井地电法的准解析近似三维反演研究

研究复杂地电模型上的井地电法三维反演一直是一个具有挑战性的课题。本文在准解析近似和重加权正则化的共轭梯度法的基础上,用visualFortran6.5开发了井地电法三维准解析近似反演程序。反演过程中的正演和Frechet导数矩阵计算都应用准解析近似大大提高了计算的速度。通过理论模型的合成数据反演试算,说明基于准解析近似法和加权正则化的共轭梯度法的井地电法三维反演程序有着计算速度快,反演精度高等特点。     

井地电磁法三维正演模拟和Born近似反演

本文提出一种数值模拟井地电磁法的方法。用体积分方程法对层状介质中的垂直长导线源三维电磁响应做了三维模拟。模拟的结果与解析解对比误差很小,说明算法是正确的。开发了井地电磁法Born近似反演程序,理论模型合成的数据反演结果非常好。     

大地电磁法三维快速松弛反演

实现大地电磁法快速三维反演的关键在于找到快速计算灵敏度矩阵的方案. 本文在对大地电磁三维张量阻抗表达式进行深入分析的基础上，获得了三维快速松弛反演算法的灵敏度函数表达式，解决了三维快速松弛反演的核心问题；为了减小反演解的多解性，针对三维问题定义了最小构造函数，实现了求最小构造的三维快速松弛反演算法. 对二维棱柱体、三维棱柱体理论模型的大地电磁合成数据进行了反演试算，反演结果与理论模型相吻合. 对日本Kayabe地区实测资料进行了XY模式反演，反演得到的地电模型较好地反映了地热资源的分布. 反演试算结果表明大地电磁三维快速松弛反演具有计算速度快、结果稳定可靠等特点；使三维快速松弛反演在普通微机上得以实现.     

线源三维井地电法异常边界增强及地形校正技术

基于非结构网格有限元方法开展了三维复杂地电模型的线源井地电法的高效正演模拟研究,探讨了通过求取电场响应导数来刻画目标体边界范围、采用差异场地形校正技术来消除地形影响等措施对井地电法成像的效果和精度的影响。并通过对比与解析解,验证了本文数值解算法的有效性。模型计算结果表明：积水巷道的空间位置和走向均会引起视电阻率的显著变化,视电阻率变化率的极值准确且清晰地指示了巷道边界的位置;电位的归一化总水平导数极大地提高了井地电法对目标体复杂边界位置的识别能力;地形对井地电场分布的影响也很大,其视电阻率响应与地形形状近似呈对称关系,利用差异场技术能有效地削弱地形对井地电法高精度成像的影响。     

大斜度井和水平井井地三维电阻率数值模拟和联合反演

井地电阻率成像法利用井套管作电流源向井下供入大功率直流电流,在地表测量由地下介质的电性变化形成的电位分布,通过反演可得到地下介质的电阻率分布.针对大斜度井和水平井开展井地三维电阻率数值模拟和反演研究,对油田注水及压裂效果监测具有重要意义.基于井地电阻率成像法原理,采用有限差分法和不完全切勒斯基共轭梯度法进行了三维正演模拟,研究了大斜度井和水平井的井地电位响应特征.提出了采用层状约束阻尼最小二乘法由浅到深地进行大斜度井和水平井的多层联合反演,并对实际水平井井地电位各个层段数据进行了三维反演.模拟结果表明,倾斜线源和水平线源会对地面电位响应产生明显影响,在反演中需要考虑线源形态.实际水平井井地电位反演成像表明,考虑倾斜线源或者水平线源的联合反演得到了准确的水平井三维注水层成像图,得出注水层的真电阻率分布,能够判断注水运移方向.     

远距离井间电磁成像测井快速反演算法

远距离井间电磁成像方法可以实现500 m以上地层剖面成像,在资料反演中反演地层的精度以及速度是研究的重点和难点.本文提出利用格林函数方法取代差分近似方法计算雅克比矩阵的快速算法,通过与全空间差分近似法对比,验证了快速雅克比矩阵算法的正确性,格林函数方法极大地提高了反演成像效率;通过建立地质模型进行仿真,验证了格林函数方法求取雅克比矩阵的高斯牛顿反演算法完全可应用于远距离井间电磁成像,实现了对二维地层电参数以及边界位置的确定.反演速度是差分近似法的数十倍.     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

地震资料约束下大地电磁资料反演

应用地震资料约束下大地电磁资料反演古潜山或基底内部结构的新方法. 首先利用地震及井资料,反演得到古潜山或基底之上各层的厚度及电阻率,建立了古潜山或基底以上的地电模型;并利用大地电磁一维反演资料,建立了古潜山或基底及其以下的地电模型. 在初始模型建立的基础上,应用高效快速的二维大地电磁正演算法——模式匹配方法,进行正演计算. 利用共扼梯度迭代方法,进行正反演迭代计算. 通过对胜利油田南北618剖面反演, 基底以下在地震资料没有显示的构造信息,在反演结果中得到了较好地反映.      

