天然气水合物模型的瞬变电磁响应

在采用瞬变电偶极一偶极装置(ERER)装王的海洋瞬变电磁法对天然气水舍物进行正演模拟计算中,采用了先汉克尔变换(Hankel)后逆拉普拉斯变换法(G-S)的计算方法.由阿尔奇公式计算出水合物层按正弦规律变化的典型海洋地电模型.根据已知的地电模型计算天然气水含物的瞬变阶跃响应的一阶导数.从结果来看,水合物瞬变响应梯度的最小值最能反映出与水合物含量的关系,从中找出对天然气水合物做出了综合的资源评价夏解释工作的有用信息.     

一维时域磁场与频域电场联合反演方法研究

多方法、多参数的联合是地球物理反演的一个重要的发展方向.本文中,在水平电偶极发射下,频率域利用快速汉克尔变换法计算一维水平层状大地的水平电场响应,时间域利用G-S变换计算垂直磁场对时间的导数值.设计了四个简单模型进行对比,正演计算表明时域磁场对低阻体反映极为灵敏,对高阻体反映不灵敏;而频域电场对低阻体及高阻体反映都比较...     

三维CSAMT法非结构化网格有限元数值模拟

考虑到可控源音频大地电磁法(CSAMT)电偶极发射源与地下介质的三维结构特点,本文采用非结构化网格剖分技术,开展了三维CSAMT方法有限元数值模拟研究,将三维电磁场的背景场和异常场分别求解,避免了电偶极发射源的奇异性问题,并减小了计算区域.推导了三维异常电场遵循的有限元方程,加入散度条件进行约束以消除电场伪解;对非结构化网格单元采用高斯加权平均算法,得到了精度较高的异常磁场.针对层状介质模型,与积分方程法对比,验证了有限元算法的正确性;计算分析了典型三维地质模型的电磁响应,异常体反映明显.结果表明本文算法正确、可靠,适用于三维地质模型的CSAMT方法正反演研究.     

脉冲源时间域电磁响应三维正演计算

为了应用时间域电磁法进行深部勘探,需要计算大尺度模型的晚时时域响应.本文将待求解的电磁响应分解为一次场和二次场之和,实现了波形为拟高斯脉冲的大功率脉冲源激励的一次场的计算.对于三维异常体产生的二次场,采用基于非均匀步长交错网格的时域有限差分(FDTD)和非等时步长的迭代算法求解,在层状介质模型的上阶跃响应计算结果对比以及与积分方程计算的瞬断响应结果对比验证基础上,实现了大功率脉冲源激励下晚时时域电磁响应的计算.通过设计一个简单异常体的三维模型,采用电偶极源脉冲电流激发,计算的时间域响应很好的揭示了大功率脉冲源激励的场在地中随时间扩散,以及三维异常体产生的异常场并二次扩散的过程.     

井中垂直双极源体积分方程法三维模拟研究

类比水平方向电偶极源和垂直方向磁偶极源电磁场求解的原理,又利用偶极沿电流方向积分是双极原理,推导出地下均匀半空间中垂直双极源电场和磁场解析计算公式.采用体积分方程法对井中垂直双极源电磁响应进行了三维模拟.它对提高井中垂直双极源圈定储层范围的精度有着非常重要的意义,同时也为井中垂直双极源三维反演问题奠定了基础.     

编码电磁测深

利用逆重复M序列伪随机信号良好的自相关特性,提出相关检测地电传输特性的编码电磁勘探法.分析了编码电磁测深原理及参数提取方法.同时记录发送电流信号和多收发距电磁场响应,对源信号和场信号进行相关运算,解卷积分离接收系统响应后可得到大地的频率特性或时间特性,以此实现地电断面的精细探测.在时间域,大地冲激响应和阶跃响应含有丰富的地电信息.通过冲激响应的峰值时间或阶跃响应的晚期渐近值可估计地电阻率分布.基于层状模型的大地冲激响应和阶跃响应正演计算结果表明,编码电磁测深法对大埋深薄层目标体有精细的分辨能力.可应用于能源、矿产资源、水资源、环境地质及工程地质勘察,有良好的应用前景.     

