基于ANSYS的2.5维直流电法正演模拟

从点电源场中电位满足的微分方程出发,给定相对应边界条件,结合有限元软件ANSYS的强大分析计算功能,通过使用ANSYS本身提供的APDL语言编制相应的计算程序,进行了大量的2.5维直流电法正演计算,取得了很好的效果,证明了ANSYS在地球物理数值模拟方面有着广泛的应用前景,具有很好的理论价值和应用价值.     

探地雷达时域多分辨法(MRTD)三维正演模拟

应用小波伽略金方法,对Maxwell方程进行离散化,导出了DB2-MRTD算法的探地雷达3D差分公式、数值稳定性条件.在此基础上,开发了探地雷达MRTD(multi-resolution time domain)法正演模拟程序,该程序极大地提高了运算速度,改善了三维探地雷达正演方法,并利用该自制程序,对三角形金属体模型进行了正演模拟,得到了其相应的正演合成三维剖视图及切片图,通过对这些模拟结果进行分析,可以加深对三维雷达反射特征的认识,提高探地雷达探测的可靠性、准确度,同时也说明时域多分辨率法在探地雷达三维正演模拟中的有效性.     

瞬变电磁法正演计算进展

详细介绍了瞬变电磁法正演计算的方法、现状和发展趋势.瞬变电磁法一维正演计算需要将电磁场从频率域转换至时间域,转换方法有三种,分别是Gaver-Stehfest算法、余弦变换和Guptasarma算法.在这三种方法中,使用较多的是Gaver-Stehfest算法和余弦变换,Gaver-Stehfest算法速度较快,但精度不及余弦变换.瞬变电磁法的数值模拟主要集中于2.5维和三维,使用的数值计算方法有积分方程法、有限差分法、有限单元法和SLDM法.积分方程法主要在三维数值模拟中使用,现已很少使用;有限差分法和有限单元法是目前瞬变电磁法2.5维和三维数值模拟的主要方法;SLDM法主要应用于三维数值模拟.我国瞬变电磁法正演计算成果主要集中在回线源激发的瞬变电磁场一维数值计算和利用有限单元法进行2.5维和三维数值模拟.瞬变电磁法正演计算的发展趋势有:数值算法的改进、提高计算效率和研究地形对瞬变电磁场的影响规律.     

边界元算法在电法勘探正演中的应用综述

边界元算法是一种计算量小,方便有效的处理开域电、磁场的数值模拟方法,被广泛应用于电法勘探正演领域.本文详述了用边界元算法对电法勘探中电、磁场进行的正演数值模拟,包括稳定电流场的直流电剖面法、直流电测深法和充电法,大地电磁场和人工源谐变电磁场.其中涉及了2D、3D地电体的正演计算和地形校正.对于目前应用广泛的人工源电磁法的3D边界元数值模拟,提出了六点具体的研究发展方向,希望对今后研究有一定帮助.     

随钻方位伽马测井快速正演及定向井动态监测

钻定向井水平井已成为近些年钻井行业的热点.钻水平井过程中,地质导向起着关键作用,井眼轨迹的动态监测是其中的一个重要方面,包括沿钻进方向钻头距上下界面距离及距界面的垂直距离等,从而使井眼轨迹尽量保持在目的层中,最大限度的提高油气采收率.本文基于方位伽马测井的测量原理并结合几何特征,推导了一种随钻方位伽马测井的快速正演方法,该方法使正演计算中的复杂性大大降低,克服了利用蒙特卡罗方法正演模拟的困难.同时,本文利用方位伽马正演模拟曲线,对钻进过程中沿钻进方向上钻头到层界面距离及钻头距界面的垂直距离进行了反演计算.通过正演及反演结果对比,证明该方法在地质导向中应用的可行性.     

快速汉克尔变换及其在正演计算中的应用

在地球物理电(磁)法正演计算中常涉及贝塞尔函数积分,快速汉克尔数字滤波是最常用的计算方法之一.然而不同的汉克尔滤波系数,计算结果的精度也有所差异.本文对比了五组高精度快速汉克尔长滤波系数的计算精度,分析了不同核函数对计算精度的影响;同时将五种滤波系数应用于电阻率测深法、频域电磁测深法、瞬变电磁测深法的正演计算中,比较了不同滤波系数对响应和视电阻率模拟时精度的变化关系.经过大量的模型计算表明:滤波的精度并不单纯的只与滤波系数个数有关,而是多种因素综合作用的结果.本文的研究对于电(磁)法正演计算汉克尔滤波系数的选择具有指导作用,有利于节省计算机资源,提高计算效率.     

