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特征.研究发现,对于发射源水平摆动和倾斜造成的海洋电磁观测数据的畸变,其分布规律取决于接收机所在区域.以发射频率1 Hz为例,对于由发射源水平摆动或倾斜导致的地球坐标系中的两个等效电偶极子分量产生的水平电场Ex,在旁线区域,二者的相位差约为360°,接收机接收到的电场信号约为两个偶极子场之和;而在同线区域,二者的相位差接近于180°,接收机接收到的信号为两者之差.在两个区域的交界处,发射源姿态对电磁信号影响最大.相比之下,发射源水平摆动只改变发射源的位置,不会改变源的性质,其影响主要发生在收发距较小的区域.本文的研究成果有助于海洋电磁系统设计时确定发射源姿态变化的参数指标,同时也为未来实际海洋电磁观测时分析和校正发射源姿态变化造成的观测数据误差提供理论基础.     

新型坐底式海洋可控源电磁发射系统及其海试应用

利用拖曳式海洋可控源电磁发射系统在探测埋藏较浅的天然气水合物资源时,会遇到一些新问题.如拖曳式轴向发射偶极源不能贴紧海底,发射偶极源和海底间海水的电磁衰减,使得10 Hz以上的相对高频能量难以导入至海底以下介质;发射偶极源有可能出现水平或垂向摆动;拖曳式发射时,时间窗口内叠加的数据有限;拖曳路线可能与海底构造走向平行,不利于揭示探测目标体的异常形态.新型坐底式发射系统有望解决上述问题.坐底式发射系统的硬件部分包括甲板端供电和监控单元、长距离电力和数据通信单元,以及水下发射机主体.新型坐底式发射系统的发射电极紧贴海底,没有海水层衰减,有利于相对高频的人工源电磁信号经过海底以下介质传输至接收端;通过超短基线信标更容易精确定位发射机拖体,利用姿态方位参考系统确定发射电极的供电方向,可以精确校正电偶源水平偏角的影响;增加单点供电时间,提高接收信号信噪比;提供两对电偶极源,从两个相互垂直的方向对异常体进行人工源激发.2015年海洋试验的结果表明,坐底式与拖曳式发射系统联合作业,可从多角度对海底异常体进行宽频带电磁激发,为数据采集提供丰富的场源信息.

     

提高海洋可控源电磁法信噪比的方法研究

海洋可控源电磁法(MCSEM)资料解释技术在过去几年时间里飞速发展,但是海底噪声的存在严重影响了海洋可控源电磁资料的解释精度.本文根据国内外文献总结了压制MCSEM噪声的两种方法:时域滤波方法和噪声估计方法.通过对模拟数据的处理,验证了这两种方法在压制噪声中的应用效果.结果表明:时域滤波和噪声估计方法能够较好的压制背景噪声,提高处理结果的信噪比.     

一维垂直各向异性介质频率域海洋可控源电磁资料反演方法

本文提出了一维垂直各向异性(VTI)介质倾斜偶极源频率域海洋可控源电磁(CSEM)资料高斯-牛顿反演方法.在电阻率各向异性介质水平偶极源和垂直偶极源海洋CSEM正演算法的基础上,利用欧拉旋转方法,实现了各向异性介质倾斜偶极源海洋CSEM正演算法.海洋可控源电磁场关于地下介质横向电阻率(ρ_h)和垂向电阻率(ρ_v)的偏导数(即灵敏度矩阵)是解析计算的,结合垂直各向异性介质横向电阻率与垂向电阻率的关系,将各向异性率融入到正则化因子选择中,实现了正则化因子的自适应选择.理论模型合成数据和实测资料反演算例表明,我们提出的反演方法能够较准确的重构海底围岩和基岩的各向异性电阻率以及高阻薄层的埋藏深度、厚度和垂向电阻率.     

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.     

勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统

海洋可控源电磁探测(MCSEM)是勘查天然气水合物资源的有效方法之一.海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分.本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例,研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响,进而指导发射系统研制.该系统包括:甲板升压控制单元,可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机;水下变压器,可将深拖缆中的大功率高压转换为低压;拖曳式大功率电磁发射机,其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲,并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中;借助水动力学设计的发射机拖体,用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定;甲板端上位机监控单元,利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信.2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明,所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源.     

复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演

在使用电偶极发射源的可控源电磁法(CSEM)勘探中,发射源的方位、长度、形状等对观测数据有重要的影响,然而现有的大部分三维数值模拟方法没有全面地将这些因素考虑进来,很多都只能应对非常简单的场源形态,例如单一方位的点电偶极子,这有可能显著降低模拟结果的准确性.本文实现了基于交错网格有限体积(FV)离散的海洋CSEM三维正演算法,能够模拟形态相对复杂的场源,包括任意方位的有限长直导线和弯曲导线发射源.该算法使用一次场/二次场方法,只需对二次场使用FV法求解,避免了场源的奇异性问题;一次场的计算为一维正演问题,使用准解析法求解,并且只要在计算一次场时考虑复杂的场源形态便可以实现同样场源的三维正演.通过与一维理论模型的解析解对比验证了三维程序的准确性,并针对三维理论模型进行了一系列正演测试,初步考察了场源形态对三维正演结果的影响.     

南海天然气水合物远景区海洋可控源电磁探测试验

为了测试我国自主设计与研发的海洋可控源电磁仪器性能及其在水合物探测中的适用性,本文从海洋可控源电磁法基本原理出发,首先根据试验海域水合物地质特征,建立简化地电模型开展理论研究,确定海洋可控源电磁试验的技术方案;利用研发的海洋可控源电磁仪器,在南海天然气水合物远景区开展探测试验,首次获得了我国深水海域的海洋可控源电磁数据.通过对采集数据进行处理与反演,获得了试验剖面的海底电性结构模型,揭示了4号测点下方存在一个50 m厚的高阻层,其电阻率为25 Ωm、顶部埋深为181 m,为该区天然气水合物调查提供了有价值的电性参考资料.研究结果表明,自主研发的海洋可控源电磁仪器性能达到了预期的设计指标,这标志着我国海洋可控源电磁探测技术向实用化进程迈出了重要一步.     

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.

     

海洋CSEM的共中心点域快速反演

海洋可控源电磁法（CSEM）对海底高阻体的反映比较灵敏,可用于天然气水合物探测资料的定性解释和反演研究.海洋CSEM资料的共中心点（CMP）域转换方式,可在横向上较好地分辨高阻储层.本文提出在CMP域实现一维频率域海洋可控源电磁资料高斯-牛顿反演算法.鉴于一维反演是解释地球物理资料的基础,较于二维和三维反演方法有着更高的计算效率和更低的硬件要求,将二维模型的响应在CMP域单元内表达为一维模型的响应,进而运用一维高斯-牛顿反演解释二维海洋CSEM资料.模型数据试算表明,海洋CSEM的CMP域反演速度较快,能够实现二维CSEM资料的反演解释.

     

基于三维模拟的海洋CSEM资料处理

海洋可控源电磁法已经成为海洋油气勘探一个重要工具,但是其资料处理和解释还处于定性和一维模拟阶段.在积分方程三维模拟的基础上对Troll油田实测数据进行了处理,采用人机交互三维模拟寻找背景模型和异常体初始模型,最后对异常体电阻率采用准线性近似快速反演,取得了定量的结果.同时,说明对于二维测线和二维模型依然可以用三维来模拟,其结果优于二维反演.在电子计算机技术快速发展的今天,可以预计三维反演将成为资料处理解释的主流.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性,若仅对海洋可控源电磁(MCSEM)数据进行常规各向同性反演,有可能无法获得准确的反演解释结果,从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性(VTI)条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中,三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法,并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组,有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后,对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演,结果表明:各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释,而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布,展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