2.5维起伏地表条件下频率域地空电磁正演模拟

频率域地空电磁探测方法是指在地面布设人工场源,在空中测量电磁场的一种高效的地球物理勘探技术.该方法具有大范围、高通过性、快速测量的优势,尤其适合崎岖山地、沙漠、沼泽、海陆交互带等复杂地貌区域的资源勘查.但是这些地区的地形起伏通常较大,因此分析地形对地空电磁响应的影响具有重要意义.本文利用有限元法对频率域地空电磁响应进行了正演计算,分析了起伏地表条件下的频率域地空电磁响应特征.首先利用傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金加权余量法推导了相应的离散有限元方程组.采用任意四边形单元对区域进行不均匀网格剖分,源和异常体附近网格加密处理,保证计算精度,远离目标区域网格逐渐稀疏,模拟无穷远边界,降低对计算资源的要求.在单元内进行插值,将有限元方程组变换为线性方程组,采用总场算法,利用具有一定面积的伪δ函数表达源电流分布,源项近似为分布在以电偶极源为中心的25个节点上.通过求解线性方程组得到波数域电磁响应,再对波数域电磁场响应进行反傅里叶变换从而获得空间域2.5维频率域电磁场值.通过对比2.5维正演结果与均匀半空间解析解,验证了本文算法的精度,同时本文还对地空电磁场与地面电磁场的响应特...     

海底油气藏地质模型的冲激响应

海洋可控源电磁法(mCSEM)的时间域冲激响应特征可以反映海底油气高阻薄层.本文计算了水平电偶极子源均匀大地半空间,海洋均匀双半空间和海洋四层模型的阶跃响应和冲激响应,提出了瞬变冲激时刻的概念.分析了水平电偶源瞬变冲激时刻与介质电导率的指示关系.对于海底油气高阻薄层宜采用多偏移距同时测量方式,由于在低电导率介质中电磁能量传播得要快,在适当的收发距瞬变冲激时刻会提前到达,提出的瞬变冲激时刻道间变化量可以明确指示高阻薄层的存在及埋深.文中还分析了海水深度对瞬变冲激时刻的影响.由于“天波”干扰,瞬变冲激响应受到一定收发距观测的限制.消除 “天波”影响是时间域和频率域mCSEM数据处理的研究热点.     

瞬变电磁法2.5维有限元数值模拟研究

本文对瞬变电磁法2.5维有限元正演进行了研究.从频率域麦克斯韦方程组出发,经过傅里叶变换推导出了走向y方向频率域电磁场响应的变分问题,然后运用频率域和时间域的转换公式求解出时间域瞬变电磁场的解.在求解频率域电磁场响应时为提高精度采用了基于二次插值的高阶有限元的算法,即单元网格插值为二次函数,同时推导出了经有限元离散后的泛函问题;在求解时间域电磁响应采用了正余弦变换的数字滤波算法.通过基本模型的正演,验证了算法的可行性.同时,也对比了基于G-S变换的线性有限元算法的数值结果,结果表明,本文采用的算法精度更高,层状模型最大延迟采样时间提高到了100 ms以上.     

水平层状大地中任意方向偶极源激发的电磁场

目前已存在多种物理模型用于解释地震前兆电磁异常,不同机制下产生电磁波场的源可等效为不同类型偶极源(磁型/电型)的组合.针对不同偶极源激发的电磁响应特征的研究对地震孕育过程中观测的电磁信号的提取与解释具有重要意义.基于此,本文推导了一套正演算法,可用于研究任意方向(方位角和倾角)、大小和位置的一个或多个偶极源在地壳或岩石圈-大气圈-电离层(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere, LAI)模型中产生的电磁波场的传播特征.基于多源组合,该算法可进一步拓展到线电流源和面电流源的电磁响应的计算.本文给出了水平、垂直和倾斜电偶极源响应计算的实例,并针对不同类型的偶极源激发下的地中、地面以及空间电磁场响应特征进行了初步分析.模拟结果显示,相比于单纯水平或垂直的电偶极源,地中倾斜电偶极源激发的电磁响应在地表的各场量辐射花样虽然仍可反映偶极子的方位角和空间位置,但不再具有对称性,其模式更复杂.本文提出的正演算法可用于地中低频电磁辐射源的正演模拟和反演定位.     