三维井间电磁场的正反演计算

提出了一种计算体积分方程的方法－改进型局域非线性迭代（MLNI），并用其对三维井间电磁场进行反演计算，该方法将井间大尺度散射体分为近场和远场区域两部分，它们的位置和尺寸均随场点位置的变化而改变，采用局域非线性近似计算近场区域的影响，将远场区域的影响作为外部激励源，采用迭代方法计算，该方法具有计算速度快，所需内存量少，收敛性好的优点，在反演中采用基于MLNI的非线性反演方法，利用这种方法可以将成像区域集中于一定范围内而不是整个三维空间，该反演方法由于考虑到了雅可比矩阵元素的非线性项，因而与传统的Born迭代反演方法相比更为精确和稳定，考虑到信息量和计算机内存的限制，第1次成像采用双重体元分割法进行较粗略的成像，然后缩小成像范围进行第2次较精确的成像，数值计算结果表明，MLNI是一种有效的计算井间大尺度异常体散射场的方法，将该方法用于反演过程能够得到较高分辨率的三维井间电导率图像。     

不同激励源井地电位成像技术三维正反演方法研究（英文）

井地电位成像是通过套管向井中供电或将电源放在井中,在地表观测电位异常的一项技术,其供电源有线源和点源两种类型。为了研究这两种电源对地下异常体产生的电位异常特征,本文针对不同激励源,采用有限差分方法进行数值模拟研究,在线性方程组求解电位时引入不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)迭代方法,分别实现了点源和线源井地电位成像技术的三维正演。最后,基于阻尼最小二乘法实现了井地电位成像技术的电阻率三维反演。设计不同地电模型分别进行正演和反演试算,正演结果表明,供电电源的类型不同,异常体在地表的电位异常特征也不同;反演结果表明,低阻体的反演结果要好于高阻体,点源置于异常体下方时反演的电阻率对异常体边界的识别比线源更加准确。     

An application of three-dimensional electrical resistivity imaging for the detection of an underground waste-water system

A 3D electrical resistivity imaging survey is presented in this paper. The objective was to investigate an underground wastewater system at the University of Malaya, Malaysia. Apparent resistivity data were collected along ten parallel lines using a Wenner-Schlumberger configuration; electrode cables were oriented in the x-direction with 3 m spacing. Roll-along measurements using a line spacing of 3 m were carried out covering a grid of 20 × 10 electrodes. All data sets were merged into a single data file in order to perform a 3D inversion. Two different 3D least squares algorithms, based on the robust inversion method and the smoothness-constrained technique, were used for the inversion of the apparent resistivity data. Both the horizontal and vertical extents of the anomalous zones found by inversion are displayed. The results indicate the superiority of the robust inversion method over the smoothness-constrained technique at this site. The results are in sufficient accordance with previously known information about the investigation area. The results show that 3D electrical resistivity imaging surveys, in combination with an appropriate 3D inversion method, can be highly useful for engineering and archaeological investigations as well as for environmental applications.     

瞬变电磁虚拟波场二阶Born近似成像算法

依据瞬变电磁扩散场与虚拟波动场之间的数学表达式,通过波场反变换得到虚拟波场,进而借用地震勘探上成熟的成像方法定位地质界面的位置以及形态.本文首先将时间域波动方程转换为频率域波动方程,将总波动场分为背景场和散射场、总波速分为背景速度和扰动速度,然后运用Green定理得到了散射场关于地质界面速度扰动量的表达式,并使用Bor...     

井间电磁成像的迭代反演算法

提出一种基于逐次逼近解法的选代反演算法,对并间地层电导率的构造进行成像．该方法用一阶Ｂｏｒｎ近似将积分方程线性化,得到对电导率分布的初始估计,在选代反演中用高阶Ｂｏｒｎ近似对井间地层电导率构造进行更精确的估计．应用该方法还可以对井间电子率分布进行二次成像,从而使成像分辨率更为准确．数值计算结果表明,这种迭代反演算法与基于Ｂｏｒｎ近似、二阶Ｂｏｒｎ近似和扩展Ｂｏｒｎ近似的反演算法相比提高了成像分辨率,且计算效率相当．     

Use of four-electrode arrays in three-dimensional electrical resistivity imaging survey

The objective of this paper is to investigate the applicability of four-electrode arrays in 3D electrical resistivity imaging survey. A 3D resistivity imaging survey was carried out along fourteen parallel lines using dipole-dipole, Wenner-Schlumberger, and Wenner arrays with 2 m minimum electrode spacings. Roll-along measurements using a line spacing of 1 m were carried out covering a grid of 20 × 14 electrodes. The 3D least squares algorithm, based on the robust inversion method, was used in the inversion of the 3D apparent resistivity data sets. The results show that the 3D electrical resistivity imaging survey using the Wenner-Schlumberger and the dipole-dipole arrays, or the Wenner and the dipole-dipole arrays, in combination with an appropriate 3D inversion method, can be highly useful when the site conditions do not allow using the pole-pole or pole-dipole arrays.     

