南海神狐海域天然气水合物及气源条件海洋可控源电磁成像

地震剖面的似海底反射(BSR)指示了天然气水合物的底边界,并已得到钻探的验证。南海神狐海域是天然气水合物(简称水合物)研究的热点区域。然而,由于地质构造的复杂性且钻井数量有限,仅仅依靠地震与钻探研究不能完全描述区内天然气水合物及气源通道的分布。含水合物地层比围岩具有更高的电阻率,海洋可控源电磁(MCSEM)数据获得的电阻率能为水合物和气源通道检测提供重要依据。本文在神狐海域开展MCSEM探测研究,沿一条测线采集了15个站位的海洋可控源电磁场数据,通过数据处理与二维反演,实现了研究区海底二维电阻率成像。然后,通过灵敏度分析,检验了MCSEM反演结果的可靠性。结合SH-W07-2016随钻测井(LWD)和地震数据,对二维电阻率剖面进行解释,推断了剖面上水合物和游离气分布,划分了两种形式的水合物储层结构,分析了其构造成因。

基于位移逆有理Krylov子空间算法的频率域可控源电磁快速正演

本文开发了一种双重复极点位移逆(SAI)有理Krylov子空间算法,实现了频率域可控源电磁法(CSEM)多频电磁场值的快速计算.在有理Krylov子空间算法中,极点选择是保障CSEM正演精度的关键,单重复极点有理Krylov子空间算法在频率域可控源电磁法应用最为广泛,但其缺点在于正演计算频段范围有限,增加极点个数能够获取更宽频段响应.为此,立足于有理Krylov子空间基本理论,推导了多重复极点位移逆算法Rayleigh商一阶秩修改公式,并利用该模型降阶算法开展了可控源电磁法正演模拟.另外,本文利用粒子群算法求解多极点收敛率函数,可以快速获取最优多极点,从而确保正演模拟精度.相比于单重复极点,多重复极点位移逆算法会增加极点计算时间,但能在更宽的频率范围内准确计算电磁场值.根据频率范围选定合适的极点后,该方法仅需要求解与极点数相同的多个线性方程组,通过场源项和系数矩阵求得有理Krylov子空间,再将正演算子投影到有理Krylov子空间中,显著降低正演算子的自由度,提高多频正演的计算效率.设计了均匀半空间和块状异常模型,并开展了算法测试,计算结果表明:在保证精度的情况下,相比于常规矢量有限元算法,单重复极点、双重复极点位移逆模型降阶算法的加速比超过10倍以上;双重复极点位移逆模型降阶算法总体计算精度要优于相应的单重复极点算法,且具有更宽的计算频带.

海洋可控源电磁法与地震全波形二维联合反演研究

为降低单一地球物理反演方法的局限性以及反演中所存在的多解性等问题,开展了海洋可控源电磁法(MCSEM)与地震全波形的二维联合反演研究。MCSEM采用数据空间OCCAM反演算法,地震全波形采用梯度法反演算法,引入交叉梯度函数实现两种物性参数结果的相互耦合;开发出一套二维联合反演算法,并通过3组理论模型算例验证了算法的准确性。研究结果表明:MCSEM联合反演结果相对于单方法反演结果有显著改善和提升,主要体现在异常体的形态刻画、结构构造以及物性数值的恢复,这说明全波形的反演方法能够提高MCSEM反演结果的可靠性。

2.5维频率域可控源电磁法水力压裂监测正演模拟

水力压裂技术在非常规油气资源开采过程中发挥着重要作用,水力压裂监测对指导生产具有重要意义。目前广泛应用的微地震监测不能准确获得水力压裂的有效压裂体积参数,而电磁法对低阻体反应灵敏,可以用来监测裂缝的空间特征和扩展范围。采用频率域可控源电磁法(CSAMT)对水力压裂模型进行了正演数值模拟,详细推导了2.5维CSAMT有限元计算方程并实现了正演数值算法。通过数值解与解析解的对比,验证了算法的可靠性。分别对发射源靠近井口和发射源远离井口两个水力压裂模型进行了数值模拟。为了考察压裂前、后的相对变化,分别求取了各压裂段与仅含套管时的视电阻率相对差异和相邻两个压裂段的视电阻率相对差异。研究结果表明,随着压裂进程的持续,视电阻率的相对差异曲线的极值会朝着裂缝新生成的方向发生偏移,其移动的范围与裂缝的位置具有良好的对应关系,故可以根据视电阻率的相对差异曲线极值的位置对裂缝进行大致定位。根据对视电阻率残差拟断面图的分析可知,在裂缝所对应的位置处,视电阻率产生了足够大的残差数值,虽然由于场源的影响,异常区域的中心与裂缝的中心位置并不一一对应,而是稍微偏向裂缝远离场源一侧的方向,但是可以根据相邻两个压裂段的视电阻率残差结果对裂缝的位置进行初步定位。研究结果表明,频率域可控源电磁法对于水力压裂的裂缝定位是可行的,可以为水力压裂电磁法动态监测提供理论方法和技术支持。

