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随着全球能源危机和资源匮乏的日趋加剧，油气资源和固体矿产资源的勘探开发已成为人类社会可持续发展的制约因素，加快油气资源与固体矿产资源的勘探开发进度、进一步提高资源勘探开发能力与质量是解决能源危机和资源匮乏问题的重要途径，特别是针对过去认为生产价值不大、开发技术难度较高的低丰度油气藏、中低渗油气藏、薄储层油气藏、深部固体矿产资源的勘探开发成为当代石油工程和地质勘探的发展方向，大量的新型钻井技术如定向钻井、水平钻井、欠平衡钻井等已日趋广泛地应用于钻探与钻井工程中，随钻测量(MWD)技术作为现代定向进技术不可缺少的支撑技术获得迅速发展，由于电磁信号传输通道式随钻测量(EM-MWD)具有信号传输速度快、不受可压缩钻井循环介质的影响等特点，相对于其他随钻测量技术，电磁随钻测量技术具有显著的优越性，但该技术也存在着电磁信号传输衰减严重、适用钻井深度相对较浅等缺点，对电磁随钻测量信号传输机理的深入研究和电磁随钻测量技术的不断完善是目前国内外随钻测量技术研究开发的重要课题，同时，由于目前的电磁随钻测量系统主要是针对大直径油气井工程研究开发的，电磁随钻测量系统的小直径化也是该技术应用于固体矿产资源勘探必须研究解决的关键问题之一。
论文结合相关科学研究项目和我国石油工程与固体矿产资源勘探需要，针对电磁随钻测量关键技术展开研究，基于电磁随钻测量的基本工作原理和电磁波发射、传播、接收基础理论，重点研究了极低频电磁波在有损耗大地媒质中的传输与衰减规律，在前人研究的基础上，综合电磁波在大地媒质的辐射感应和将井内钻柱看作为非对称电激励天线的电导作用，提出了电磁随钻测量系统井底信号向地表传输模型和极低频电磁波在有损耗媒质中感应场与辐射场的界定，采用理论研究、数值模拟和实验验证的方法，研究了地表接收天线感应电场接收强度及其影响因素，为电磁随钻测量系统的设计与实际应用提供指导；基于涡轮马达和轴流泵设计理论，研究设计了电磁随钻测量系统小直径涡轮发电机，为电磁随钻测量系统应用于地质勘探的研究开发提供了理论依据和设计参考。全文共分六章。
第一章，在广泛调研的基础上，概括总结了电磁随钻测量所涉及的井下参数检测、信号转换与编码、电磁激励与发射、地表信号检测与解码、井下仪器供电等七大关键技术以及国内外研究现状与发展趋势，分析探讨了电磁随钻测量技术对固体矿床勘探的适应性，分析表明，相对于现代电子检测和其他随钻测量技术，由于钻井中电磁信号通道涉及地层、井管、泥浆等各种复杂因素，井底电磁信号向地表的传输与接收是电磁随钻测量技术的关键性制约因素，是电磁随钻测量技术研究的重点。此外，对于固体矿床勘探，由于钻探深度相对于石油钻井一般具有钻孔较浅、地层电阻率较大的特点，电磁随钻测量技术应用于固体矿床勘探具有良好的适应性。针对目前存在的主要问题，提出了论文研究内容，以俄罗斯ZTS电磁随钻测量系统及其所进行的室内实验和现场试验为研究条件，在深入研究电磁随钻测量系统结构工作原理的基础上，以极低频电磁信号在有限电导特性地层中的传播衰减规律、电磁信号沿钻井中具有传导特性管柱的传输规律和面向地质勘探应用领域的电磁随钻测量系统的小直径涡轮发电机设计等为主要研究内容，研究内容对电磁随钻测量技术的研究与应用有重要意义。
第二章，基于电磁随钻测量技术和数据检测与信号处理技术原理与理论，分析探讨了电磁随钻测量系统关键技术原理。电磁随钻测量系统的井下参数测量元件一般采用三维重力加速度传感器和磁通门传感器，依据三轴检测分量计算得到井斜角、方位角、工具面向角；为了消除各种干扰信号，采用将数字滤波与低通滤波相结合可取得较好的效果；信源输出信号的编码与解码可采用线性编码或非线性编码，戈莱码是一种较常采用的编码解码方法，具有译码算法简单、通用性好、有较高的编码效率和较强的纠错能力等特点；为了达到更好的信号传输效果，随钻测量系统一般采用非线性调制方式对井下信息进行调制后传输，应用较普遍的是相移键控，它具有信号解调简单、频带宽度适中、抗噪音性能好等特点；在现代电子技术中，电磁信号的发射一般是采用大规模集成电路来实现，这种信号发生器具有电路简单、性能可靠、输出波形和频率精度高且易于调节；电磁信号从井下传到地面既有电流的传导，也有电磁波的辐射，由于地层、井管等因素的影响，信号的传输存在衰减，地面信号的接收一般需要进行信号放大、滤波、解调等；电磁随钻测量井下仪器系统的供电可采用高能锂电和涡轮发电机，涡轮发电机可以实现长时间、大功率信号发射，结合俄罗斯ZTS电磁随钻测量系统，论文简要分析了涡轮发电机结构原理、工作性能和存在的问题。
