随钻超深前视电阻率测井二次场耦合势三维有限体积法高效数值仿真

随钻超深前视电阻率测井是一种新型井中电磁测量技术,能够实现复杂储层探测和开发中井眼轨迹优化与地质导向.本文将基于二次场耦合势三维有限体积法建立一套非均质各向异性地层中随钻超深前视多分量电阻率测井高效数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错网格、非均质网格上的等效电导率标准化技术以及三维有限体积法实现二次场耦合势Helmholtz方程离散,并采用传输线法建立背景电磁场并矢Green函数库,同时结合二维Newton插值技术确定背景电磁场,提高异常体内散射电流场计算效率.在此基础上,针对仪器移动测量方式的特点,通过并行直接稀疏求解器PARDISO求解离散方程,结合并行计算同时确定不同位置发射源产生的电磁场.最后,数值结果验证了算法的有效性,显示了二次场方法具有更高的计算精度;建库插值方法显著提高了背景场计算效率,拓展了二次场方法的应用价值.

     

基于曲波变换的大地电磁二维稀疏正则化反演

为了提高二维大地电磁反演对异常体边界的刻画能力, 我们引入曲波变换建立一种新的稀疏正则化反演方法.与传统的在空间域中对模型电阻率参数求解的方式不同, 我们借助曲波变换将二维电阻率模型转换为曲波系数, 并采用L1范数约束以保证系数的稀疏性.曲波变换是一种多尺度分析方法, 其系数分为粗尺度系数和精细尺度系数, 粗尺度的系数代表电阻率模型的整体概貌, 而精细尺度中较大系数代表目标体的边缘细节.此外, 曲波变换的窗函数满足各向异性尺度关系, 并具有多方向性, 因此曲波变换可以近似最佳地提取目标体的边缘特征信息, 这为我们在反演中恢复边界提供有利条件.通过对大地电磁的理论模型合成数据和实测数据反演, 验证了基于曲波变换稀疏正则化反演对异常体边界的刻画能力优于常规的L2范数和L1范数反演方法.

     

频率测深布极方向偏离轴向或赤道向误差问题的探讨

频率测深最近几年在国内很多地区开展起来,但实际工作中遇到的许多问题仍未得到解决。众所周知,在复杂地形条件下,频率测深工作较难进行。特别是对于预先设计的物理观测点、发收距和布极方向,如果恰好发射或接收点位于复杂地形上(悬崖、河流等),为了使观测得以进行,通常将发射或接收点平行移动一定的距离,这就使得实际的布极方向偏离设计的轴向或赤道向,给观测结果造成误差。本文讨论了目前广泛应用的电偶源发射时,由于实际布极方向偏离轴向或赤道向时,影响观测结果的程度。     

海洋环境中水平电偶极子电磁场特征分析

海洋环境中人工源电磁信号可以用来进行海洋资源勘查、钻前储层评价以及海洋环境中的通信,具有重要的研究意义.为了研究可控源装置在海洋环境中产生的电磁响应特征,本文针对典型海洋层状导电模型,利用由虚界面法获得的电磁场表达式,结合离散复镜像法实现了长导线源产生的电场和磁场的计算.通过数值计算结果可以看出:1)不同的场分量的空间分布规律不同;2)不同方向的Ex分量相对Hy分量受空气波的影响较小,故海洋电磁法勘探应选用Ex分量测量,而海洋通讯系统应选择接收Hy信号;3)同线方向Ex分量相对于赤道方向对海底高阻层的反映明显.本文的研究内容对海洋可控源电磁法测量方式的选择以及通信技术的研究具有指导意义.     

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.

     

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.