二次场算法对于可控源电磁地形问题的适用性研究

二次场算法常用于处理平坦地形下的可控源电磁正演问题,在海洋可控源领域也得到了广泛的应用。而关于二次场算法能否处理陆地起伏地形区域尚无定论。本文介绍了基于二次场的可控源三维正演算法在起伏地形模型下的建立过程和使用原理。通过电磁理论分析和多种模型的计算实例,分析了二次场算法在地形区域的正演结果异常及其产生的原因。最后通过对模型电导率和离散网格的控制变量实验,验证了二次场算法在地形区域的正演结果异常暂时无法通过有效手段解决。结果表明,在地空模型条件下,二次场正演算法暂时无法适用于绝大部分的起伏地形区域。

融合先验物理信息的高精度智能可控源电磁反演算法

可控源电磁反演利用人工信号获取地下结构信息,为地质勘探和资源开发提供准确的数据支持。然而,传统电磁反演方法面临低分辨率的挑战,主要是由于简化处理和观测数据的限制,导致模型平滑、细节丢失,从而削弱了反演的准确性,影响了电磁勘探的效率。为了解决这一问题,本文提出将传统反演结果与响应数据同时作为深度网络的输入数据,为深度网络反演提供先验物理信息,并结合深度学习算法提升可控源电磁反演的计算效率。通过模型试验,对合成的电阻率模型分别进行了传统反演、智能反演以及融合先验物理信息的智能反演。结果表明,融合先验物理信息的智能反演能够更好地刻画异常体结构特征,有效提升反演效率,并且得到的电阻率参数更符合实际。最后,将该反演技术应用于金川铜镍矿床的可控源数据反演解释,取得了较为可靠的应用效果。

可控源电磁磁场频率梯度一维Occam反演

Occam反演作为一种地球物理正则化反演方法,被广泛使用于求取光滑的反演结果。传统的场值单分量一维Occam反演虽然能够对层状模型有着较好的恢复效果,但是反演结果严重依赖于收发距,通常收发距需要达到数千公里才可获得满意的反演结果。当偏移距过小时反演结果几乎是直线,对模型的电性变化无任何反映。本文对水平电偶极源产生的磁场求取频率梯度,层状模型的梯度值采用高精度差分值进行代替。将磁场频率梯度应用于Occam反演中,大量的反演结果表明,磁场三分量频率梯度的反演结果不会随着收发距而改变,均可以在近场源下很好地恢复模型真实情况,对电阻率的恢复效果优于层厚度。与其他电磁方法一样,反演结果对低阻层更为灵敏,对复杂模型的高阻层的恢复效果不如低阻体。

单船拖曳可控源电磁数据自适应分频匹配滤波消噪方法

海洋可控源电磁法(MCSEM,Marine Controlled-Source Electromagnetic Method)是一种工业化的主动源海洋电磁勘探方法,近年来在海底油气资源探测中收效显著,通过测量海底地下介质的电阻率变化,能够有效降低地震勘探方法的多解性.MCSEM的工作方式主要有单船拖曳与双船拖曳两类.单船拖曳信号具有强时变特征,近、中、远收发距信号强度变化极大.由于海水环境较为复杂,数据受到洋流、背景场、仪器等多种因素干扰,使得小收发距数据信噪比较高,中、远收发距数据信噪比较低,因此MCSEM数据随机干扰压制方法的研究难点在于适应数据的强时变特征.本文利用发射机数据与接收机数据的时间(空间)和频率对应关系,提出基于正则化条件和衰减函数约束的自适应分频匹配滤波方法.该方法首先通过计算原始接收机数据基频的振幅随偏移距变化(MVO,Magnitude Versus Offset)曲线获取衰减函数,然后利用该衰减函数将发射机所有频点数据进行振幅衰减,减低MCSEM发射机与接收机数据对应振幅的强时变差异,最后利用基于整形正则化条件的自适应匹配滤波方法压制接收机数据中的强振幅随机噪声.模型数据与实际数据的处理结果表明,本文提出的方法能够有效压制MCSEM数据中不同收发距的随机噪声干扰,保护具有强时变特征的接收机数据,提升整体数据质量.