第三章针对论文提出的主要研究内容，以电磁波传播理论为基础，着重就极低频电磁波在有损耗大地媒质中的传播规律展开了研究。从麦克斯韦方程出发，探讨了交变电磁场波动方程及其一般解法，研究了电偶极子场在有损耗均匀无限介质的分布规律，依据电磁波感应场与辐射场区分的基本原理，对极低频电磁波在有损耗介质中近场区的感应场和远场区的辐射场问题进行了分析研究，提出了极低频电磁波在有损耗介质中的感应场与辐射场界定标准，依据研究得出的适用于极低频电磁波在有损耗介质中传播近场区与远场区界定判别方程，分别取信号频率f=1～20Hz，介电常数ε=(4～45)ε0，地层电阻率ρ=1～1×105欧姆米，对极低频电磁波在不同地层特性时感应场与辐射场的界定距离进行了研究，研究表明，对于井深2000米以上的电磁随钻测量，当地层电阻率小于1000欧姆米时，接收天线与地下发射电偶极子之间的距离超出感应区的范围，地表接收天线上的感应电动势主要是由电磁波的辐射场产生。在上述理论研究基础上，论文依据电磁场传播中介质的吸收系数β对极低频电磁波在有损耗介质中辐射区的电磁场衰减规律进行了研究。
第四章主要研究电磁随钻测量系统信号传输实验与钻井中电磁信号传输的数值模拟。结合俄罗斯ZTS-172电磁随钻测量系统，论文简要介绍了测量系统的结构组成与工作特性，详细阐述了ZTS-172电磁随钻测量系统在胜利油田辛110-斜8井和辛77-斜15井所进行的电磁信号测试实验，包括实验钻井的基本情况、实验测试系统的地面调试、实验仪器钻具组合、井内钻进信号检测实验及其地表接收系统采集的实验数据等。为了进一步丰富实验数据，论文引用了中石化勘探开发研究院电磁随钻测量现场试验资料及其在吉林省腰英台油田DB18-2-G1钻井中的实验数据曲线、中国电波传播研究所随钻测量电磁信号在实验钻井地层中的传输与接收实验及其实验数据。之后，论文就电磁随钻测量信号传输的数值模拟展开了研究，对比分析了电磁场数值模拟各种方法的特点，结合电磁随钻测量系统井内电磁信号的传输特征，研究分析了混合有限元边界元法模拟电磁随钻测量信号传输的适应性，建立了将井底电极与钻柱设定为非对称电偶极子天线、综合考虑钻柱电导和地层电磁波辐射作用的轴对称物理模型，阐述了数值模拟的基本过程。电磁随钻测量信号传输数值模拟与实验数据的对比分析研究表明，数值模拟结果与实验数据具有较高的吻合度和一致性，针对存在的误差，分析研究了泥浆和地面噪音的影响。依据所建立的轴对称物理模型和数值模拟方法，论文对不同井深、不同地层电阻率、不同的信号发射频率情况下电磁随钻测量地表接收电压信号强度进行了预测研究分析。
第五章是电磁随钻测量系统涡轮发电机小直径化设计研究部分。电磁随钻测量井下仪器的直径主要取决于涡轮发电机的直径，目前，国内外电磁随钻测量系统的直径一般均在108毫米以上，由于涡轮马达的输出功率随涡轮直径的减小呈五次方的关系减小，因此，小直径涡轮发电机设计的关键是保证小直径涡轮马达的输出性能。论文依据涡轮发电机设计理论，分析研究了涡轮机械的力学原理和水力学特性，分析对比了轴流式涡轮泵升力法、圆弧法和奇点法三种设计方法的特点，研究探讨了升力法涡轮结构性能参数设计方法．并以俄罗斯ZTS-108电磁随钻测量系统涡轮发电机的结构参数和输入、输出特性参数对升力法涡轮结构性能参数设计方法的正确性进行了验证，在此基础上，以面向地质勘探领域小直径涡轮发电机为设计研究对象，研究设计了直径φ75毫米的涡轮马达，分析探讨了小直径涡轮马达结构参数、输入特性参数和输出特性参数之间的相互影响，优化设计确定出φ75毫米的涡轮马达结构性能参数为：轮毂比0.6、轮毂直径45mm、比转速500、叶片数为8、安装角22.5°、额定流量8l/s、额定转速2019r/min、输出功率373W、扭矩1.69N·m、压降46.65m、叶片弦长144.65mm、叶片高度55.35mm，性能参数达到或接近俄罗斯ZTS-108电磁随钻测量系统涡轮发电机的性能参数指标。文中最后对更小输入流量的涡轮马达设计进行了探讨。
第六章是全文的结论部分。研究认为，电磁随钻测量具有显著特点，在低密度可压缩性循环介质可以实现井底测量信号向地表的传输，对欠平衡钻井和固体矿产资源的勘探具有较强的适应性，但是电磁随钻测量信号在有限电导特性大地媒质中传播存在有严重的信号衰减，随着电磁波的频率增加，电磁信号的衰减增大，随着地层电阻率增加，电磁信号的衰减减小，介质的介电常数对电磁信号的衰减几乎无影响；井底电磁信号传输的实验研究与数值模拟研究表明，论文建立的电磁信号传输模型和采用的数值模拟方法具有较高的模拟精度，应用预测研究认为，即使在地层电阻率很小时(2欧姆·米)，只要当电磁信号频率为2.5赫兹，电磁随钻测量可适用的井深也能达到2000～2900米，在地层电阻率为6欧姆·米，可适用的井深可以达到3300～4500米：电磁随钻测量小直径涡轮发电机设计研究表明，只要合理的调整涡轮结构参数设计，φ75毫米的涡轮马达是可以满足电磁随钻测量系统要求的。
论文研究的的创新点主要有：提出和建立了极低频电磁波在有损耗大地媒质中感应场和辐射场的判别模式，研究认为，钻井中电磁随钻测量信号的传输主要是辐射场作用；综合井内钻柱、井管、地层等多因素，以分段轴电流单元辐射场合成的模拟方法研究得出信号传输规律和地表接收信号强度预测曲线及适用井深条件和范围，研究结果与实验结果吻合；同时，论文针对φ75毫米的涡轮发电机的设计研究也具有一定的创新性。