基于不等式约束的三维电阻率探测混合反演方法

三维电阻率探测的线性反演和非线性反演中均存在着多解性的固有难题.电阻率线性反演方法的效率较高,但反演结果对初始模型的依赖性较强,易陷入局部极小;而非线性反演方法不依赖初始模型,但搜索效率极低,尚未见到关于三维电阻率非线性反演的文献.针对上述问题,融合线性与非线性反演方法的互补优势,提出了最小二乘法(线性方法)与改进遗传算法(非线性方法)相结合的混合反演方法的概念和思想.首先,提出了将介质电阻率变化范围作为不等式约束引入反演方程的思路,以实现压制多解性、提高可靠性的目标.提出了宽松不等式约束和基于钻孔推断的局部严格不等式约束的获取及定义方法.在此基础上,分别提出了基于不等式约束的最小二乘线性反演方法和遗传算法非线性反演方法.其次,对于遗传算法在变异搜索方向控制、初始群体产生等方面进行了改进,优化了其搜索方向和初始群体多样性.然后,提出了混合反演方法及其实现方案,利用改进遗传算法进行第一阶段反演,发挥其对初始模型的依赖程度低的优势,搜索到最优解附近的空间,输出当前最优个体;利用最小二乘法进行第二阶段反演,将遗传算法得到的当前最优个体作为初始模型,在最优解附近空间执行高效率的局部线性搜索,最终实现地电结构的三维成像.最后,开展了合成数据与实际工程算例验证,与传统最小二乘方法进行了对比,发现混合反演方法在压制多解性、摆脱初始模型依赖和提高反演效果方面有较好效果.     

基于Born散射理论的二维黏声介质高斯波束正演

Born散射理论可以通过省略高阶项实现针对一次散射波场的模拟.在这一理论的基础上,本文提出了一种针对二维黏声介质的一次散射波场高斯束Born正演方法.在该方法中,格林函数通过一系列不同初射方向的高斯波束累加获得,可以计算多至走时波场,保证了正演算法的计算精度.同时为了提高计算效率,正演方法使用了wavelet-bank方式合成局部平面波.区别于针对声波介质正演的wavelet-bank使用方法,文中将介质黏滞性信息融入了局部平面波的wavelet-bank合成方法中,以此实现针对黏声介质的快速一次散射波场模拟.两个模型的计算结果表明:本文提出的黏声介质高斯波束正演方法具有良好的计算精度以及较高的计算效率.     

白龙江流域隐伏活断层的电性特征研究及分类

白龙江流域构造位置特殊,新构造活动极为强烈,而针对本区隐伏活断层勘查的研究较少。高密度电法灵活高效、便于实施,非常适合地形复杂的白龙江流域,但在复杂地质环境下存在着严重的多解性问题。基于大量地球物理数据对该流域隐伏活断层的电性异常特征进行研究,并按照电性异常发生位置及特点将隐伏活断层的电性特征分为五类,可作为断层识别依据的有四类,主要表现为"高(低)阻背景、低(高)阻条带"的电性特征;电性异常难以识别的原因主要由"野外布设"与"地质背景"两类情况造成,每类中又包含多种影响因素。文章的研究成果显示,白龙江流域隐伏活断层的电性异常响应有迹可循,部分可以作为定性或定量描述隐伏活断层的依据,从而为高密度电法在本区隐伏活断层的勘查中提供重要的参考价值。     

利用阵列感应测井仪信号反演非均匀分布地层电导率

基于非线性积分方程,利用井轴上阵列感应成像测井仪（AIT）的单频测量信号,将变形玻恩（Bom）迭代方法用于地球物理测井反演,用正则化方法求出地层电导率分布。文中首先给出对于未知电导率分布的非线性积分方程,然后用玻恩近似使非线性积分方程线性化,求出电导率分布。在迭代过程中,数值模式匹配法用于求解阵列感应的正演问题。数值计算表明,用井轴上 AIT 的单频测量信号得到的成像结果与真电导率剖面分布吻合较好。