基于CNN-GAN组合模型的可控源电磁反演方法

提出一种基于卷积神经网络(CNN)和生成对抗网络(GAN)组合模型的可控源电磁反演方法。为突出异常体信息,将总场进行差分预处理,同时修改损失函数以增强GAN的稳定性。将差分总场送入CNN,得到地面接收电场与地下异常体电导率数据之间的结构化因果关系;输出异常体的粗略电导率模型,再将其作为GAN的输入,在GAN中提取特征进行训练,得到高精准和高对比度的电导率反演结果,以达到工程应用的要求。通过将CNN-GAN组合模型与传统神经网络模型的预测结果进行对比发现,CNN-GAN组合模型优于传统神经网络模型,能够更好地预测地下异常体的电导率模型,相似度高达94.38%,比传统CNN和GAN模型分别提高约48%和78%。

利用体积分方程的弱化BCGS算法模拟各向异性地层中多分量低频海洋可控源电磁响应

基于层状单轴各向异性介质的并矢Green函数和体积分方程的弱化稳定型双共轭梯度(BCGS)算法模拟各向异性背景地层中多分量低频海洋可控源电磁响应,并通过算例分析发射频率、海底背景地层各向异性和异常体埋藏深度对响应的影响特征。结果表明:发射信号的不同频率、电场强度的不同分量对海底油气藏的水平分辨能力不同;当测线沿x方向布设时,Ezz分量的分辨能力最强,Exx分量次之,Eyy分量的水平分辨能力最低;在海底背景地层水平电导率相同的情况下,背景地层垂向电导率的变化对Exx分量和Ezz分量的影响规律不同,而Eyy分量基本不受地层垂向电导率变化的影响;异常体埋藏深度越浅,Exx分量和Ezz分量对异常体的水平分辨能力越高,而无论异常体埋藏深浅Eyy分量均不能对其进行分辨。

基于井中垂直磁场的可控源电磁法深部矿产探测研究

我国浅部可用矿产资源量日益枯竭,如何提高深部矿产探测效果是亟待解决的重要问题。然而对于深部资源的探测,受限于地面地球物理勘探技术的探测精度、深度以及抗干扰能力,传统的电磁法难以在地表准确探测到深部隐伏矿的有用信息。为提高可控源电磁法(CSEM)的分辨率,本文利用矿井作为接收电磁总场响应的测点位置,采集井中垂直磁场数据BZ,获取地下电导体三维空间分布信息。采用有限差分法正演研究不同矿井位置对异常体的正演响应,结果表明矿井越靠近地下异常体边界,响应越大。基于有限内存拟牛顿法(LBFGS)所实现的快速三维反演,进一步证实井中磁场数据可以有效提升对深部空间信息的识别。最后,井中磁场数据与地面磁场数据结合起来实施的联合反演,实现了从浅到深的高精度成像,为实际深部矿产勘探提供了理论支撑。

海洋可控源电磁法三维模拟电性模型研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)是实现海洋油气圈闭评价和精确勘探的有效手段。目前,关于准确、高效、稳定的MCSEM数据三维正演模拟研究已取得长足进步。文中针对MCSEM正演的三维精确建模,从海洋地层岩石分类特征出发,细化三维网格电性表征,建立基于孔隙度和岩石物性特征的网格单元函数,给出了海洋可控源电磁回路中包括铜棒电极的网格单元和海水层、海底沉积层、油气储层及其盖层等五种类型介质的电阻率表征,同时通过对上述五类介质的频散测试数据进行复电阻率等效模型拟合,进一步获得其复电阻率最优表征。考虑储层岩石孔隙度及海水分层特征、充分利用已知信息的建模方法能够提高三维模拟精度,为直接反演储层含油饱和度提供了一种思路,这必将推动MCSEM在油气勘探领域更广泛的应用。

海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用

海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测,本文从方法原理出发,采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术,设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机,实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机,在琼东南海域进行水合物勘查,采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演,获得了研究区海底的电阻率模型,结合地震资料,对高阻异常体进行推断解释,其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.

南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验

为了测试我国自主设计与研发的海洋可控源电磁仪器性能及其在水合物探测中的适用性,本文从海洋可控源电磁法基本原理出发,首先根据试验海域水合物地质特征,建立简化地电模型开展理论研究,确定海洋可控源电磁试验的技术方案;利用研发的海洋可控源电磁仪器,在南海天然气水合物远景区开展探测试验,首次获得了我国深水海域的海洋可控源电磁数据.通过对采集数据进行处理与反演,获得了试验剖面的海底电性结构模型,揭示了4号测点下方存在一个50m厚的高阻层,其电阻率为25Ωm、顶部埋深为181m,为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料.研究结果表明,自主研发的海洋可控源电磁仪器性能达到了预期的设计指标,这标志着我国海洋可控源电磁探测技术向实用化进程迈出了重要一步.

