核磁共振双TW测井数据联合反演与流体识别

针对核磁共振测井双TW观测数据分析和流体识别的需要,研究了基于全局搜索的遗传算法和局部搜索的最小二乘法的联合反演算法,实现了核磁共振双TW观测数据处理.首先,研究了饱和油气水岩石物理模型的核磁共振双TW观测模式的测井响应机理;然后,利用全局搜索性能优良的遗传算法, 对核磁共振回波差数据进行了反演,计算出了流体的核磁弛豫性质及其体积;最后,以遗传算法的反演结果为初值, 利用阻尼最小二乘方法对双TW回波串进行更精细的反演,计算出了双TW的T₂分布、孔隙度和流体饱和度.理想模型的合成数据和实际测井资料应用表明,遗传算法与最小二乘方法相结合是一种行之有效的联合反演方法,能较好地实现核磁共振测井双TW观测数据的处理和流体评价.     

地面核磁共振找水反演

简要介绍了地面核磁共振找水的正演理论方法,采用高斯求积并结合连分式展开的方法对核磁共振核函数中包含双重贝塞尔函数的积分核进行了数值积分,进而计算出精度较高的核函数值,在此基础之上,讨论了导电性对地面核磁共振信号的影响.基于奇异值分解算法,对核磁共振找水理论模型进行了反演研究,在不导电的情况下,重构出了比较理想的含水率分布.总结并改进了模拟退火算法,用改进的模拟退火算法分别对覆盖层高阻和导电条件下的核磁共振人工合成数据进行了反演,试验结果表明,利用改进的模拟退火算法反演地面核磁共振是可行的,而且反演结果较稳定,收敛速度较快.     

核磁共振与瞬变电磁三维联合解释方法

传统核磁共振地下含水量解释多采用基于均匀半空间或层状导电模型的一维反演,分层给出地下含水信息.然而,这些方法忽略了地下复杂电阻率分布信息对结果的影响,也不能很好地反映局部三维含水构造.本文从三维电介质中核磁共振响应的正演理论出发,提出首先利用瞬变电磁数据进行基于等效导电平面法的快速电阻率成像,然后将成像结果作为核磁共振三维反演的电性模型,进行联合解释.激发磁场的分布采用有限元法直接求解,通过引入伪δ源实现电流源的加载,并强加散度条件排除了三维磁场模拟中"弱解"的影响.针对核磁共振灵敏度矩阵的病态性和数据中存在的干扰信号,提出考虑罚项的非线性拟合目标函数,利用线性化方法进行核磁共振反演.模型数据表明该方法能较准确反映地下三维含水构造,实测算例进一步证明了方法的有效性.本研究将促使核磁共振方法在岩溶、裂隙水、孤立水体等复杂水文地质条件及隧道、矿井灾害水源探测等方面得到有效应用.     

核磁共振多回波串联合反演方法

提出一种核磁共振多回波串数据联合反演方法,分别对核磁共振孔隙度测量的两组回波串数据、变等待时间多回波串数据以及变回波间隔多回波串数据进行了处理.结果表明,这样处理得到的一维核磁共振T₂分布不但连续,而且能够揭示短横向弛豫组分的细微特征,提高了核磁共振孔隙度的精度.处理变等待时间或变回波间隔下的多回波串数据,可以得到孔隙流体的 (T₂, T₁)或(T₂, D) 二维核磁共振分布图.与一维核磁共振T₂分布相比,二维核磁共振提高了识别流体的效果.     

基于SVD和BRD的二维核磁共振测井正则化反演算法研究

二维核磁共振能从"弛豫-扩散"两个维度上展现流体性质,在识别稠油储层方面具有理论优势,是当前核磁共振测井技术的研究热点.本文深入研究二维核磁共振测井原理,系统分析CPMG-DE脉冲序列测量扩散系数与弛豫时间的方法,结合核磁共振二维谱数理模型,提出一种基于SVD和BRD的正则化反演算法.该算法通过SVD压缩数据,采用带非负约束的Tikhonov正则化方法求解流体"弛豫-扩散"分布,并基于BRD算法迭代确定最佳正则化因子.模拟实验与数值分析表明,该算法无需先验信息、运算效率高、相对误差小,在原始数据信噪比低至50时,仍可有效获取流体(T₂,D)二维分布.在二维核磁共振测井数据实时解释应用中,该方法较传统反演算法(如TSVD)具有较大优势.同时,在自主研发的核磁共振测井仪测量CuSO₄溶液(T₂,D)分布的实验显示,本文设计算法对弛豫时间和扩散系数的反演误差分别仅为2%和4%,较TSVD算法有较大改善.     

