用有限差分法计算各向异性介质中多分量感应测井的响应

感应测井电阻率是砂泥岩储层中定量评价含油气性的主要参数之一,然而由于储层电各向异性的存在,传统的感应测井仪得到的电阻率主要响应地层的水平电阻率,比地层的垂直电阻率小,由此计算的含水饱和度偏高．多分量感应测井则可以通过不同方向的发射和接收,测量多个分量,弥补上述缺陷,为储层的含油气性评价提供准确信息．本文用交错网格有限差分法导出了主轴各向异性介质中Maxwell方程的离散化关系式,计算了三维各向异性介质中多分量感应测井的电磁响应．利用三层模型的数值模拟,分析了不同磁场分量对各向异性介质的响应特性,用多层模型和倾斜各向异性地层的响应计算检验了所编制的交错网格有限差分法程序．     

海洋直流电阻率法各向异性正演模拟研究（英文）

受沉积环境影响,海底地层层理发育,各向异性介质更接近于真实海洋地质条件。对海洋各向异性研究可更好认识海底构造特征,有效地进行海底资源勘查。本文从各向异性麦克斯韦电磁方程出发,根据电磁场的无源特征引入标量位函数;利用电场和磁场的连续性分别向海底深部和海水中延拓,并将延拓后的电磁位函数在海底耦合到发射源上,从而实现海底电场和磁场的递推求解。我们首先探索如何利用海洋电阻率法识别和求解海底电各向异性特征。研究发现海底各向异性可从视电阻率测深曲线和海底视电阻率极性图进行求解。进而,我们通过海底各向异性地层中高阻体(油气藏)模型进行正演模拟,发现海洋电法视电阻率在浅水区对地下高阻薄层有明显的异常反应。相比海洋可控源电磁法,海洋直流电法不受空气波影响,在浅海区油气资源勘查有着较好的优势,而前人大多基于各向同性模型进行研究,本文实现一维海洋直流电阻率法各向异性正演模拟,算法计算精度高,能很好的为二维、三维正演模拟提供理论参考。     

一维电阻率各向异性对海洋可控源电磁响应的影响研究

地下介质的电阻率常常表现为各向异性,海底裂隙地层和层状沉积序列可能形成宏观电阻率各向异性.在解释海洋电磁资料时,电阻率各向异性的影响不应该被忽略,否则可能会得到错误的海底地电模型.作者编写了电阻率任意各向异性一维层状介质海洋可控源电磁场计算程序,计算了电阻率各向异性层状模型的海洋可控源电磁响应,讨论了覆盖层和高阻储层分别具有电阻率各向异性时的电磁场响应特征.     

用磁流源并矢Green函数的递推矩阵方法计算层状各向异性地层中多分量感应测井响应

采用递推矩阵方法计算各向异性介质的磁流源并矢Green函数,并利用上述并矢Green函数对层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井的响应进行数值模拟,分析了线圈距、层厚、倾角和围岩对多分量感应测井响应的影响.计算发现,共面视电导率比共轴视电导率变化规律复杂,不能反映地层电导率的真实情况.各向异性地层共轴视电导率随井眼相对倾角的增加而减小,而共面视电导率随井眼相对倾角的增加而增加.仪器的垂向分辨率、围岩各向异性对目的层响应的影响程度取决于线圈距,围岩各向异性对高电导率目的层中测井响应的影响大于对高电阻率目的层中测井响应的影响.     

电磁波电阻率仪器的基本理论及其在随钻测量中的应用

采用递推矩阵方法计算径向成层介质的Green函数并将其作为电磁波电阻率仪器的基本理论.根据圆柱形层界面处电场和磁场的连续性条件得到确定待定系数的矩阵方程组并通过递推方法快速求解.只需改变方程组中源项元素的位置,就可以方便地得到当源点和场点在任意层时的Green函数,形式简洁、易于编程.采用将变型Bessel函数的指数项单独列出的方式有效地解决了Green函数计算中的上溢问题.用上述Green函数对随钻电磁波电阻率测量仪器进行数值模拟,分析了钻铤的影响规律、井眼校正方法、仪器的径向探测特性和垂向分辨率.所得到的结论可为随钻电磁波电阻率测量仪器的研制和使用提供理论指导.     