基于电场矢量波动方程的三维可控源电磁法有限单元法数值模拟

从可控源电磁法的基本原理出发,推导了基于电场矢量波动方程的三维边值问题,利用广义变分原理,把边值问题转换为变分问题,并引入散度条件,避免了伪解的出现,使有限元计算在理论上更加完备.在准静态近似条件下,把水平电偶极子在空中和大地的远区电场闭合表达式作为有限元计算中的区域外边界条件,解决了边界条件加载的困难;把应用于地震模拟中的伪delta函数引入到可控源电磁法中的三维有限元模拟中,消除了源点的奇异性,提高了方程组的稳定性.通过对均匀大地和层状介质模型的模拟,检验了程序的正确性,并对典型的地质体模型进行了数值模拟,分析了其变化规律.

基于并行化直接解法的频率域可控源电磁三维正演

电磁法的三维数值模拟是一个对数值算法和计算机硬件要求都非常高的问题.对常用的微分类方法如有限单元法和有限差分法而言,求解最后所得的大型线性方程组是至关重要的一步,直接影响到正演算法的实用性.如何高效、稳定且准确地解线性方程长期以来一直是被探讨的问题.本文实现了基于线性系统直接求解技术的频率域可控源电磁(CSEM)三维正演.使用交错网格有限体积法(FV)来离散化关于二次电场的Helmholtz方程;使用直接解法取代传统的迭代解法来求解离散线性系统,即对系统矩阵进行完全LU分解,具体通过调用大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)来实现.基于理论模型做了一系列数值实验,首先证明了直接解法的高精度和稳定性,并考察了其内存需求、计算时间和并行可伸缩性等主要计算性能,最后检验了所开发的算法快速模拟多场源CSEM问题的能力以及对常规海洋和陆地CSEM模拟的有效性.

数据类型对三维地面可控源电磁勘探效果的影响

本文基于考虑人工场源辐射的可控源地面电磁勘探三维数值模拟技术,以目前常用的标量可控源音频大地电磁勘探测量方式为依据,讨论地面可控源三维电磁勘探中,为达到最佳的探测效果,如何选择合适的反演数据类型.地面可控源数据的三维反演采用有限内存拟牛顿方法.反演过程中,三维可控源频率域响应数值计算采用交错网格有限差分法,求解基于二次电场的Helmholtz方程.发射装置采用长度为1000m的有限长直导线源,测量频率为10Hz;测点个数200个,分布在10条剖面上.在异常体分布区分别观测(1)电场Ex分量的振幅和相位,(2)Ex振幅,(3)Ex与Ey分量的振幅和相位,(4)Ex与Hy的振幅和相位.反演的数据类型分别为上述4种数据以及导出的阻抗Zxy振幅和相位.反演模型由30×30×20个网格组成,测区内水平方向大小为50m×50m,垂直方向厚度为50m,最后5层厚度倍增.反演都从均匀半空间开始,迭代120次结束.数值模拟结果发现,(1)单个电场分量Ex,其相位信息对异常体信息提取非常重要,若只反演该电场振幅,深部电阻率分辨率低;(2)观测正交电场的效果比单个电场分量效果好,其浅部异常的边缘效应明显减弱,深部异常形态完整;(3)同时观测正交的电场和磁场,反演效果与只观测电场振幅和相位的相当;(4)从阻抗数据反演得到的异常位置和电阻率分布均有较大的改善,反演模型分辨率最好.因此,在理论上,建议在野外数据采集时,最好测量正交电磁场;次之,同时测量正交的电场;最次的,可以只观测电场Ex的振幅和相位,亦可取得较足够的信息.但如果只能获得电场的振幅信息,反演结果的深部将出现较大的不确定性.

电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟

现有海洋可控源电磁三维数值模拟方法大多基于电导率各向同性介质理论,不能模拟海底地层电导率各向异性的实际情况.本文给出了电导率各向异性三维介质中电性源海洋可控源电磁二次电场的边值问题以及相应的变分问题,采用长方体单元对研究区域剖分,将场分量定义在剖分单元的边上,利用矢量有限单元法求解变分问题,实现了电导率任意各向异性海洋可控源电磁三维矢量有限元数值模拟.这个新的正演方法可以计算电导率任意各向异性三维地电模型的海洋可控源电磁响应,基于二次场矢量有限元法直接求解电磁场,避免了传统有限元方法可能遇到的伪解问题和难于处理电场法向分量不连续的问题,提高了数值模拟计算精度.一维电导率各向异性模型电磁场数值解与解析解吻合得相当好,无论在源附近还是远离源处相对误差均不超过1%.电导率各向异性二维模型的计算结果与已有文献采用的非结构有限元模拟结果十分吻合.三维地电模型数值模拟结果显示,电导率各向异性张量电导率主轴分量和欧拉角对不同装置海洋可控源电磁响应均有着明显的影响.