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．     

基于耦合标势与矢势的有限体积法模拟非均匀各向异性地层中多分量感应测井三维响应

为快速有效地研究、考察各向异性地层条件下多分量感应测井的响应特征,本文利用电场标势与矢势的有限体积法研制出三维频率域电磁场响应的数值模拟算法,克服由低频发射或高阻地层产生的低感应数问题,有效提高了三维电磁数值模拟算法的应用范围和计算效率.首先利用电场的标势与矢势将Maxwell方程转化为满足库仑规范条件的耦合势Helmholtz方程,以Yee氏交错非均匀网格中不同位置上的节点为中心建立四种控制体积单元,通过对控制体积单元中电磁场与电导率的积分平均实现耦合势方程和磁偶极子旋度的离散,并得到一个对角占优的大型稀疏复线性代数方程组,然后,通过不完全LU分解预处理和稳定双共轭梯度法快速求解离散方程.数值结果证明了该算法的有效性,并进一步考查了仪器偏心、倾斜井、垂直裂缝等复杂条件下多分量感应的响应特征.     

用模式匹配算法研究层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应

利用数值模式匹配技术,研究并建立层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的快速数值模拟算法.首先将位于井轴上的三个相互正交磁偶极子转化成关于极角θ的三个谐变分量的叠加,以便将三个正交磁偶极子电磁场的正演问题完全简化成三个谐变分量电磁场的轴对称定解问题,并给出电磁场各个谐变分量在井轴上满足的边界条件,保证电磁场在井轴附近仍然可解.然后利用数值模式匹配技术建立电磁场各个谐变分量的正演过程,得到层状各向异性地层中磁流源并矢Green函数的半解析表达式,给出计算层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的具体方法,最后通过数值计算结果证明该算法的有效性并考察几种不同情况下多分量感应测井响应特征.     

用模式匹配算法研究层状各向异性倾斜

利用数值模式匹配技术,研究并建立层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的快速数值模拟算法.首先将位于井轴上的三个相互正交磁偶极子转化成关于极角θ的三个谐变分量的叠加,以便将三个正交磁偶极子电磁场的正演问题完全简化成三个谐变分量电磁场的轴对称定解问题,并给出电磁场各个谐变分量在井轴上满足的边界条件,保证电磁场在井轴附近仍然可解.然后利用数值模式匹配技术建立电磁场各个谐变分量的正演过程,得到层状各向异性地层中磁流源并矢Green函数的半解析表达式,给出计算层状各向异性倾斜地层中多分量感应测井响应的具体方法,最后通过数值计算结果证明该算法的有效性并考察几种不同情况下多分量感应测井响应特征.     

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.     

用传播矩阵法研究层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应

本文采用传播矩阵技术研究并建立了层状正交各向异性地层中多分量感应测井响应的有效算法.首先通过Fourier变换将频率空间域中的Maxwell方程组求解问题转化为频率波数域中关于电磁场水平分量常微分方程组的定解问题.利用该方程组系数矩阵的本征值和归一化本征向量将电磁场分解成上行波和下行波模式的组合,推导出均匀正交各向异性介质中由任意方向磁偶极子产生的电磁波模式解析表达式;在此基础上,利用叠加原理和边界条件研究了电磁波在层状正交各向异性地层中的反射和透射,给出各个界面上的广义反射系数和不同地层中电磁波振幅的递推公式,进而得到电磁波模式的解析解.为了有效确定频率空间域中的电磁场,采用二维Patterson自适应求积算法结合有限连分式展开技术计算傅氏逆变换.最后通过数值模拟结果证明了该算法的有效性,考察了不同各向异性系数、不同井眼倾角以及仪器长度和工作频率变化等情况下的多分量感应测井响应特征.     

电性各向异性地层频率域电磁响应模拟

在现有计算机内存和运算速度条件下,电性各向异性地层中频率域电磁响应的数值模拟是一个难点. 为探索各向异性介质模型电磁响应的有效算法,同时为进一步研究各向异性地层测量响应的校正方法奠定基础,从Maxwell电磁响应方程出发,使用由三个彼此垂直的发射线圈和三个彼此垂直的接收线圈组成的线圈结构模型,应用交错网格有限差分法推导了三维频率域电磁响应的差分计算格式,采用预条件双共轭梯度法对所形成的复系数矩阵进行了迭代求解,从而得到电性各向异性地层模型下的线圈测量响应. 应用这些方法进行了多种条件下电磁响应的计算,计算结果表明,所形成的计算方法是准确可靠的,预条件双共轭梯度法的运算效率也较高;电性各向异性地层的电磁响应与地层倾角（或井斜角）、仪器测量方位、地层的水平电阻率和垂直电阻率有关;根据水平方向磁场强度分量可以确定地层界面;在电磁响应计算过程中,背景电导率的取值要尽量接近整个计算区域的平均电导率.     