随钻方位电磁波地层参数响应敏感性分析

随钻方位电磁波仪器往往采用倾斜或水平天线,使测量结果具备方位特性以满足地质导向需求.不同的天线组合可以测量不同的电磁场分量,不同电磁场分量对地层参数的敏感性不同.通过数学建模,模拟不同电磁场分量对地层界面方位、相对井斜角、电阻率各向异性等地层参数响应的敏感性.模拟结果表明:在可测量的九个电磁场分量中,电磁场分量xx、xy、xz、yx、yy、yz、zx、zy都能准确反应地层界面方位,其中分量xx、xy、yy、yx的层界面方位响应周期为π,xz、yz、zx、zy层界面响应周期为2π;九个分量对电阻率各向异性都有一定敏感性,不同分量在不同相对井斜角条件下的敏感性不同;交叉耦合分量xz、yz、zx、zy在大斜度井水平井中相对井斜角有很好的响应敏感性.模拟分析方位天线对地层参数的响应敏感性可以为方位电磁波仪器设计和资料解释提供理论依据.     

层状各向异性介质海洋可控源电磁场灵敏度计算及特征分析

海洋可控源电磁(CSEM)方法已广泛应用于地质构造研究以及海底资源探测,但其在各向异性地层中的分辨能力依然不明确.灵敏度分析是一种分析电磁场对探测目标分辨能力的有效方法,传统的地球物理反演方法也需要精确计算电磁场关于地下介质电阻率的灵敏度.在模拟和解释海洋CSEM资料时,地球物理数值模拟常在笛卡尔直角坐标系下进行,且通常假定发射源为理想的水平电偶极源.然而,在实际的海洋可控源电磁勘探作业中,由于海水运动等影响,发射源可能会发生旋转和倾斜等.复杂姿态的电偶极源可通过计算并矢量叠加三个正交方向发射源分量的电磁场以获得总电磁场,因此需三个正交方向电偶源电磁场的计算方法.本文推导了笛卡尔直角坐标系下,电阻率垂直各向异性介质中三个正交方向电偶极源电磁场表达式,并详细导出了电磁场分量关于各向异性电导率的灵敏度解析表达式.通过与各向同性算法对比,验证了本文所提出灵敏度计算方法的正确性;模拟了不同方向电偶源情况下地电模型的灵敏度并分析其特征.计算结果表明,薄层将显著影响地下介质各向异性电阻率的灵敏度分布,垂直电偶源对海底地层各向异性电阻率的分辨能力高于水平电偶源,通过反演各向异性率间接恢复低灵敏度的各...     

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分（FDTD）算法

利用三维时域有限差分技术（FDTD）研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域Maxwell方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条件（UPML）被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上,利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法（2E2U）从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后,通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.     

水平多层大地上垂直磁偶极频率测深的全波视电阻率

本文根据视电阻率定义的原则,以及用不同的场量定义的视电阻率效果不同这一事实,提出一种新的全波视电阻率定义.在全区同时用均匀大地上电磁场的三个分量来分区定义祝电阻率.在远区视电阻率由磁场的水平分量求出,在近区由磁场的垂直分量或其实分量定义,而在过渡区则由电场的水平分量确定.用这种方法定义的视电阻率为电磁响应的单值函数,它随频率变化的曲线显著改善,能直观地反映地层电阻率随深度的变化,数值比较接近地层的真电阻率值,假极值效应明显压低.在计算中用切比雪夫多项式分段拟合均匀大地电磁响应的反函数,并给出一套系数,由此算出的视电阻率误差小于1％.     

