石油是国家重要的战略资源,为了降低对进口原油的依赖,油田的稳产增产是亟待解决的主要问题。老生产井(金属套管井)复查挖潜和发现新产层是稳产增产的重要途径。但是,一方面,生产井长期开采导致原油储层发生变化,原有的裸眼井测井资料不能有效解释和评价储层;另一方面,生产井中的金属套管严重阻碍了常规侧向仪器和感应测井仪器测量评价油气的关键参数—地层电阻率(地层电导率)。因此,迫切需要研究新方法探测金属套管外地层电阻率,重新解释和评价地层,发现新的油气储集层。本文利用数值计算方法研究了基于电流线圈的套管井电磁场分布特征,提出了套管井中测量套管外地层电阻率的感应测井新方法,系统研究了套管井关键参数选择、非均匀地层响应、非均匀金属套管影响等问题,同时提出了基于正演响应信息库的套管参数反演方法,最后研究了测井新方法在工程实现中的相关技术问题。本文的主要工作及贡献如下:(1)基于电磁感应原理,提出了同时考虑磁导率和电导率参数的金属套管井电磁场计算方法,解决了套管井电磁场数值计算问题。测量金属套管外地层电阻率的关键是解决基于线圈源的套管井电磁场计算问题。首先给出了均匀介质电磁场、电压和地层电导率的计算方法,得到均匀介质中电磁场的分布规律。在此基础上提出了纵向和径向三层非均匀介质中电磁场的计算方法,为准确分析井眼、套管和地层的影响特征,研究套管外地层测量方法奠定了理论基础。(2)提出了基于相位差测量套管外地层电阻率的感应测井方法,解决了套管外地层电阻率的感应测量问题。首先,针对电磁场计算函数的振荡积分不准确问题,深入分析振荡函数特征,提出了分段积分策略。其次,通过数值计算分析研究套管井和裸眼井中电磁场分布与地层电导率、发射-接收距离的关系,结果表明:在套管井中当发射-接收距离大于3m后,电场虚部(磁场实部)随地层电导率变化,而裸眼井中电场实部(磁场虚部)随地层电导率变化。接着,给出了计算电场相位差的方法,分析了不同发射-接收距离、不同地层电导率对相位差的影响规律,提出了基于相位差测量套管外地层电阻率的感应测井新方法。最后,计算分析了激励频率和发射-接收距离对相位差和接收电压的影响特征,根据可检测信号量级建立激励频率和发射-接收距离两个关键参数的最佳选择区域。(3)提出了套管井感应测井纵向分辨率和径向探测深度的确定方法,解决了套管井感应测井仪器性能参数的计算问题。构建套管外纵向三层和径向两层地层模型,分别计算分析了地层电导率、地层厚度和侵入半径对不同发射-接收距离相位差的影响特征,提出利用发射-接收距离与目标地层厚度的比值来确定测井纵向分辨率,利用归一化相位差来确定测井径向探测深度的方法,当归一化相位差为0.4时,径向探测深度大于发射-接收距离。(4)构建了套管非均匀测井模型,揭示了套管参数非均匀变化对测井的影响规律。套管的腐蚀、接箍、断裂和局部电导率变化等非均匀的影响是套管井感应测井新方法应用中必须要解决的问题。本文设计了套管腐蚀、接箍、裂缝及电导率局部变化的简化模型,计算分析了非均匀参数变化对相位差和接收电压的影响规律,该研究结果为实际测井中消除套管非均匀影响提供了理论依据。(5)提出了基于正演响应信息库的套管参数反演方法,解决了井下套管参数的测量问题。套管内径、厚度、电导率和磁导率是影响测井响应的四个参数,其中套管内径可通过井径仪器测量得到,其余三参数只能通过反演得到。首先,设计了1发射-3接收线圈的套管参数感应测量线圈系,然后利用数值计算建立套管参数正演响应信息库,解决了正演响应的快速计算问题。接着,基于正演响应信息库,采用三参数降维思想,设计三维参数快速反演搜索方法。最后,设计反演算法并编写反演程序,利用不同参数组合的反演,测试验证了算法的有效性。(6)研究了套管井感应测井仪器工程实现问题。设计了套管井感应测井仪器系统,详细研究仪器工程实现时需要解决的信号源和接收线圈等问题。提出了基于数字相敏检波技术实现响应信号实部虚部分离及微弱信号检测方法,研究了信号噪声消除方法,并通过仿真实验研究了检测算法的性能。本文的研究成果为测量套管外地层电阻率的感应测井方法应用奠定了理论基础,为套管井感应测井仪器的设计与研究提供了方法和依据。