21世纪以来，石油技术人员不断开发新的能够探测油田地层特性的仪器，其中利用电磁波测量岩石和流体性质的介电测井就是一种新的技术。介电测井可以对含淡水、矿化水或矿化度未知的储层的孔隙度进行测量，根据含水孔隙度，可得出与电阻率无关的流体饱和度。测井分析人员可将介电测量结果与深探测仪器获得的数据相结合，用于识别含有可动油气的地层，这对于稠油油藏是极为重要的信息。　　对于地层这种复杂的多孔介质，通过的总电流为位移电流与传导电流的和，而总电流与地层的介电常数有关。当外电场频率改变时，受多孔介质内各种导电机理的影响，介电常数也随之改变。所以，为了可以对地层的频散特性有更全面的评估，自介电测井方法问世以来，仪器研发人员从未停止对介电测井的工作频率进行拓展，从最早EPT的单点频，到最近推出的Dielectric Scanner分布于2MHz到1GHz的四点频率。这使得仪器除了提供介电信息外，还能提供一项新参数--介电频散，根据这一信息，岩石物理学家可确定更多的地质参数，如岩石结构及泥质的影响。目前研究者们围绕电磁波信号发射接收装置的设计也开展了大量的工作，早期设备多使用缝隙天线，采集到的数据质量总是受井眼粗糙程度影响，而且测量精度也难以量化。为提高收发效率，改良探测精度，丰富探测深度，近期推出的仪器多使用偶极天线，并利用多发多收的天线模式，可同时提供多种不同的径向探测深度，实现对泥饼、侵入带到原状地层的同时测量。　　在对天线电磁特性的研究及仪器对不同地层响应的分析中，设备的制造、参数优化和标准地层的设置校准都是非常耗时、耗财的过程，因此理论研究对仪器的设计尤为重要。目前，针对用于介电测井的收发天线优化、仪器在复杂地层响应、钻铤结构的优化等问题尚没有明确的理论指导，为了节约实验成本，通常借助计算机技术降低开发成本并加快设计过程。时域有限差分(Finite differencetime domain method，FDTD)法是一种目前流行的电磁场数值仿真手段，适合解决电磁场的散射、传输及辐射等各种问题，在石油资源勘探、探地雷达、天线设计等领域得到广泛应用，但由于介电测井的数值仿真是一个电大问题，传统的FDTD方法遇到了计算量巨大和计算时间冗长等难题，利用图形处理器加速技术，可以在一定程度上使这类问题得到解决。　　本文在已有的介电测井仪器基础上，提出一种利用时域窄脉冲对地层地质参数进行测量的宽频介电测井方法，并以电磁场理论及电磁场数值分析为手段，对宽频介电测井应用中的电磁场传播特性等科学问题进行了详细的研究。具体研究内容包括以下几个方面:　　一、利用经典电磁波理论及线性系统分析对宽频介电测井仪在单一均匀地层的简化模型进行研究，从理论上建立地层流体饱和度与仪器响应的联系，利用定性正演的方法，验证了仪器的理论可行性，为下一步仪器的设计改良提供了理论依据。　　二、利用地层介电常数混合模型及现有的实验室数据推导出了多种岩石结构在不同流体饱和度情况下的复介电常数频散曲线，为进一步的数值仿真研究提供了丰富的地层电学参数。　　三、综合钻铤结构、井底环境、工作带宽等限制条件，选取一种单极天线作为宽频介电测井仪的收发天线，并在不改变天线圆柱外形的前提下，通过调整天线的终端匹配负载，获得最佳工作带宽，并研究了终端负载对天线传输反射特性的影响。在最佳带宽基础上，研究了天线的方向性，进一步对天线进行优化。　　四、利用经典电磁场模式分析理论结合电磁场数值方法，研究了宽频电磁脉冲经过UWB天线发射后，电磁能量在地层井眼环境中的分布情况，分析了不同模式电磁波在地层的传播特性。本文针对不同探测需求对仪器进行改良提供了理论依据。　　五、根据不同探测深度需求，分别对宽频介电测井仪的钻铤结构和天线参数进行了优化，继而利用电磁场数值分析方法，研究了优化后的仪器在不同流体饱和度地层的探测深度变化情况。　　六、完成了对真实非均匀分层地层及泥浆侵入带的建模工作，继而用FDTD方法分析了宽频介电测井仪在通过非均匀分层地层时的响应情况，并对响应进行了傅里叶分析，进一步提出了宽频介电测井对地质参数的反演方法。　　本文的主要研究内容是提出宽频介电测井仪，在此基础上利用相关的电磁场数值分析、理论分析方法对宽频介电测井方法进行分析和优化，其创新性体现在以下三个方面:　　一、提出了一种利用发射时域窄脉冲来探测地层电学特性的宽频介电测井方法，通过这种方法可以对地层的流体饱和度、孔隙度等地质参数进行测量。首先，在均匀地层简化模型的基础上，利用经典电磁学理论及线性分析理论，将响应电压信号与已知地层电学参数建立联系，完成对宽频介电测井方法的正演验证。接下来，利用电磁学数值仿真计算，对油基泥浆井眼中宽频介电测井仪在层状非均匀地层的响应情况进行了研究，结果表明，结合对响应信号在时域、频域下的分析，宽频介电测井不仅可以对地层复介电常数进行测量，而且可以对其频散特性进行评估。通过结合地层的电学参数，提出了针对宽频介电测井的反演方法。　　二、基于地层介电常数的频散特性，确定测量的频带范围，进而选用扇形共型单极天线作为测井仪器的收发天线。首先研究了改变终端负载对单极天线的工作带宽的影响，根据发射脉冲需求，确定了天线的最佳负载。接下来完成了对天线宽频下辐射方向性的分析，通过添加瓦状反射板，实现天线750MHz到2.5GHz范围下辐射功率前后比超过6∶1，使天线具有很好的收发单向性。然后利用电磁场数值分析和电磁场模式分析理论，对天线在钻铤、地层模型中的电磁辐射分布进行研究，研究发现，由天线辐射的电磁能量以两种形式存在:侧向传播的球面场和沿金属钻铤传播的表面场。针对这两种能量模式，分别对天线附近钻铤结构进行优化，最后，设计了两种钻铤分别促进球面场和表面场的激发，可各自用于浅层泥饼或深层侵入带的测量。　　三、利用电磁场数值分析手段，研究了宽频介电测井仪在油基泥浆井眼中穿过非均匀地层的响应变化。通过与地层电学参数对照分析，首次提出了针对宽频介电测井的反演方法:利用仪器响应时域下的时间延迟，可以对相应地层的复介电常数实部进行定量的反演;利用宽频带下响应信号的衰减频谱，不仅可以反演出地层复介电常数的虚部，而且可以精确地描述地层介电参数的频散特性。因为响应信号随着地层参数改变在时域和频域都伴随有明显的变化，所以可以全面反映地层的介电特性。　　本文提出了一种基于宽频脉冲用于评估地层流体饱和度及孔隙度的介电测井方法。本方法的研究明确了宽频脉冲在地层中的传播特性及地层电参数对响应信号的影响。本文对应用于宽频介电测井的UWB天线及用于不同探测需求的仪器钻铤进行了参数优化，探索了宽频介电测井仪在复杂非均匀地层中的响应情况，并提出了对应的反演方法，为此类仪器的制造及应用提供了理论支持。