横向同性地层中井间电磁响应的三维频域耦合势正演模拟研究

本文针对电导率横向同性地层中三轴发射-接收线圈系的井间电磁响应,开展三维正演算法及模拟研究.首先将发射线圈简化为三轴正交磁偶极子源.为克服低频电磁产生的数值迭代收敛缓慢问题,利用低感应数预处理方法将频域Maxwell方程组转化为基于矢势与标势的Helmholtz方程.采用非等间距的Yee氏交错网格、电导率的体积加权平均技术以及积分形式的有限差分格式实现对控制方程的离散化.借助于不完全LU分解预处理的稳定双共轭梯度法计算井间电磁响应的数值解,并通过与有限元软件COMSOL的数值结果对比验证本文模型与算法的有效性.数值计算结果表明：在横向同性地层的垂直井模型中,测井响应横向分量xx和yy能反映出地层电导率各向异性信息,但横向探测能力较差.轴向分量zz虽只反映地层水平电阻率信息,但具有较好的横向探测能力,且对地层中异常体非常敏感,而交叉分量xz、zx则具备较强的层边界识别能力.     

双轴各向异性介质多分量感应测井响应快速计算

为研究双轴各向异性介质多分量感应测井响应特征,本文基于三重傅里叶变换,推导任意方向偶极子源的谱域电磁场解析式;采用围线积分方法,自适应截断积分区间,结合谱域电磁场周期特性,实现三重傅里叶变换的精确快速积分;进而,针对双轴各向异性倾斜地层,模拟研究不同纵横向各向异性条件多分量感应测井响应特征.结果表明:利用谱域内电磁场在周向的周期特性简化解析式,可将计算速度提高4倍;自适应截断积分区间方法保证了计算精度,并极大地减少了积分节点数.对于倾斜双轴各向异性介质,倾角较大时,共面分量可反映地层横向各向异性,同轴分量可反映地层纵向各向异性;倾角较小时,同轴分量可反映地层横向各向异性,共面分量可反映地层纵向各向异性.     

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.     

利用2.5维数值模式匹配算法高效高精度建立垂直井眼中多分量阵列感应井眼校正库

本文将应用2.5维数值模式匹配算法研究建立柱状横向同性地层中偏心条件下磁流源并矢Green函数的高效算法,并利用该算法高效计算多分量阵列感应井眼校正库.首先,通过Fourier展开技术将偏心条件下磁流源并矢Green函数的数值模拟转化为一系列的轴对称问题;然后利用模式匹配算法求解轴对称问题,得到柱状介质中偏心条件下磁流源并矢Green函数的半解析解;最后,结合中国石油集团测井有限公司开发的三维感应测井仪器(TDIT)的结构参数,推导出复合线圈系视电导率张量的计算公式.在此基础上,根据井场实际地层资料归纳出理论地层模型相应参数的变化范围,高效高精度建立一套直接应用于工业生产的多分量阵列感应井眼校正库,并利用井眼校正库详细地分析考察各模型参数对TDIT响应的影响.     

水平层状非均质横向同性地层中阵列多分量感应测井响应的快速计算

应用模式匹配算法研究建立水平层状非均质横向同性地层中多分量感应测井响应的快速算法.首先,利用Fourier级数展开法将多分量感应响应的数值模拟转化为三个轴对称问题,并利用电阻率径向导数的奇异表达式,引入两个附加奇异微分算子,用于描述柱状分界面上的积累面电荷对共面线圈系电磁响应的影响.然后通过模式匹配算法求解轴对称问题,得到水平层状非均质横向同性地层中多分量感应磁场的半解析解以及测井响应计算方法,最后通过数值模拟结果对该算法进行检验并进一步考察阵列多分量感应仪器的响应特征.     