导电性影响的地面核磁共振反演

导电性影响对实际的地面核磁共振反演非常重要. 在导电条件下，导出了地面核磁共振感应电动势的平方是含水率分布的二次型. 通过进一步分析，我们将其对含水率的灵敏度用显式表示出来，为由核磁感应电动势利用迭代技术快速求解含水率分布奠定了理论基础. 数值模拟结果表明，在自由空间与导电条件下，采用非线性反演技术获得的含水率分布与理论模型都有非常好的一致性.     

二维核磁共振变参量迭代快速反演方法

核磁共振二维谱应用在储层流体识别与评价中具有快速直观识别流体类型、储层参数估算精度高的特点,使之能高效率的完成测井资料解释工作,然而拥有稳健、可靠及计算快速的反演方法是获取高质量核磁共振二维谱的关键所在.通过对二维核磁共振子空间类型反演方法的大量研究,在奇异值截断公式上进行了分析和改进,使得反演方程组的奇异值矩阵能保留下更多的奇异值,为反演结果的保真性奠定基础,并对其进行分组处理使反演方程组的条件数降低,从而提高求解的稳定性;在迭代计算中提出变参量迭代算法,使求解更合理、快速及高效.在数值模拟中,变参量迭代快速反演方法能够准确地还原30×30、60×80扩散弛豫二维构造谱,计算用时都在1分钟内;在油水试验中,变参量迭代快速反演方法反演出的扩散—弛豫二维谱能够正确识别所测流体类型,含油饱和度估算结果的相对误差为0.6%,绝对误差为0.79%.变参量迭代快速反演方法能够快速有效得处理二维核磁共振数据,反演出的扩散一弛豫二维谱质量高,二维谱应用于解释中所得到的结论可靠性高,表明该方法具有一定应用价值.     

(T2,D)二维核磁共振测井混合反演方法与参数影响分析

一维核磁共振(1D NMR)测井技术在流体识别中具有一定的局限性.二维核磁共振(2D NMR)测井能同时测量到多孔介质中横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D)等信息,利用这两个参数区分流体性质,较一维核磁共振测井技术具有明显的优越性.针对梯度场下的2D NMR测井弛豫机理和数学模型,提出了适用于求解大型稀疏矩阵方程的反演方法-基于非负最小二乘法(LSQR)和截断奇异值分解(TSVD)法的混合算法.为验证方法的有效性,先根据多回波观测模式合成回波串数据,然后再用混合反演算法进行反演,反演得到横向弛豫时间(T₂)和扩散系数(D),并构建T₂-D二维谱图.结果对比表明,该混合反演算法得到的T₂-D二维谱与流体模型一致性好,计算精度均比单一反演方法有较大改善,表明该混合反演方法可用于油气储集层2D NMR测井的反演和流体识别.此外,分别对油水同层和气水同层模型进行了正演模拟和反演实验, 系统考察了不同磁场梯度、不同回波间隔组合对反演效果的影响,为2D NMR参数设计提供依据.     

基于协同克里金方法的重力梯度全张量三维约束反演

随着重力梯度全张量测量技术的日趋成熟,重力梯度全张量数据的三维反演技术日益受到重视与关注.全张量数据反演与重力数据反演一样仍然面临着严重的多解性问题.本文将基于地质统计学的协同克里金方法应用于重力梯度全张量数据三维反演,建立了密度约束下的多变量协同克里金联合反演方程,以降低反演的多解性.模型试验表明密度信息的加入能够有效降低反演的多解性,提高反演结果的分辨率,尤其是纵向分辨率能够得到显著提高.最后对美国德克萨斯州一个岩丘区所获得实际资料的应用表明了本文方法的实用性.     

球管孔隙模型的核磁共振(NMR)弛豫特征及应用

将岩石孔隙归结为由毛细管和球形孔组成的孔隙系统,提出孔隙球管孔隙模型. 岩石孔隙按大小分组后,每一组孔隙的氢核弛豫时间可以用球管孔隙模型计算. 将此弛豫时间作为反演T2分布的时间控制点,反演岩芯的核磁共振弛豫信号. 研究表明, T2分布与特定的孔隙结构相联系. 使用不同结构的球管孔隙模型,可以使反演T2分布最大限度地拟合弛豫信号,此时的球管模型以最近似的方式模拟了岩芯的孔隙结构. 使用球管模型对实验室核磁共振资料进行了处理,对比压汞分析得到毛管力分布数据,结果证明球管孔隙模型描述了岩石孔隙的弛豫特征,而且,岩石特定孔隙结构的弛豫特征与孔隙流体有关.     