时间域航空电磁系统瞬变全时响应正演模拟

近年来很多专家学者致力于时间域航空系统正反演的研究.本文针对一维均匀层状介质和三维模型进行正演.不仅计算垂直方向上的电磁响应,还计算了同线方向上的电磁响应,为航空电磁多分量观测提供理论依据.通过比较航空电磁系统的脉冲响应和阶跃响应特征,发现脉冲响应在早期时间存在奇异性,造成计算不稳定.然而,阶跃响应在早期时间没有奇异性,因而利用系统的阶跃响应可得到一种计算时间域航空电磁系统全时响应的稳定算法.该算法具有较高的精度,并很好地保持了磁场强度B和磁感应dB/dt关系的一致性.该算法推广到三维地质体的时间域正演模拟亦取得很好的效果.     

基于神经网络的时间域直升机电磁数据电导率深度成像

采用G-S变换以及高斯数值积分法,形成了时间域直升机的航空电磁响应正演样本集,分析了飞机测量过程中吊舱高度变化对电磁响应的影响,并将吊舱高度的变化等效成电导率为零的假层厚度的变化,以去除高度计等的影响.以假层半空间模型为基础,研究了基于人工神经网络的电导率深度成像算法,通过分析两个三层模型的电导率深度成像结果得出,神经网络方法计算时间域航空电磁探测的视电导率精度较高,特别是对高阻层的视电导率计算.     

利用数值积分提高一维模型电偶源电磁测深响应计算精度

讨论了直接利用数值积分提高电偶源电磁测深响应计算精度的方法．具体为对Hankel积分进行直接积分，结合连分式展开方法以提高积分求和的收敛速度．利用该方法对均匀半空间和层状(两层)模型的电磁测深响应进行了模拟，结果表明与常规的快速Hankel滤波方法相比，采用直接数值积分能明显提高电偶源频率测深响应计算精度．从而为获得高精度瞬变测深晚期响应提供算法基础．     

海底油气藏及天然气水合物的时频电磁辨识

提出了伪随机多频海洋电磁法观测方案.采用伪随机多频信号作为激励场源,多偏移距同线偶极-偶极同时观测,相关辨识海底地电系统的频率特性和冲激响应,可以在时间域和频率域同时辨识海底高阻薄层.在时间域,瞬变冲激时刻可以直接指示海底地层电导率的变化;在频率域,利用多个频率的电场响应计算的频散率及其道闻变化量,相对相位道间变化量对高阻薄层有很好的反映.从而实现对海底油气及天然气水合物的多参数辨识.     

电性源瞬变电磁初探

随着中国经济的发展,油气资源成为制约我国发展主要瓶颈之一.电性源瞬变电磁在油气资源的勘探中取得了不错效果.为此本文开展了对电性源瞬变电磁的相关研究,本文首先对电性源瞬变电磁的两种主要模拟方法,G-S变换和余弦变换做了对比,认为GS变换结果精度较余弦变换精度要高.为了实际工作中解释的方便,又分别定义了电性源瞬变电磁各场视电阻率,为其解释带来了方便.最后,本文对其参数的选择进行了较详细的研究,通过时电性源赤道装置与偶极装置的对比研究,表明赤道装置可以对地下结构取得较好的探测效果,偶极装置可以取得较高噪比的数据.通过对激励源的研究表明,阶跃激励源激发的场视电阻率很好地反映了地质结构的变化,而脉冲波激发的场对异常体反映明显.通过对Hz场和Ex场的研究表明,Hz场在小收发距时即可进行大深度探测,并具有较高的信噪比,Ex场则对高阻体探测效果非常突出.     