虚拟波动域三维海洋可控源电磁场正演模拟

本文基于对应原理将似稳态条件下频率域电磁场扩散方程转换成虚拟波动域电磁场波动方程,采用高阶时域有限差分进行求解,引入复频移完全匹配层吸收边界条件,降低了内存需求,提高了计算效率,并在虚拟波动域用伪δ函数离散电偶极源,实现了虚拟波动域任意取向电偶极源三维海洋可控源电磁场高阶时域有限差分正演算法.通过与拟解析解和频率域三维可控源电磁场数值模拟结果的对比,验证了本文算法的正确性和高效性,且探讨了网格参数和边界条件对不同频率电磁场模拟结果的影响.

     

基于改进的接收点插值算法的频率域海洋可控源电磁法2.5维正演

在海洋可控源电磁法勘探中,接收站常置于海底.在进行海洋电磁场模拟时,由于海水和海底介质存在显著电性差异,这给海底接收点处场值的求取带来困难.本文提出一种新的接收点插值算法,该算法考虑到海底电场法向分量不连续性问题,用法向电流分量进行插值以准确求取海底任意接收点处电磁场值.本文利用交错网格有限差分法实现了二维介质中频率域海洋可控源法（CSEM）正演.对构造走向做傅里叶变换,将三维电磁模拟问题转换为波数域2.5维问题,即三维场源激励下针对二维地电模型的电磁模拟问题.使用交错网格有限差分法,基于一次场/二次场分离方法导出波数域二次电场离散形式,并进一步求得波数域电磁场.采用本文提出的改进的插值算法可求得海底任意接收点处波数域电磁场,采用傅里叶逆变换对波数域电磁场进行积分可得到接收点处空间域电磁场.模型算例表明,与常规的线性插值和严格插值算法相比,本文提出的改进的插值算法具有更高的精度.

     

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.     

陆地可控源电磁法探测效果的频率响应

陆地可控源电磁法的观测资料可依据频段范围近似地划分为近区场、中间区场及远区场,但采用测量相互正交电、磁分量,并计算视电阻率的资料处理方式只适用于远区场数据.为更有效地利用陆地可控源电磁法不同区间场的观测资料,本文结合三维数值模拟技术并采用电场分量直接进行反演的策略,对不同区间电场的响应特征与探测效果进行了分析.数值模拟结果表明：近区电场的异常响应最明显,异常响应不随频率发生显著变化,但纵向分辨能力差;远区电场异常响应随频率发生显著变化,其探测深度取决于频率的高低;中间区场较为复杂,地表电场异常响应的等值线中心并不是位于异常体中心正上方,而是在沿场传播方向上向异常体与围岩的分界面处偏移,并且发现中间区场资料的加入会影响反演结果的准确性.综合合成数据和野外实测资料的反演结果,发现结合近区场和远区场资料而舍弃中间区场资料的反演效果更佳,这为陆地可控源电磁法资料的反演解释提供了一种有效途径.

     

起伏海底地形时间域海洋电磁三维自适应正演模拟

本文基于自适应非结构有限元算法实现海洋电磁起伏海底地形三维正演模拟.通过采用隐式后推欧拉时间离散技术,保证在较大的时间步长条件下获得正确结果.为获得多时间道海洋电磁正演模拟的有效网格,我们采用基于法向电流连续的后验误差估计的自适应方法和网格融合技术;同时为了控制网格数量和保证正演模拟稳定性,我们还在网格融合过程中应用了随机网格挑选技术.对于方程组求解我们使用MUMPUS直接求解器.当时间步长不变时,只需对系数矩阵进行一次分解,大大提高计算速度.将本文计算结果与半空间模型解析解进行对比,验证了本文算法精度.针对海洋电磁半拖曳式和双船拖曳式工作方式,我们通过典型模型的模拟计算,研究海底地形影响及海底高阻层识别特征.