气体钻井在深井提速和致密砂岩储层保护领域具有显著优势,但气体钻井对地质条件有较为苛刻的要求,地层失稳、产水、钻具失效以及井下燃爆等均有可能导致气体钻井失败,提前预测钻头到待钻风险地层的距离对提高气体钻井的安全性有着极为重要的意义。因此本文将从数值模拟和实验两方面探索气体钻井钻前测距的可行性与精度,并在上述探索的基础上设计一种适应于气体钻井的近钻头震源短节,用来预测钻头前方地层界面的距离,主要得到以下研究成果:(1)推导了基于粘弹性介质和Biot理论双相介质的波动方程,运用交错网格有限差分的原理对其进行有限差分,并分析了震源、频散、稳定性及边界条件等问题。利用MATLAB编制了地震波在粘弹性介质和Biot理论双相介质中的数值模拟程序,并通过波场快照验证了程序的正确性。(2)通过地震波数值模拟程序研究了震源的激发频率和测距精度。首先根据冲击力源的远场位移表达式绘制了近钻头冲击震源波的辐射形状。然后模拟了分辨水平低速2m薄层、倾斜低速2m薄层和水平高速2m薄层的震源激发频率,得出分辨四川地区2m含气薄层的频率范围。基于震源的激发频率分析了低速水平薄层和倾斜低速薄层在不同探测距离下的测距精度。最后探讨了钻头前方流体层的识别方法。(3)为了验证数值模拟中震源处激发和接收声波测距的可行性与精度,分别使用不同频率的超声波换能器测量超声波发射器到分界面的距离。在页岩中500KHz、1MHz和2.5MHz的超声波换能器可以准确测量超声波发射器到分界面的距离;但在砂岩中分辨不出清晰的反射波,测距效果不好。(4)在上述数值模拟和实验探索的基础上,对地面勘探震源的形式和井下震源的形式进行了分析,设计了一种适用于气体钻井的井底近钻头连续冲击震源短节,来实现钻头前方测距目的。该震源短节将脉冲编码技术和机械冲击结构相结合,向钻头前方激发出可控的脉冲信号,通过流量阀和旋转阀来控制活塞的冲击频率和冲击能量。(5)由于井下震源工具中活塞的运动原理与空气锤中活塞的运动原理相似,利用空气锤仿真程序模拟了注气压力和活塞质量对活塞每分钟的冲击次数和冲击能量的影响,从而优化井下震源工具的参数和结构。在满足空气锤正常工作的情况下,随着注气压力的增加,活塞每分钟的冲击次数和冲击能量随之增加;随着活塞质量的增加,活塞每分钟的冲击次数下降,但冲击能量随之增加。