基于Lorenz规范条件下磁矢势和标势耦合方程的频率域电磁法三维正演

为了克服空气层和地表耦合以及避免一次场计算,开发适合不同类型场源、不同应用范围的频率域三维正演模拟统一平台,本文从麦克斯韦基本方程出发,推导基于Lorenz规范条件的磁矢势和标势耦合方程;通过将不同类型场源分解成一系列短导线(电性)源组合,采用交错网格采样和有限体积技术对方程进行离散得到对称大型稀疏线性方程组,并采用Jacobi迭代预处理QMR(Quasi-Minimum-Residual,拟最小残差)算法进行求解,我们成功实现不同类型场源、不同应用范围的频率域电磁法三维正演模拟.通过层状模型下大地电磁法以及有限长接地导线和大回线磁性源激发下的电磁场响应模拟,并与一维解析解对比验证算法的有效性.进而,我们利用该算法平台的模拟结果对典型地电模型在不同场源激发下频率域电磁法响应特征进行对比分析.本文算法研究及实现为建立频率域电磁法三维正反演统一框架打下基础.     

回线源瞬变电磁法有限体积三维任意各向异性正演及分析

目前,瞬变电磁法(TEM)数据基本都是基于各向同性模型进行反演解释,这对于存在明显电性各向异性的勘探区域会产生较大的反演解释误差.为分析电各向异性对回线源瞬变电磁信号的影响方式与程度,本文通过求解离散化的全张量电导率时间域Helmholtz方程,实现了基于有限体积法的TEM任意各向异性的三维正演算法.该算法采用基于交错网格的拟态有限体积法(MFV)对时域Maxwell方程组进行空间域离散,并利用后退欧拉算法(Backward Euler Method)进行时间域离散.为提高时域电磁场的求解精度与效率,该算法将时间分段等步长算法与方程直接求解法相结合.通过对一维各向异性模型以及三维复杂各向同性模型进行测试,验证了本算法对于回线源瞬变电磁响应计算的正确性及有效性.最后,通过对几类典型电各向异性介质中大回线源瞬变电磁信号响应的分析,总结了不同电各向异性类型对TEM电磁信号的影响模式,结果表明,主轴各向异性情况下TEM信号主要受水平方向电导率的影响,倾斜各向异性对TEM信号的影响程度远大于水平各向异性,而通过水平各向异性信号能较清晰判断出各向异性主轴方向.     

用传播矩阵法研究层状交错地层中的多分量感应测井

为了实现交错沉积等复杂环境中的电磁场数值模拟,本文在常规横向同性模型的基础上引入了电导率主轴坐标系相对地层坐标系的层理方位角和倾角,建立了交错地层模型.并利用传播矩阵法建立了一维层状交错地层模型中的多分量感应测井仪器响应的正演模拟算法.首先将频率-波数域中的电磁场分解为上行和下行模式波,给出了任意朝向的磁偶极子在无限大地层中模式波的解析解.进一步通过引入地层界面上的透射、局部反射以及广义反射系数矩阵,推导了一维层状地层中的模式波表达式.在此基础上,利用二维Gauss-Legendre积分实现了Fourier逆变换,得到了可用于多分量感应测井模拟的频率-空间域磁场并矢格林函数.最后,通过多个数值模拟结果考察了井眼倾角、层理方位角和倾角变化对多分量感应测井响应的影响.     

基于Coulomb规范势的电导率呈任意各向异性海洋可控源电磁三维非结构化有限元数值模拟

本文以非结构化网格剖分为基础,推导了电导率呈任意各向异性条件下的海洋可控源电磁法二次场磁矢量位、标量位所满足的有限元方程.将不完全LU分解预条件因子(ILU)与Induced dimension reduction(IDR(s))迭代算法相结合对有限元方程进行求解.之后,采用加权移动最小二乘法对二次场矢量位、标量位进行求导得到相应的电磁场各分量.最后,开展了两个地电模型的电磁场计算与分析.结果表明:本文所提出的电导率呈任意各向异性条件下的海洋可控源电磁法三维正演算法正确;不完全LU分解预处理的IDR(s)算法计算效率明显优于常用的ILU-QMR、ILU-BICGSTAB算法;算法具有良好的通用性,可用于陆地电磁、航空电磁、井中电磁等地球物理勘探方法在电导率任意各向异性方面的研究.