基于全局弱式无单元法直流电阻率正演模拟

全局弱式无单元法是在有限单元法基础上发展起来的一种数值模拟方法,它采用局部支持域内的节点信息来构造形函数实现局部精确逼近,摆脱了单元,仅依赖于节点信息,具有预处理简单、模拟精度高、灵活性强的特点,适用于复杂地电条件下直流电阻率正演模拟.本文采用RPIM构造直流电阻率全局弱式无单元法形函数,利用RPIM形函数推导了直流电阻率全局弱式无单元法方程.然后,编制了直流电阻率全局弱式无单元法正演模拟Fortran程序,利用该程序对典型的地电模型进行了正演模拟,并将正演结果与基于线性插值的FEM正演结果及解析解进行对比,结果表明采用RPIM形函数的全局弱式无单元法用于直流电阻率正演模拟的正确性及有效性,且在同等条件下,全局弱式无单元法模拟精度高于矩形剖分的FEM,更有利于指导电法勘探的数据解译;利用该程序对复杂地电模型进行了正演模拟,结果表明全局弱式无单元法对复杂地电模型模拟效果良好,适应性强,灵活性高,可任意加密节点提高模拟精度.     

等效交错网格高阶有限差分法标量波波场模拟

密度是岩石物性参数的重要组成部分,对储层评价、岩性解释和油藏描述等具有重要作用,因此实际资料应用中含有密度信息的正演建模是必不可少的.作为波动理论应用最广泛的实际资料处理技术——逆时偏移和全波形反演,其正演建模一般采用经典的二阶标量波方程,且不考虑密度的空间变化.而一阶速度-应力控制方程通过交错网格有限差分法正演建模,其精度高于二阶方程但计算成本过高,很难在三维实际资料中应用.鉴于非均质正演在实际生产中所面临问题,本文借用交错网格的思想,充分考虑空间变密度对波传播的影响,提出基于等效交错网格的高阶有限差分建模算法并应用于非均质标量波正演.文中从数学上给出一阶方程和二阶方程在数值模拟中的等价性证明,并分析了震源、边界条件和稳定性.最后通过简单层状模型进行数值测试,对比不同建模方法以验证新方法的准确性;利用高阶精度方法对Sigsbee-2a模型做正演测试,验证本文提出的方法的稳定性.     

基于三角网格模型剖分的高斯束正演数值模拟

高斯束射线追踪方法克服了渐近射线法在复杂焦散区等非正则区域无法传播的困难,无需考虑两点射线追踪,使得适用于更加复杂的地质模型．本文将三角网格模型剖分方法与高斯束方法相结合,推导了射线方程的解析解,实现了三角网格剖分的复杂构造高斯束正演数值模拟．模型试算表明,该方法具有波动方程法正演模拟的计算精度以及射线类正演模拟的计算效率,同时可将复杂构造波场传播问题转化成三角网格内部常慢度梯度模型射线追踪,为复杂构造波场正演模拟提供新思路．     

电法勘探正演数值模拟的若干结果

本文前一部分叙述了点源二维电阻率法数值模拟正演计算的有限单元法,文中采用混合边界条件、用LL~T分解解线性方程组等优化措施,使二维有限单元法电阻率法正演计算的速度和精度都比目前国外流行的L.Rijo方法和程序有了进一步的提高。文中介绍了有关的方法并引入了若干计算结果。本文后一部分叙述了三维电阻率法数值模拟的积分方程近似解法,由于对K.Dieter等人提出的方法作了一些近似处理,并用迭代法求解积分方程表示式,实算结果说明在保证计算精度的条件下,提高了计算速度,从而提高了三维电场正演计算的有效性和实用性。所提出的方法容易推广到激发极化法的正演计算中。     

直流电阻率法2.5维正演的外推瀑布式多重网格法

引入外推瀑布式多重网格法(EXCMG)求解2.5维直流电阻率有限元计算形成的大型稀疏线性方程组,结合基于地址矩阵的压缩存贮方式以及最优化离散波数,使得2.5维电阻率正演程序的计算速度大大提高而内存需求大大减小.研究结果表明:EXCMG法的收敛速度与网格尺寸无关,计算速度明显优于不完全Cholesky共轭梯度(ICCG)...     

耦合有限单元法扩边的直流电阻率勘探无单元Galerkin法正演

本文分析了目前直流电阻率正演模拟中的无单元Galerkin法（EFGM）和有限单元法（FEM）的优缺点,针对采用第一类边界条件需要足够大的计算域时EFGM计算成本高的问题,在计算域外围区域采用FEM扩边,提出了直流电阻率的无单元Galerkin-有限单元耦合法（EFG-FE）.采用具有Kronecker delta函数性质的径向基点插值法（RPIM）构造EFGM形函数,在外围区域将EFGM与FEM直接耦合,无需其他处理手段,消除了传统EFGM与FEM耦合中存在的界面耦合困难.EFG-FE将模型计算域分割为EFGM区域和FEM区域,模型核心区域采用EFGM计算,发挥EFGM灵活性、适应性强和高精度的优点,使得模型建立简单方便,对任意复杂地电模型适应性强,同时获得高精度模拟结果.在模型计算域外围采用快速扩展的FEM单元网格进行剖分,利用其数值稳定性和高效性,使用少量FEM节点和单元网格将计算域大范围扩大满足第一类边界条件,同时不大幅增加计算成本,进而提高计算效率.最后,通过不同正演方法的模型算例的模拟结果对比,验证了本文提出的EFG-FE有效可行,其模拟结果具有很高的模拟精度,且相比于采用第三类边界条件的EFGM提高了计算效率,具有更好的模拟性能.     

