基于改进高斯-牛顿优化算法的频率域海洋可控源电磁二维反演

稳定、高效的反演算法是开展海洋可控源电磁(CSEM)数据解释的基础.本文实现了基于改进的高斯-牛顿优化算法的频率域海洋CSEM二维反演.基于交错网格有限差分法实现可控源电磁场2.5维正演模拟,使用直接矩阵分解算法求解差分离散方程组以实现多场源电磁响应的快速计算,并采用改进的接收点插值算法实现海底任意接收点处电磁场快速高精度计算.使用伴随法隐式求取灵敏度矩阵并基于近似二次收敛的高斯-牛顿优化算法实现反演,同时提出了一种基于灵敏度矩阵特征的正则化参数自动优化选取方法以保证反演的稳定收敛.反演算例验证了本文提出的频率域海洋CSEM二维反演算法的有效性.

考虑海底地形的三维频率域可控源电磁响应有限体积法模拟

为了提高海洋可控源电磁的地形响应模拟精度,探讨了三维交错网格剖分有限体积法求解频率域电磁场解的数值方法.在似稳场近似条件下,推导了有限差分法和有限体积法低频电磁场控制方程的离散表达式.通过对离散表达式的分析比较表明,有限体积法较之有限差分具有更高的计算精度,同时也具有与有限差分相当的计算效率.对含地形界面网格单元电导率采用加权平均处理,通过与二维有限元程序的计算结果对比,验证了该方法可以有效提高有限体积法对地形变化的模拟精度.应用有限体积法计算了一个三维带地形储层模型的可控源电磁响应,分析表明地形变化对电场分量影响明显,磁场分量对地形变化不敏感.

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.

不同海洋可控源电磁法对海底低阻目标体的探测能力对比分析

深海低阻热液硫化物矿海洋可控源电磁法勘探主要采用时间域海底中心回线或重叠回线装置。以往对不同海洋电磁勘探装置探测能力的对比研究主要针对海底高阻油气藏目标体,而对于深海低阻目标体探测能力的讨论和分析较少。为此,研究对比了频率域和时间域深拖拽发射-接收装置对深海低阻目标体的探测能力,通过计算典型深水域三维低阻目标体模型的电场响应、归一化电场响应和空间中电场分布特点,分析了两种不同海洋电磁方法的应用效果,得到以下结论:(1)频率域和时间域深拖拽发射-接收装置均能探测到深海三维低阻目标体的电场异常;(2)对于典型的深海低阻目标体,频率域电磁法的异常幅值大于时间域电磁法。

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。

可控源音频大地电磁测深法在地热水找矿勘查中的应用

贵州省荔波县处于扬子准地台黔南台陷贵定南北向构造变形区的有利空间部位,该变形区发育一系列高温地热水资源,具有集中开发绿色清洁能源的优势。针对该区域热源异常区普遍埋藏深的特征,采用可控源音频大地电磁测深法对深部热源场和导热构造等进行了预测。结果表明:①研究区地表无明显的地热异常显示,但根据地质条件等综合认为该区域具有寻找深部热水的条件;②通过可控源音频大地电磁测深验证了该区域深埋的3条断裂构造,其低阻体的空间分布及延伸特征与耕者倒转背斜吻合,下部F 2上盘与其接触部位、低阻碎屑岩层下部存在的宽缓次低阻带,为研究区主要储水储热有利部位,是进一步勘查的重点靶区;③储水有利部位为埋深2000~2800 m的次低阻带,同时钻孔还应充分考虑F_(2)、F_(5)断裂在深部的空间展布情况。

海洋可控源电磁法几类偶极源探测海底高阻薄层的分辨率分析

针对海洋可控源中几类典型偶极源发射装置,建立各向异性地层高阻油气藏模型,采用基于格林函数的海洋一维地层解析方法,借助电磁场的互易性质,计算得到不同偶极源激发的电磁响应曲线。分析了不同偶极源的电磁响应特征,比较了各电磁场分量振幅和相位归一化曲线幅值。结果表明:垂直电偶极子源的各场的振幅归一化曲线对异常的反应最大,水平电偶极源对高阻层的分辨率高于垂直磁偶极源,水平电偶极源的轴向观测模式和水平磁偶极子源的赤道观测模式均有较好的分辨率,这两种模式下测量的与测线平行的电场和与测线垂直的磁场的分辨率最佳,且存在着最佳收发距,相位也有着近似相同的变化规律。

可控源音频大地电磁法电阻率与阻抗相位双参数综合判定煤矿双层采空区

地下煤层开采后形成的采空及塌陷会给周围生态环境造成破坏,但目前对于煤矿双层采空区,特别是第二层采空区的探测效果并不理想。针对这一难题,采用高效率可控源音频大地电磁仪采集数据,利用电阻率和阻抗相位双参数综合判断划定采空区:当含水采空区位于浅层时呈现低阻特征,电阻率会出现阴影效应,导致上层目标体的异常范围扩展,不利于下层高阻采空区的识别,而阻抗相位的阴影效应和静态效应均比较小,对于下层采空区的反映比较明显。理论模型测试结果表明,电阻率和阻抗相位双参数结合,可有效判定浅部含水采空区和深部未充水高阻采空区。采用该方法,对陕北侏罗纪煤田神府矿区的双层采空区进行了解释,结果表明该方法推断结果可靠,达到了预期勘查效果。该方法为可控源音频大地电磁法在煤矿双层采空区勘查中的应用提供了新思路,具有良好的技术推广价值和借鉴意义。

