海底可控源电磁接收机及其水合物勘查应用

海洋可控源电磁法在国外已成为海底天然气水合物调查的有效手段之一.为实现我国海域深水条件下水合物的海洋可控源电磁探测,本文从方法原理出发,采用低功耗嵌入式控制、前端低噪声斩波放大、高精度时间同步和水声通讯等技术,设计并开发了由承压舱、玻璃浮球、采集电路、电场与磁场传感器、姿态测量装置、声学释放器、USBL定位信标、测量臂、水泥块等部件组成的海底可控源电磁接收机,实现了海洋微弱电磁场信号的高精度采集.海底可控源电磁接收机具有高可靠性、低噪声、低功耗和低时漂的特点.利用研制的海底可控源电磁接收机,在琼东南海域进行水合物勘查,采集得到了可靠的人工源电磁场数据.通过数据处理及反演,获得了研究区海底的电阻率模型,结合地震资料,对高阻异常体进行推断解释,其结果为天然气水合物钻探井位布置提供了电性依据.     

MCSEM利用异常场主部分解消除海水层影响（英文）

空气波效应对浅海可控源电磁勘探观测数据影响极大,严重掩盖了勘探目标体的异常效应,影响到后期勘探数据解释精度。为了有效消除空气波效应,本文基于StrattonChu型积分推导了异常主部分解方法,通过该方法得到的异常场主部可以有效消除浅海可控源电磁勘探数据中的空气波效应。理论分析表明,异常场主部分解方法实际上是一个在离散数据集上运行的有限脉冲响应(FIR)滤波器。该方法以积分变换形式实现,是一种稳健的处理方法,能有效抑制噪声对处理方法稳定性影响。数值试验显示,不仅空气-水界面造成的空气波效应,而且整个海水层的效应均可以利用这种分解方法从观测信号中去除掉。该技术对平坦海底和起伏海底均适用。     

带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质正演研究

目前,对于可控源电磁法各向异性介质2.5维问题,主要采用一次场、二次场分离的方法消除场源奇异性并降低截断边界对计算区域的影响.该方法数值计算精度高,但是很难适用于复杂地形条件下的数值模拟.针对复杂地形问题,基于总场的有限元方法表现出一定的优越性,然而,这种方法存在场源奇异性问题和截断边界问题.本文采用基于总场计算的方法对带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质进行模拟研究,推导了考虑电导率和介电常数各向异性的2.5维控制方程;引入网格加密-收缩算法降低场源奇异性的影响范围,提升数值计算效率;引入行波分解边界条件降低截断边界的影响;提出任意采样反傅里叶变换方法,快速、高精度地计算出空间域电磁场分量.理论模型数值算例中:首先,验证了本文算法的有效性;其次,对任意各向异性倾角产生的可控源电磁响应规律进行研究;最后,采用山丘模型对各向异性介质电磁场的响应规律进行了模拟和分析.     

基于局部加密非结构网格的海洋可控源电磁法三维有限元正演

本文基于非结构网格实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演模拟.该算法采用完全非结构网格剖分,可以模拟任意起伏地形和复杂地电模型.为了避免场源的奇异性,采用一次场/二次场分解算法,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维解析公式得到.为了提高算法的精度和效率,采用对测点附近单元和异常体区域进行体积约束加密的方法,实现了非结构网格的局部加密.一、二维模型计算和分析表明,本文采用的局部加密方法能够明显地改善算法的精度,最大相对误差基本在1%以内.对三维模型计算及对比分析,说明了该算法对三维可控源电磁正演的实用性.复杂海底地形模型的正演模拟表明,海底地形对电磁场的影响很大,在进行海洋可控源电磁资料解释时,地形的影响有必要考虑在内.     