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.     

复杂地形三维直流电阻率有限元数值模拟

系统地论述了用有限单元法研究复杂地形条件下三维直流电阻率的正演计算技术.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题以及相应的变分问题;然后利用有限单元法求解变分问题,采用四面体单元对研究区域进行剖分,在单元中进行三线性函数插值,将变分方程化为线性代数方程组;最后,考虑到节约计算时间,利用对称超松弛顸条件共轭梯度迭代算法求解大型线性方程组,得到了各节点的电位值,进而计算出地表的视电阻率.通过理论模型的计算检验了算法的可行性之后,给出了几种常见纯地形异常的数值模拟结果和一个组合模型的计算结果,其研究工作为研究三维直流电阻率反演奠定了基础.     

Three-dimensional forward modeling of DC resistivity using the aggregation-based algebraic multigrid method

To speed up three-dimensional (3D) DC resistivity modeling, we present a new multigrid method, the aggregation-based algebraic multigrid method (AGMG). We first discretize the differential equation of the secondary potential field with mixed boundary conditions by using a seven-point finite-difference method to obtain a large sparse system of linear equations. Then, we introduce the theory behind the pairwise aggregation algorithms for AGMG and use the conjugate-gradient method with the V-cycle AGMG preconditioner (AGMG-CG) to solve the linear equations. We use typical geoelectrical models to test the proposed AGMG-CG method and compare the results with analytical solutions and the 3DDCXH algorithm for 3D DC modeling (3DDCXH). In addition, we apply the AGMG-CG method to different grid sizes and geoelectrical models and compare it to different iterative methods, such as ILU-BICGSTAB, ILU-GCR, and SSOR-CG. The AGMG-CG method yields nearly linearly decreasing errors, whereas the number of iterations increases slowly with increasing grid size. The AGMG-CG method is precise and converges fast, and thus can improve the computational efficiency in forward modeling of three-dimensional DC resistivity.     

大地电磁法三维交错采样有限差分数值模拟

系统地论述了大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟算法实现过程中交错网格剖分、积分公式离散化、边界条件、方程组求解、三维张量阻抗的计算等内容. 由于提出了简洁的边界条件，采用了解大型系数矩阵方程组的双共轭梯度稳定解法，所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法具有迭代收敛稳定、计算精度高、速度快等特点. 通过两个理论模型的计算结果检验了算法的正确性和计算精度. 所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法为研究三维反演问题奠定了基础.     

坑道全空间直流聚焦超前探测模拟研究

常规坑道直流电阻率超前探测方法在掌子面后方观测,受到坑道腔体和工作环境的影响较大,增加了资料解释的难度.利用同性电流相斥原理,并参考地面电阻率垂向测深和直流侧向测井技术设计出适合坑道空间掌子面和侧壁测量的垂直聚焦电位和梯度电位超前探测方案.应用有限元数值模拟技术,对三维坑道空间中掌子面和侧壁探测方案的聚焦超前探测效果进...     

基于自适应有限元的复电阻率法2.5维复杂构造电磁场模拟

复电阻率法在矿产、油气勘探调查中发挥着重要作用.为了认识复杂构造的复电阻率法电磁场的变化规律,本文基于自适应有限元方法,采用非结构化网格,引入Cole-Cole模型,实现了电偶源2.5D复电阻率法电磁场正演,可以模拟复杂地形和地电结构,正演结果更符合野外实际地质情况.通过将本文的计算结果与半空间模型解析解、层状介质和起伏模型结果进行对比,验证了本文算法的正确性.最后,基于复杂地电模型,通过正演模拟,系统分析了地形、激电参数、复杂构造对复电阻率法电磁场的影响特征.     

三维时间域航空电磁有理Krylov正演研究

常规的三维时间域航空电磁模拟通常采用隐式步长方法进行时间离散,需要几次矩阵分解和上百次右端源项回带,计算效率较低.为了提高正演计算效率,本文提出使用有理Krylov方法求解时间域电场扩散方程.首先使用非结构四面体网格进行空间离散,采用Nédélec矢量基函数近似四面体单元内的电场;然后基于有限元离散给出矩阵指数和矢量乘积表示的电场显式解;最后采用有理Arnoldi算法构造Krylov子空间内的正交基函数并进一步求解矩阵指数与矢量的乘积,直接得到任意时刻的电场解向量,避免步长离散过程.此外,本文还提出一种指数加权偏移参数优化方法,使得有理Arnoldi近似在瞬变衰减晚期具备更高的精度,从而降低Krylov子空间阶数并提高计算效率.通过和层状模型解析解的对比验证了有理Krylov方法的精度.针对三维异常体模型使用全局网格和局部网格剖分并和其他数值方法比较,进一步说明了有理Krylov方法的有效性.