多源频率域地空系统三维电磁响应分析

地空电磁法已经成为深部资源勘探的重要地球物理方法,但对频率域地空系统的三维多源电磁响应特征研究较少.本文设计了多种激励源组合方式,采用非结构化有限元数值模拟方法,对三维地电模型的空中垂直磁场的响应特征进行了研究.首先推导了基于电场的双旋度公式及其变分形式,加入罚项以减少伪解的影响.接着把有限元稀疏矩阵方程转换为频率的函数,采用Krylov子空间投影方法,通过模型降阶算法降低稀疏矩阵的阶数,实现多频点的快速计算.建立了三维低阻体模型、高阻体模型以及两个相邻低阻体模型,分别采用单源、双源、三源和四源激励模式,从垂直磁场的总场、二次场响应和全域视电阻率等方面进行分析比较.结果表明:多源地空电磁法不仅可以增加总场的强度,而且可以改变异常体的二次电磁响应分布规律.各电偶源延长线呈正三角形分布的三源和矩形分布的四源激励模式在增强信号强度以及削弱异常体的边界效应方面具有一定的优势,是一种优化的多源激励方式.     

瞬变电磁频-时转换混合优化算法研究

瞬变电磁正演的常规算法是把频率域响应转化到时间域,通常有三种方法:Guptasma算法、余弦变换折线逼近算法和Gaver-Stehfest逆拉普拉斯变换算法.在计算精度上,余弦变换折线逼近算法难以求出符合精度的感应电动势,误差集中在晚期,但是当频率范围取值合理时,可以得到精度较高的磁感应强度.Guptasma算法和Gaver-Stehfest逆拉普拉斯变换算法在晚期通常有较大误差,而早期的感应电动势和磁感应强度精度都较高.在计算速度上,Guptasma算法最快,折线逼近算法由于需要计算大量频点导致速度很慢.因此,为了能够既快速又有效的完成频率域到时间域的转换,为反演奠定基础,本文以电性源为例,设计出一种新的混合算法,该算法在早期采用Guptasma算法,在误差较大的晚期采用余弦变换多项式近似算法,首先求出磁感应强度,然后采用数值差分的方法求得感应电动势.通过对Guptasma算法、余弦变换折线逼近算法以及混合优化算法的最终结果的误差和运算时间进行比较,说明混合优化算法充分发挥了Guptasma算法和余弦变换折线逼近算法的各自的优势,计算速度较快且精度较高,能够取得较好的效果.     

不规则回线瞬变电磁法一维烟圈反演研究

瞬变电磁法中最常用矩形或圆形回线,但有时由于地形限制,只能使用不规则回线发射和接收.如果仍用现有的常规回线理论进行处理解释,得到的结果会存在很大的偏差.本文首先进行了不规则回线瞬变电磁法一维正演理论研究,基于电偶极子源的频率域响应公式,通过沿回线积分和时频转换,推导出不规则回线源在水平层状介质中的时间域响应公式.采用欧拉算法、高斯积分和快速汉克尔变换,计算不规则回线内任意一点处的磁场响应.利用改进的二分搜索法计算全区视电阻率,并在此基础上利用烟圈法反演电阻率和深度.通过四个典型地电模型的正反演计算,表明烟圈法反演能够有效反映地电模型的大致形态,可以用于不规则回线瞬变电磁数据的快速反演解释.     

地面矩形大定源电磁法频率域三维非线性共轭梯度反演

本文实现了地面矩形大定源三维频率域反演.矩形大定源三维模型响应计算采用交错网格有限差分技术.正演的微分方程为异常电场满足的非齐次Helmholtz方程,方程右手边源项中的大定源产生的背景格林函数由虚界面法结合虚框法计算.频率域三维反演采用非线性共轭梯度反演技术.反演的数据类型为垂直磁场的频率域响应Hz的实部和虚部分量.数值结果表明,(1)三维模型正演模拟数值结果与前人一致,为三维反演奠定基础;(2)针对两个三维导电模型,分别进行了三维反演数值试算.反演结果可以清晰恢复出异常体的电阻率和位置信息,表明地面矩形大定源三维频率域非线性共轭梯度反演具有可行性.本文研究的意义在于,在电磁响应时频转换技术的基础上,如果将野外实测的瞬变电磁数据变换为对应的频率响应,则结合本文提出的三维反演技术,可以为矩形大定源瞬变电磁数据的三维解释提供一个新的思路.     

海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制

海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极-偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/√HZ @(1~100Hz).将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.