可控源海洋电磁勘探中空气波影响的理论分析和数值模拟

可控源海洋电磁勘探(MCSEM)中空气波对海底电磁响应的影响已为业界所熟知,且已提出了多种压制方法.然而,由于空气波与海水层中其它信号相互作用的复杂性,至今其作用机理及对有效信号的影响方式尚未完全清楚,这也阻碍了浅水域MCSEM油气勘探的应用.本文在前人研究的基础上, 基于一维层状介质的电磁位和电磁场分析,采用电磁场的模式分解理论导出了空气、海水层和海底地层之间的相互作用关系.分析了MCSEM电磁响应的影响因素和空气波的作用机理.以无限水深假想模型、三层介质模型和四层介质模型为基础,导出了水平电偶极子(HED)的横电(TE)和横磁(TM)模式的电磁场关系,分析显示了前人提出的上下行波分离进行空气波压制所存在的缺陷.通过理论和数值模拟知道, 利用横电(TE)和横磁(TM)模式受空气相互作用影响的差异和电磁场水平分量与垂直分量受空气层相互作用影响程度的不同可减弱空气波对有效信号的影响,这将有助于实现浅水域海洋电磁勘探数据的有效利用.     

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...     

时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

基于谱元法的频率域三维海洋可控源电磁正演模拟

高精度、快速有效的正演模拟算法是三维电磁正反演的前提.为了提高海洋电磁三维数值模拟的精度和效率,本文提出利用基于Gauss-Lobatto-Chebyshev（GLC）基函数的谱元法进行海洋可控源三维电磁正演模拟.谱元法结合有限元法和谱方法的优点.我们通过应用伽辽金加权残差法离散二次电场矢量亥姆赫兹方程,在单元内选择混合阶GLC多项式的张量积作为高阶矢量插值基函数,在求解大型稀疏线性方程组时利用直接求解器进行快速求解,从而实现了三维海洋可控源电磁快速高精度正演模拟.一维和三维模型正演结果验证了本文算法的有效性和准确性.典型模型的数值结果表明谱元法是一种有效的三维海洋可控源电磁正演数值方法,能在稀疏网格剖分情况下获得精确的海洋电磁正演模拟响应.     

基于二次耦合势的广域电磁法有限体积三维正演计算

与可控源音频大地电磁（CSAMT）相比,广域电磁法通过采用全区视电阻率定义,突破了卡尼亚视电阻率所需的远区条件限制,极大拓展了可控源电磁观测区域和探测深度.考虑到电偶源激发场的三维特征以及地下复杂三维结构,为提高广域电磁数据解释精度,本文实现了基于二次耦合势的广域电磁法三维正演计算.该算法利用Helmholtz定理将麦克斯韦方程转化为库伦规范下的磁矢势和电标势耦合方程,有效改善了离散所得大型线性方程组的谱性质,并通过强加散度条件来消除电场伪解的影响.此外,采用散射场方法,其中一次场使用准解析法求解,二次场使用有限体积法求解,克服了局部激发场源奇异性问题.通过与一维层状模型下电偶源产生的电磁场准解析解对比,验证了本文算法的正确性.在此基础上,利用本文的正演算法对比分析了广域电磁法与CSAMT对典型三维目标体的探测能力,结果表明在相同的观测条件下,广域电磁法能够更准确地反映地下目标体信息,拥有更优的分辨能力.     

2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟

本文实现了2.5维电导率正交各向异性海洋可控源电磁等参有限元数值模拟.利用傅里叶变换导出了电导率正交各向异性2.5维海洋可控源电磁法波数域电磁场耦合方程,采用伽里金加权余量法推导了相应的有限元方程;采用任意四边形单元对研究区域进行剖分,在单元中进行双二次插值,将有限元方程化为线性代数方程组;最后,求解线性方程组并进行反傅里叶变换获得空间域电磁场值.这个方法可以模拟海底起伏地形条件下地下任意形状电导率正交各向异性的复杂模型.与一维模型的数值模拟结果对比表明,电磁场数值解与解析解吻合.二维模型的计算结果与二维自适应非结构有限元模拟结果也吻合.水平海底二维地电模型考察了不同各向异性系数对海洋可控源电磁响应的影响特征.海底起伏地形地电模型的数值结果表明,电导率各向异性对海洋可控源电磁响应影响明显,有可能淹没海底地形和高阻油气藏引起的异常.     

海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究

海洋电磁理论是建立在水平发射偶极的基础上.然而,由于海底洋流作用海洋可控源发射偶极可能产生水平摆动、倾斜和水平旋转,造成测量数据与理想状态的水平电偶极子的电磁响应有较大的偏差.为了研究发射源姿态变化对场的影响,本文提出利用欧拉旋转将发射偶极由源坐标系转换到地球坐标系,进而分析发射源姿态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布...     