基于虚拟波场的可控源三维电磁法正演

根据扩散场和虚拟波场的变换关系,将频率域电磁扩散方程转换成虚拟域的波动方程,实现了虚拟波场的电磁场数值计算。在边界的处理上,通过引入复频率完全匹配层吸收边界条件,降低了内存的存储量。将空气层包含在计算域中,避免了地—空界面的复杂处理。通过与均匀半空间解析解对比,其相对误差在3.5%以内,验证了算法的有效性和正确性。最后通过典型地电模型的数值模拟表明:通过一次正演可以获得多个频率的三维电磁响应,提高了计算效率。虚拟波场计算的视电阻率对场源效应不敏感且对异常体的边界具有较好的识别能力。

可控源音频大地电磁法在磷矿勘查中的应用

贵州省瓮安县登科磷矿深部具有良好的找矿前景,但由于含矿岩系陡山沱组埋深大、与顶底板地层电性差异不明显,常规物探方法难以有效识别含矿岩系。通过可控源音频大地电磁测深(CSAMT)结合电场梯度的方法来解译含矿岩系,并实施钻探进行验证。结果表明,陡山沱组与上覆灯影组整体为高阻区域,采用CSAMT二维反演和电场梯度方法,解译陡山沱组位于该高阻区域下部电阻率等值线由密变稀、垂向偏导数为极小值的区域,与钻探结果吻合较好。该研究说明CSAMT结合电场梯度方法在深部磷矿勘查中应用效果较好,可为类似的深部找矿场景提供借鉴。

可控源音频大地电磁法在地热调查中应用效果探讨

地热资源作为集热、矿、水为一体的绿色液体矿产资源,又是一种取之不尽用之不竭的可再生清洁能源,目前在旅游、养身、医疗等领域中发挥了重要的作用。地热资源一般都存储较深,且多与深大的断裂构造有关,断裂构造即是导水通道,同时有可能也是良好的导热载体,因此在地热资源的调查过程中,寻找有利的断裂构造有着非常重要的意义。近年来,对于深大断裂构造的探索调查,可控源音频大地电磁法(简称:CSAMT)使用的十分广泛,且效果良好。本文也通过实例着重介绍CSAMT方法在寻找深大断裂构造,从而发现地热资源中的应用,后期经钻探揭露,也验证了该方法的有效性与可靠性。

可控源音频大地电磁法在徐溪地热勘查中的应用

江西省赣南地区具有一定规模的地层为震旦系、寒武系、泥盆系、白垩系,其余地层呈零星状分布。赣南地区构造运动强烈,形成较多的地热水,是我国地热资源开发利用的重点地区之一。可控源音频大地电磁法(CSAMT)是通过观测人工产生的音频电磁场的方向、场强和频率的变化,对研究区地球物理特征与人工控制形成的电磁场关系结合地质成矿模型进行研究的一种电磁勘探方法。该方法以观测地下电阻率差异为勘查基础,具有工作效率高、探测深度大、水平分辨能力高、抗干扰能力强等优点。近年来,CSAMT方法广泛应用于地下热储识别及控热构造推断等方面,取得了较好的效果。笔者以寻乌县徐溪地区为研究对象,浅析CSAMT在地热水勘查中的应用和取得的成果。

用于海底电导率填图的可控源时域电磁法

对近十年来发展起来的海底电磁法作了综述，重点放在可控源时间域上。类似于航空电磁法可对陆地上的经济带进行电导率填图一样，可控源海底电磁法也可在数十米的范围内对海底进行电导率填图。海底的电导率通常远小于海水的电导率，理论研究表明可控源时域水平电偶极子及水平磁偶极子系统能用来精确地确定海底的电导率。这两种装置对两个半空间的响应会在时间轴上出现两个峰值。早期的第一个峰值在时间轴上的位置可以直接用来确定海底的电导率，代表了电磁波在海底的传播；而晚期的第二个峰值代表电磁波在海水中的传播，亦可用来确定海水的电导率。该文概述了可控源时域海底电磁法理论方面的主要研究成果，同时也讨论了海底电磁法的仪器设备，特别介绍了多伦多大学物理系研制的时域水平磁偶极子及水平电偶极子海底观测系统。

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.

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.

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布特征.研究发现,对于发射源水平摆动和倾斜造成的海洋电磁观测数据的畸变,其分布规律取决于接收机所在区域.以发射频率1Hz为例,对于由发射源水平摆动或倾斜导致的地球坐标系中的两个等效电偶极子分量产生的水平电场Ex,在旁线区域,二者的相位差约为360°,接收机接收到的电场信号约为两个偶极子场之和;而在同线区域,二者的相位差接近于180°,接收机接收到的信号为两者之差.在两个区域的交界处,发射源姿态对电磁信号影响最大.相比之下,发射源水平摆动只改变发射源的位置,不会改变源的性质,其影响主要发生在收发距较小的区域.本文的研究成果有助于海洋电磁系统设计时确定发射源姿态变化的参数指标,同时也为未来实际海洋电磁观测时分析和校正发射源姿态变化造成的观测数据误差提供理论基础.

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.

三维频率域可控源电磁法有限元-无限元结合数值模拟

针对传统的三维频率域可控源电磁法有限元数值模拟数据量大、耗费时间长的问题,引入无限单元来取代施加在外边界上的人工边界条件。电磁场在无限单元内扩散至无限远处,并最终衰减为0。由此,有限元剖分区域的范围被大幅减小,总自由度数相应降低,计算速度随之加快。数值模拟结果表明:采用本文提出的有限元-无限远结合算法后,有限元网格化区域不到原先的1%,自由度总数减少约33%,求解时间节省约25%,计算精度与大范围下施加Dirichlet外边界条件的有限元结果相当。