随钻电磁波测井被广泛运用于大斜度井/水平井实时地质导向与随钻储层评价,但其探测能力有限,无法满足对井周地质结构进行方位深探测的需求。进一步拓展电磁波测井仪器深探测能力,弥补测井尺度与物探分辨率之间的空白,是随钻地质导向的发展趋势和必然要求。为此,本文深入研究了深探测多分量随钻电磁波测井(包括随钻方位电磁波测井和超深探测随钻电磁波测井)工作原理、探测性能及典型响应特征,为定性解释与新型仪器研发提供有力支持;针对复杂地层结构,系统开展了深探测多分量随钻电磁波测井快速正演与资料处理研究,建立了基于深探测多分量随钻电磁波测井资料的地层界面实时提取、各向异性电阻率确定与储层结构快速成像方法,为实时地质导向决策与水平井油气产能的最优化提供了保障。论文第二章,首先推导了各向异性地层多分量电磁波测井三维(3D)几何因子,系统分析了不同电磁分量对地层参数的微观和宏观敏感性;在此基础上,介绍了随钻方位电磁波测井与超深探测随钻电磁波测井测量原理、信号合成方法、探测模式及典型的响应特征;针对复杂地层结构深探测多分量随钻电磁波测井响应正演难度大的问题,采用逐次降维的策略,将复杂地层结构3D计算问题转化为2.5维(2.5D)正演问题;然后,采用逐步开窗的处理手段,进一步将2.5D问题转化为一系列一维(1D)电磁场的计算问题;通过对典型褶皱地层结构1D与3D正演表明:降维策略算法准确、可靠,且降维等效算法的计算速度是3D正演速度的70000倍。论文第三章,研究了深探测多分量随钻电磁波测井仪器(PeriScope、Geosphere)对地层边界的探测能力,并分析了相对倾角、地层厚度及电阻率对比度等对随钻方位电磁波测井和超深探测随钻电磁波测井响应的影响。对比分析表明:PeriScope相位差和幅度比地质信号对地层界面、电阻率和地层倾角的敏感性依次降低,其最大探边距离为4.7m;Geosphere的探边能力随着源距的增加而不断增大,而随频率的增加,其最大探边距离则可能出现非线性变化;通过各个模式的组合,Geosphere仪器可在任意角度与各向异性情况下准确反映相对倾角和地层各向异性信息;受地层倾角变化与大电阻率对比度的影响,Geosphere曲线非线性强、响应极为复杂,特别是USDP、UADP及UHRP测量模式可能存在不连续的相位突变,从而导致反演难度的增大。论文第四章,系统推导了Levenberg-Marquardt算法的迭代格式、正则化参数自动更新方法及梯度算法的不确定性评价方法;为解决代价函数变化剧烈及局部极小值多等问题,引入改进的模拟退火-差分进化算法(SADE)和基于并行干预马科夫链蒙特卡罗采样(PI-MCMC)的Bayesian算法,相比传统差分进化(DE)、模拟退火(SA)及MCMC算法,改进的SADE与PI-MCMC算法既保证了对参数空间全局搜索能力,又加快了收敛速度,可用于多反演参数以及已知初始信息少等情况下的资料反演。论文第五章,建立了基于随钻方位电磁波测井资料的地层界面自动反演方法,系统分析了各种因素如噪音、倾角、地层厚度等对反演结果的影响,研究了反演模型选取方法与适用性,并对比了确定性反演算法与随机反演算法的反演效果与反演速度等。数值结果表明:简化的1D反演方法可适用于任意井眼轨迹和相对倾角大于75~o的水平井;经反演得到的二维窗帘图不仅直观地显示井眼附近地层的纵向电阻率分布,且从横向延伸可以初步给出地层结构分布;仪器与地层的相对倾角越小、地层结构的横向非均匀质性越强,反演结果的准确性和稳定性越差,同时渐变电阻率带的存在也会影响地层界面的准确提取;1D反演模型的选取取决于靶层的厚度,而反演算法的选取则依赖于反演模型的层数;对4.0m以上的厚层,可选用单界面反演模型和梯度反演算法组合;与之相比,靶层厚度介于1.0m~4.0m时,采用双界面反演模型即可提供准确的邻近上、下地层界面;对薄层随钻方位电磁波资料的处理,则需采用多界面反演模型和随机反演算法。论文第六章,建立了基于超深探测随钻电磁波测井的地层结构成像方法与多尺度随钻电磁波类测井资料的联合反演方法,对比分析了全各向异性地层模型与“宏观各向异性”地层模型反演效果与反演速度,探讨了基于四界面“宏观各向异性”反演模型的多尺度随钻电磁波类测井资料联合反演方法。数值结果表明:基于“宏观各向异性”反演模型,对四界面反演模型采样12万次,即可实现井眼附近储层结构的精确重构;通过对不同尺度随钻电磁波类测井资料进行联合反演,不仅可以提高反演结果的准确性与分辨率,而且可以提高联合反演的速度。与基于超深探测随钻电磁波测井与传统随钻电磁波测井资料的联合反演结果相比,基于超深探测随钻电磁波成像测井与随钻方位电磁波测井资料得到的地层界面位置准确性更高,且二维窗帘图稳定性与连续性更强。