无限长源二维各向异性地层中CSAMT有限元模拟

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)基本上是基于电性各向同性理论的假设,而实际地层普遍表现为电性各向异性现象,因此研究各向异性地层条件下CSAMT方法的电磁响应具有重要的理论意义和应用价值.本文从有源Maxwell方程出发,推导出了二维各向异性地层条件下无限长线源频率域的电磁场响应,得到了一组平行于线源方向的电场分量E_x和磁场分量H_x的偏微分方程,并采用有限元法进行求解.模型的计算结果表明:不论是对均匀半空间还是一维层状介质中的各向异性二维体模型的计算,均能从结果中明显地看出各向同性背景场和各向异性异常体的存在;在计算中通过改变各向异性系数或各向异性旋转角,其结果在视电阻率和相位曲线上均存在显著区别.计算结果表明了在各向异性地层中,仍然采用各向同性的假设进行CSAMT资料的处理与解释,可能会带来比较严重的误差,这种情况下必须采用基于各向异性的地质模型对CSAMT资料进行处理和解释.研究结果对于提高CSAMT方法的勘探效果和应用水平具有重要的指导意义.     

The effect of the electrical anisotropy on the response of helicopter-borne frequency-domain electromagnetic systems

Helicopter electromagnetic (HEM) systems are commonly used for conductivity mapping and the data are often interpreted using an isotropic horizontally layered earth model. However, in regions with distinct dipping stratification, it is useful to extend the model to a layered earth with general anisotropy by assigning each layer a symmetrical 3 × 3 resistivity tensor. The electromagnetic (EM) field is represented by two scalar potentials, which describe the poloidal and toroidal parts of the magnetic field. Via a 2D Fourier transform, we obtain two coupled ordinary differential equations in the vertical coordinate. To stabilize the numerical calculation, the wavenumber domain is divided into two parts associated with small and large wavenumbers. The EM field for small wavenumbers is continued from layer to layer with the continuity conditions. For large wavenumbers, the EM field behaves like a DC field and therefore cannot be sensed by airborne EM systems. Thus, the contribution from the large wavenumbers is simply ignored. The magnetic fields are calculated for the vertical coaxial (VCX), horizontal coplanar (HCP) and vertical coplanar (VCP) coil configurations for a helicopter EM system. The apparent resistivities defined from the VCX, VCP and HCP coil responses, when plotted in polar coordinates, clearly identify the principal anisotropic axes of an anisotropic earth. The field example from the Edwards Aquifer recharge area in Texas confirms that the polar plots of the apparent resistivities identify the principal anisotropic axes that coincide well with the direction of the underground structures.     

GEOPHYSICAL MAPPING BY STATIONARY ELECTRIC AND MAGNETIC FIELD COMPONENTS: A COMBINATION OF POTENTIAL GRADIENT MAPPING AND MAGNETOMETRIC RESISTIVITY (MMR) METHODS*

A combined application of two independent direct current geoelectric methods, potential gradient mapping (PM) and magnetometric resistivity (MMR), is proposed for the investigation of high-resistivity basement structures. From a one-dimensional relation between horizontal electric and magnetic fields (due to currents originating from point electrodes placed on the surface of a two-layered half-space having a high-resistivity basement) several advantages of the combined PM-MMR method are shown for two-dimensional and three-dimensional basement structures. Three-dimensional models have been studied by analogue modeling experiments. This new mapping method embraces two parameters: the horizontal electric conductance map, derived from the ratio of the related electric and magnetic components, and the gradient map of their product. A close relation between structural forms and anomaly maps is obtained by using two orthogonal source-electrode layouts. Based on model results a two-channel measuring instrument was developed. The method and the instrument were tested near Sopron where a gradual deepening of, and faults in, the Paleozoic basement were found.     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论(Ⅱ)——横向缓变摄动和极型场快速扩散

It is one of the classical problems in Earth′s electromagnetism that continuation of the observatory data of magnetic field into the conducting region. This paper built the coupling vector equations governing the poloidal, toroidal and potential fields in 3-D inhomogeneous conducting mantle. Considering the limitation on variable scale of inhomogeneities in global mantle from study of the Earth′s deep interior, a perturbation　theory of gradually lateral variation was presented. It is unnecessary that the 1-D spherical symmetric distribution of electric conductivity as zero-degree approximation. Serving as a example of solvability of the zero-degree approximation, it was demonstrated how the gradually lateral variation of electric conductivity effect on anti-diffusive problem of poloidal field in Earth′s mantel.     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论（Ⅱ）──-横向缓变摄动和极型场快速扩散

