127

随钻电磁波测井仪的数值模拟及地质导向应用研究

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