基于二次场的海洋可控源电磁法三维有限元正演

根据库伦规范势的定义,推导出关于磁矢量势和电标量势的偏微分方程,为了克服由电流源引起的奇异性和数值模拟计算困难,将电磁总场分解为一次场和二次场,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维正演算法得到,二次场由有限元法计算得到,实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演算法。通过一维数值模拟实例,验证该算法的计算精度。然后,利用该算法对带海底地形的三层储层模型进行正演,分析了海底地形对海洋控源电磁场各分量产生的影响。      

基于微增模型的海洋可控源电磁法三维非结构化矢量有限元数值模拟

为了分析海洋中含金属矿的储油气砂层的成分、结构对于海洋可控源电磁场的影响特征,引入多相微增等效介质模型,结合非结构化网格实现了海洋可控源电磁三维矢量有限元正演.首先对多相微增模型进行了介绍,并分析不同参数影响下的等效电导率变化特征.而后,详细推导了频率域可控源电磁法非结构化矢量有限元方程.接着,利用预处理的IDR （s）迭代算法求解线性方程组.最后设计典型的海洋地电模型,通过正演计算,验证了本文算法的正确性和有效性,同时研究了海洋储油砂层中的金属矿的含量、孔隙度、含水饱和度等参数对于可控源电磁场响应特征的影响.     

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.     

基于非结构网格剖分的海洋可控源电磁三维正则化反演研究

为更好地处理与解释复杂海底地形条件下测得的海洋可控源电磁数据,本文提出了一种基于非结构网格剖分的频率域海洋可控源电磁数据三维正则化反演方法.该方法首先对海洋地电模型以非结构四面体单元进行离散,然后基于矢量有限元方法获得海洋可控源电磁响应和灵敏度信息,最后采用共轭梯度法求解高斯-牛顿反演方程计算模型修正量.为提高反演的稳定性,通过在反演过程中采用对数转换方法实现反演模型参数的上下限约束.本文分别测试了单测线水平海底地形反演算例和面积性测量的起伏海底地形反演算例.反演结果表明,本文提出的频率域海洋可控源电磁三维反演能够准确地恢复高阻储油层的位置和电阻率信息,且计算效率较高,可用于实测海洋电磁资料的处理与解释.     

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.     

基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维约束反演

近年来,海洋可控源电磁法(MCSEM)被引入油气勘探领域以降低勘探风险.在海洋环境中,受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响,地电模型往往会非常复杂.为更好地反映地下电性结构,本文实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演.其中,正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法,所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器(MUMPS)进行求解.反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS(L-BFGS)算法.最后,利用VTI各向异性介质合成数据,分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演,结果表明:(1)基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题;(2)针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演,提高了解的可靠性;(3)针对电阻率各向异性高阻层,Inline和broadside数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映.     

MCSEM电磁场能流密度分布特征研究

采用海洋可控源电磁方法进行海底油气和水合物的勘查,需事先在海底布放接收机阵列,而后用一艘携带深拖缆的科考船将大功率电磁发射机牵引至海底,沿预设路线慢速走航,并将大功率电磁场导入海底.海底的人工电磁场中,空气波和直达波对提取勘探目标体的异常信息不做贡献.只有当折射波经过被测目标体时,产生电磁感应,海底的接收机对此感应信号进行数据采集,经数据处理,揭示被测目标体的几何大小和物理属性.异常体的有用信息与导入海底电磁场的能流密度(坡印廷矢量)有着密切的关系,以致于后者决定了前者的有效探测范围、有效带宽以及尽可能达到的最佳测量精度.能流密度在海底的分布情况十分复杂,但在均匀全空间中可较清楚地认识其分布特征,可为复杂地质条件的情况作理论铺垫.以此推广,在水平层状介质的地电条件下,建立能流密度的数理模型,利用海洋生产作业中的典型物性与几何参数,对海底以下有覆盖层的高阻体(可模拟油气或天然气水合物)进行正演,建立电磁场能流密度分布特征与数据采集技术的有机联系,为海洋可控源电磁发射机和接收机的优化改进提供理论依据.