把磁场观测数据向导电区域延拓,是地球电磁学的经典问题之一．从准静态近似和非零矢势规范的电磁场方程出发,依据矢量的球面分解唯一性定理,本文建立支配三维非均匀电寻率分布全球地慢中的环型场、极型场和电位势场的耦合方程组烤虑地球深部研究对认识全球地幔非均匀性横向变化尺度的限制,提出横向缓变意义下三维非均匀地幔中电场和磁场的摄动理论,其零级近似不要求电导率分布一维球对称．作为零级近似可解的例证,研究了地幔深源极型场的反扩散问题,在利用地面磁场观测反演到核幔边界时,可以考虑地幄横向非均匀性影响．     

由实测资料看天然电磁场的平面波特性

在大地电磁测深资料处理中发现 ,同时观测的多个测点的磁道信号在一定距离范围内互换 ,电磁测深曲线形态变化微小。通过实际资料处理结果研究了天然电磁场平面波的某些量化特性 ,其结果显示 ,在一定范围内的天然磁场信号满足平面波的特性。该研究结果为大地电磁测深勘探中合理布设磁场探测器 ,提供了实际依据     

Forward modeling of marine DC resistivity method for a layered anisotropic earth

Since the ocean bottom is a sedimentary environment wherein stratification is well developed, the use of an anisotropic model is best for studying its geology. Beginning with Maxwell’s equations for an anisotropic model, we introduce scalar potentials based on the divergence-free characteristic of the electric and magnetic (EM) fields. We then continue the EM fields down into the deep earth and upward into the seawater and couple them at the ocean bottom to the transmitting source. By studying both the DC apparent resistivity curves and their polar plots, we can resolve the anisotropy of the ocean bottom. Forward modeling of a high-resistivity thin layer in an anisotropic half-space demonstrates that the marine DC resistivity method in shallow water is very sensitive to the resistive reservoir but is not influenced by airwaves. As such, it is very suitable for oil and gas exploration in shallowwater areas but, to date, most modeling algorithms for studying marine DC resistivity are based on isotropic models. In this paper, we investigate one-dimensional anisotropic forward modeling for marine DC resistivity method, prove the algorithm to have high accuracy, and thus provide a theoretical basis for 2D and 3D forward modeling.     

多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义

本文针对多辐射场源地空瞬变电磁法理论,建立了相应的多分量全域视电阻率定义方法.分析了利用磁场强度进行多辐射场源地空系统全域视电阻率定义的优点,针对磁场强度的各个分量,提出了各自的全域视电阻率算法,实现了多分量、全时域、全空域视电阻率计算,并分析了偏移距对全域视电阻率的影响.通过调整源的相对位置及电流方向等参数,多辐射源瞬变电磁地空系统不仅可以加强不同分量信号强度,削弱随机干扰,还可更好地分辨地下异常体的位置.通过对所设计模型的处理,证实了多辐射场源地空系统多分量全域视电阻率算法的有效性,也验证了多辐射场源地空系统的优势.     

基于改进的接收点插值算法的频率域海洋可控源电磁法2.5维正演

在海洋可控源电磁法勘探中,接收站常置于海底.在进行海洋电磁场模拟时,由于海水和海底介质存在显著电性差异,这给海底接收点处场值的求取带来困难.本文提出一种新的接收点插值算法,该算法考虑到海底电场法向分量不连续性问题,用法向电流分量进行插值以准确求取海底任意接收点处电磁场值.本文利用交错网格有限差分法实现了二维介质中频率域海洋可控源法(CSEM)正演.对构造走向做傅里叶变换,将三维电磁模拟问题转换为波数域2.5维问题,即三维场源激励下针对二维地电模型的电磁模拟问题.使用交错网格有限差分法,基于一次场/二次场分离方法导出波数域二次电场离散形式,并进一步求得波数域电磁场.采用本文提出的改进的插值算法可求得海底任意接收点处波数域电磁场,采用傅里叶逆变换对波数域电磁场进行积分可得到接收点处空间域电磁场.模型算例表明,与常规的线性插值和严格插值算法相比,本文提出的改进的插值算法具有更高的精度.