First‐arrival traveltime tomography with modified total‐variation regularization

First‐arrival traveltime tomography is a robust tool for near‐surface velocity estimation. A common approach to stabilizing the ill‐posed inverse problem is to apply Tikhonov regularization to the inversion. However, the Tikhonov regularization method recovers smooth local structures while blurring the sharp features in the model solution. We present a first‐arrival traveltime tomography method with modified total‐variation regularization to preserve sharp velocity contrasts and improve the accuracy of velocity inversion. To solve the minimization problem of the new traveltime tomography method, we decouple the original optimization problem into the two following subproblems: a standard traveltime tomography problem with the traditional Tikhonov regularization and a L₂ total‐variation problem. We apply the conjugate gradient method and split‐Bregman iterative method to solve these two subproblems, respectively. Our synthetic examples show that the new method produces higher resolution models than the conventional traveltime tomography with Tikhonov regularization, and creates less artefacts than the total variation regularization method for the models with sharp interfaces. For the field data, pre‐stack time migration sections show that the modified total‐variation traveltime tomography produces a near‐surface velocity model, which makes statics corrections more accurate.     

基于稀疏表示的地面磁共振信号提取方法

在多孔隙含水层中地面磁共振（surface nuclear magnetic resonance,SNMR）信号呈现多弛豫衰减特性,常规盲源分离方法和单指数拟合方法引起信号严重失真和信息缺失等问题.本文提出了基于稀疏表示的随机噪声背景下多弛豫SNMR信号的提取方法.根据SNMR信号的衰减特征,设计了精确刻画SNMR信号且与随机噪声不相关的离散衰减余弦冗余字典.其次,针对多弛豫SNMR信号稀疏度未知的问题,通过设置合理的残差比阈值控制迭代次数,改进了广义正交匹配追踪（generalized orthogonal matching pursuit,gOMP）算法,使得该方法应用于SNMR信号的提取时,具有更好的自适应性和普适性.再次,鉴于SNMR测量数据为多次独立重复采集的结果,提出了基于数据流的SNMR信号提取策略,在提高算法鲁棒性的同时,保证了信号提取结果的唯一性.最后,通过仿真和实测数据证明了基于gOMP算法的稀疏表示方法可以显著地提升多弛豫SNMR信号的提取质量,降低随机噪声对含水层反演结果的影响,提高SNMR探测能力.     

正则化方法在无线电波层析中的应用

无线电波透视法是常用的工作面地质构造探测方法之一,目前普遍使用的SIRT方法层析分辨率不高。本文采用约束正则化方法,推导Tikhonov正则化和全变差正则化的最小化问题表达式,讨论影响层析结果的主要因素,对典型理论模型进行了层析成像实验。结果表明:正则化方法具有比SIRT方法更好的分辨率;射线条数越多、噪声水平越低,层析分辨率越高;Tikhonov正则化在正则参数增大时层析结果更光滑,减小时则更贴近异常,全变差正则化与其相反。最后对实际坑透数据进行层析,识别出的异常构造基本吻合已知疑似构造位置,从而说明正则化方法在无线电波透视应用中的可行性。      

Surface NMR within a geophysical study of an aquifer at Haldensleben (Germany)

The surface nuclear magnetic resonance (SNMR) method has been tested at a site in Haldensleben, northern Germany, to assess the suitability of this new method for groundwater exploration and environmental investigations. More information is obtained by SNMR, particularly with respect to aquifer parameters, than with other geophysical techniques. SNMR measurements were carried out at three borehole locations, together with 2D and 1D direct current geoelectrics, as well as ground-penetrating radar, and well logging (induction log, gamma-ray log and pulsed neutron-gamma log). Permeabilities were calculated from the grain-size distributions of core material determined in the laboratory. It is demonstrated that the SNMR method is able to detect groundwater and the results are in good agreement with other geophysical and hydrogeological data. Using the SNMR method, the water content of the unsaturated and saturated zones (i.e. porosity of an aquifer) can be reliably determined. This information and resistivity data permit in situ determination of other aquifer parameters. Comparison of the SNMR results with borehole data clearly shows that the water content determined by SNMR is the free or mobile water in the pores. The permeabilities estimated from the SNMR decay times are similar to those derived from sieve analysis of core material. Thus, the combination of SNMR with geoelectric methods promises to be a powerful tool for studying aquifer properties.     

基于Extrapolation Tikhonov正则化算法的重力数据三维约束反演

通过研究重力数据三维反演解的病态性,利用基于拉格朗日插值方法的Extrapolation Tikhonov正则化方法来解决反演中解的不唯一性和不稳定性问题,该方法最大限度的减少了因正则化参数的引入而在反演结果中介入的误差,同时详细讨论了基于三种选择原则的正则化双参数的具体选择方法,模型试算结果表明,与原Tikhonov方法相比,该方法提高了反演的拟合精度.其次,为了消除核函数随深度增加而快速衰减对反演结果的影响,本文改进了前人的重力数据三维反演深度加权函数,改进后的加权函数与原函数相比能更好的识别异常体底部密度分布特征,对于埋深较深的异常体具有较好的识别效果,更好的解决了由近地面趋肤效应作用引起的密度分布不均的问题.同时,利用上下限约束函数限制每一个立方体的密度差范围,并应用于多组人工合成模型.结果表明:该反演方法能准确地获得正演模型的预设参数范围和位置.     