     

时间域航空电磁数据变维数贝叶斯反演

为改善反演效果,获得全局最小解,减小反演结果对初始模型的依赖程度,本文将变维数贝叶斯反演应用于时间域航空电磁数据反演。变维数贝叶斯反演方法在贝叶斯方法基础上利用可逆跳跃马尔科夫链蒙特卡洛方法(RJMCMC)实现反演模型层数的变化。这种方法根据建议分布并利用蒙特卡洛方法充分搜索模型空间进行随机采样。只统计同时满足数据拟合要求和接受概率的候选模型,受初始模型影响小,收敛稳定,反演结果可靠,最终可获得反演模型的概率分布和不确定度信息。由于实际飞行中发射源高度很难精确测量,因此本文在反演过程中将发射源高度分为不变和发射源高度变化两种情况。同时本文在电阻率先验概率密度函数中引入加权系数以调整对反演模型的约束强度,可有效地解决电阻率断面中间层反演效果不理想的问题。本文通过反演中心回线装置的H型和分离装置K型、HK型断面添加高斯噪声后的仿真数据以及实测数据,验证了变维数贝叶斯方法反演时间域航空电磁数据的有效性。     

三维频率域航空电磁反演研究

航空电磁数据的三维解释由于数据量大需要有高效的反演算法作为支撑.本文利用两种目前主流的数值优化技术（非线性共轭梯度和有限内存的BFGS法）实现了三维频率域航空电磁反演,并进一步比较了两种方法的有效性和运算效率.在反演过程中,为了更好地反演异常体的空间位置,模型方差矩阵中的光滑系数在反演起始阶段取值较大;当数据拟合差下降趋于平缓时,再利用较小的光滑因子约束反演过程来实现聚焦和获得精确的反演结果.理论数据反演表明这两种优化策略具有相似的内存需求,但是有限内存的BFGS技术比非线性共轭梯度法在计算时间和模型反演分辨率上具有一定的优越性,因此有限内存BFGS法更适合于求解大规模三维反演问题. 模型试验进一步表明目前主流的迭代法求解技术不适合大规模航空电磁数据反演,未来移动平台多源电磁数据快速正反演可通过引入矩阵分解技术来实现.     

频率域航空电磁数据变维数贝叶斯反演研究

传统的梯度反演方法已经广泛应用于频率域航空电磁数据处理中,然而此类方法受初始模型影响较大,且容易陷入局部极小.为解决这一问题,本文采用改进的变维数贝叶斯反演方法实现航空电磁数据反演.该方法根据建议分布对反演模型进行随机采样,并依据接受概率筛选合理的候选模型,最终获得反演模型的概率分布和不确定度信息.为解决贝叶斯反演方法对深部低阻层反演效果不佳的问题,本文通过引入合理加权系数,调整对反演模型约束强度,在很大程度上改善了反演效果.通过对模型统计方法进行改进,在遵循原有模型采样方法和接受标准的基础上,将满足数据拟合要求的模型纳入统计范围,削弱不合理模型对统计结果的干扰.本文最后通过对含有高斯噪声的理论数据和实测数据进行反演,并与Occam反演结果进行对比,验证了该方法的有效性.     

三维随机断裂带的航空时域电磁响应数值模拟

传统的均匀分布异常体模型,不能准确描述地下介质的不规则性变化,采用随机介质进行替代,将使电导率这一物性参数更加接近于实际的电导率分布.本文结合地质结构中断裂带特征,采用Von Kármán函数建立三维随机介质模型,通过讨论Hurst指数与自相关长度对三维随机电导率模型建模产生的影响,进行参数优化建立所需的随机介质模型.利用一维傅里叶变换建立三维随机变化的条状断裂带异常体,三维傅里叶变换建立三维随机变化的背景围岩,准确地表征了油气藏断裂带特征.基于时域有限差分方法,实现了磁源激励下的三维随机介质航空时域电磁响应数值模拟.采用均匀半空间模型验证了数值模拟的正确性,分析了随机断裂带与均匀断裂带的电磁响应特征,结果表明随机断裂带可以准确描述地下介质的分布特征,而且与断裂带垂直方向的电磁响应特征清晰地描述了断裂带的倾向、走向与位置,为断裂带结构探测提供了理论依据和技术指导,三维随机断裂带模拟方法同样适用于其它三维随机介质的数值模拟.