反演地表质量变化的附有空间约束的三维加速度点质量模型法

重力卫星可以在相同误差尺度下对全球质量变化进行连续重复观测,并在近十余年来取得了巨大成功,探索重力卫星数据精化处理方法和相关应用研究具有重要意义.本文基于三维加速度点质量模型法的基本原理,进一步发展建立了时变重力场模型球谐位系数的变化和地面点质量变化的关系,可有效考虑地表质量变化导致的负荷形变的影响;引入等权形式、线性形式、指数形式和高斯形式的空间约束方法处理南北条带噪声和向下延拓导致的病态问题,并与零阶Tikhonov正则化方法进行对比分析.采用模拟数据和一个月的实测GRACE时变重力场模型计算全球质量变化,对三维加速度点质量模型法和几种空间约束方法进行对比分析验证.计算结果表明,对于3°等面积的全球格网质量点,高斯和指数形式空间约束方法的最优相关距离约为500km,等权和线性形式空间约束方法的最优相关距离约为600km,各方法均可有效处理条带噪声的影响,四种空间约束方法的计算效果优于零阶Tikhonov正则化方法,本文的相关方法为进一步利用三维加速度点质量模型法监测全球质量变化提供了借鉴.     

电阻率成像的混合正则化反演算法

利用混合正则化方法对二维分片常值电阻率进行反演研究,该方法结合了全变差正则化方法(total variation regularization)和经典吉洪诺夫正则化方法(classical Tikhonov regularization)的优点. 全变差正则化能够有效地重构分片常值电阻率和识别边界,而经典吉洪诺夫正则化方法则能有效地重构光滑的电阻率,从数值算例中可以看出,将这两种方法有效地结合到一起能够改进重构效果.     

基于Tikhonov正则化的双频电磁波电导率成像反演

本文将Tikhonov正则化方法与active-set算法相结合,利用双频电磁波电导率成像原理,求解其反演成像方程.不仅对现有算法进行了改进,也促进了算法的实际应用.本文研究了在双频电磁波电导率成像方程建立后,如何根据其严重病态性质,选择合适的算法求解矩阵成像方程.针对电导率非负的特性,引入正则化参数,将问题转化为一个非负最小二乘问题,并用active-set算法求解.采用改进后的迭代算法对理论模型进行了数值模拟计算,验证了该方法的有效性.应用到实际电导率成像反演,与常规的LSQR、SP-LSQR、Tikhonov正则化等算法进行比较,取得了满意的结果.     

重力数据3D密度成像中EXTR方法的各参数变化对反演结果的影响(英文)

Tikhonov正则化(TR)方法在重磁数据处理中发挥了重要的作用,本文在研究如何利用Tikhonov正则化方法方法解决重力数据3D反演的同时,深入讨论了可进一步提高拟合误差的Extrapolation Tikhonov正则化方法(EXTR)的原理,并就其参数选择方法及各参数对拟合误差、迭代次数及反演结果的影响进行研究。常密度及变密度组合模型试算结果表明,与TR方法相比,EXTR方法不仅可以达到解释人员设定的先验拟合误差水平,在计算时间及迭代次数相应增加的前提下有更高的拟合精度;同时其反演结果也更加紧致,进一步改善了TR反演结果的发散性;并且其反演数据范围更贴近预设模型参数范围,模型特征与预设模型密度分布吻合较好。     

基于重力卫星数据监测地表质量变化的三维点质量模型法

利用卫星重力测量手段监测全球质量变化取得了巨大成功,本文基于牛顿万有引力定律在三维空间直角坐标系中导出利用重力卫星观测数据监测全球质量变化的三维点质量模型法,该方法可直接利用重力卫星的轨道和星间观测数据或时变重力场模型计算全球质量变化,由于利用卫星观测数据计算地表质量变化的向下延拓过程以及观测数据噪声的影响,需要采用合适的空间约束方程或正则化技术对解算结果进行约束或平滑处理.利用合成全球质量变化模型模拟一个月的GRACE双星轨道和星间距离变率数据计算全球质量变化,对三维点质量模型法进行分析验证,采用零阶Tikhonov正则化技术处理病态问题.结果表明,三维点质量模型法可有效用于重力卫星观测数据监测全球质量变化,为利用重力卫星观测数据监测全球质量变化提供一种可选的途径.