电性各向异性地层频率域电磁响应模拟

在现有计算机内存和运算速度条件下,电性各向异性地层中频率域电磁响应的数值模拟是一个难点. 为探索各向异性介质模型电磁响应的有效算法,同时为进一步研究各向异性地层测量响应的校正方法奠定基础,从Maxwell电磁响应方程出发,使用由三个彼此垂直的发射线圈和三个彼此垂直的接收线圈组成的线圈结构模型,应用交错网格有限差分法推导了三维频率域电磁响应的差分计算格式,采用预条件双共轭梯度法对所形成的复系数矩阵进行了迭代求解,从而得到电性各向异性地层模型下的线圈测量响应. 应用这些方法进行了多种条件下电磁响应的计算,计算结果表明,所形成的计算方法是准确可靠的,预条件双共轭梯度法的运算效率也较高;电性各向异性地层的电磁响应与地层倾角（或井斜角）、仪器测量方位、地层的水平电阻率和垂直电阻率有关;根据水平方向磁场强度分量可以确定地层界面;在电磁响应计算过程中,背景电导率的取值要尽量接近整个计算区域的平均电导率.     

复杂地下异常体的可控源电磁法积分方程正演

可控源电磁法具有分辨率高及抗干扰能力强等特点,是一种重要的地电磁勘探方法.目前,可控源电磁法的高精度正演计算一直是其核心研究问题之一.传统积分方程法一般采用近似积分公式、简单矩形网格和近似的奇异性体积分计算技术,制约了体积分方程法处理复杂地下异常体的能力,降低了计算精度.针对上述问题,本文基于完全积分公式、四面体非结构化网格和奇异体积分的精确解析解来高精度求解复杂可控源电磁模型的正演响应.首先,从电场积分公式出发,推导了可控源电磁问题满足的积分方程;其次,借助于非结构化四面体网格离散技术,实现了地下复杂异常体的有效模拟.最后,利用散度定理把强奇异值体积分转换为一系列弱奇异性的面积分公式,并通过推导获得了这些弱奇异性的面积分公式的解析解,从而最终实现三维可控源电磁问题的高精度积分求解.以块状低阻体地电模型为测试模型,采用本文提出的积分方程方法获得的数值解与其他公开数值算法解进行对比分析,其对比结果具有高度的吻合性,验证了算法的正确性;同时,设计了球状及复杂地电模型进行算法收敛性测试,进一步验证算法的正确性以及能够处理地下复杂模型的能力.

     

一种新的三维大地电磁积分方程正演方法

采用规则六面体单元和并矢Green函数奇异积分等效积分技术,已有的大地电磁积分正演方法具有不能有效模拟地下复杂地质体和计算精度偏低的缺点.本文提出了一种新的三维大地电磁积分方程正演技术,即采用四面体单元、解析的并矢Green函数奇异积分表达式,达到既能模拟地下复杂异常体,又能有效提高已有积分方程法计算精度的目的.首先,采用四面体网格技术离散地下复杂异常体,获得四面体单元上的大地电磁积分方程.然后,利用针对四面体单元开发的新的奇异值积分的解析表达式,准确计算线性方程中的并矢Green函数的奇异积分,从而获得精确的线性方程.借助于PARDISO高性能并行直接求解器,实现了三维大地电磁问题的高精度求解.最后,基于国际标准3D-1模型和六棱柱模型,通过与其他方法结果的对比分析,验证了本文方法的正确性、处理高电导率对比度的能力（1000：1）和处理复杂模型的能力.

     

利用积分方程法的大地电磁三维正演

利用积分方程法实现了均匀导电半空间三维大地电磁响应的数值模拟。求取张量格林函数积分时,采用二次剖分算法解决计算中奇异值问题,对于含有贝塞尔函数的积分项,利用结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,确保了张量格林函数的正确计算并提高了计算精度。最后通过数值模拟结果的对比及模型试算验证了算法的正确性,所实现的三维大地电磁数值模拟算法为理论研究三维地电构造的大地电磁响应的分布规律提供了有效的工具,也为研究三维反演算法奠定了基础。     

体积分方程法模拟电偶源三维电磁响应

利用体积分方程法模拟电偶源激发时均匀导电半空间频率域三维电磁响应.讨论了张量格林函数的计算,对于需要计算三重积分的张量格林函数电荷项一次部分,应用一种差分近似的方法求解,这种方法在保证计算精度的同时更加便于计算机实现;采用二次剖分的算法解决了计算张量格林函数时的奇异值问题;计算含有贝塞尔函数的积分项时,利用一种结合连分式展开的高斯求积代替常规的快速汉克尔变换方法,在确保正确计算的同时提高了计算精度.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.

     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

层状介质中三维大地电磁模拟

本文发展了积分方程法用于层状介质中三维不均匀体的大地电磁模拟算法（简称MT）.分为二个步骤:第一步,异常体用等效的散射电流代替,通过层状介质中的格林函数,建立以散射电流为未知参数的积分方程;第二步,把求得的散射电流乘上相应的格林函数,即得地面上的二次电磁场,由此而计算出各种MT响应. 文中采用了数值滤波与插值、群变换以及格林矩阵带状化三个方面的数值处理方法,提高了计算效率.通过与已发表的三维MT计算结果对比及格林函数互易性检验,表明了该算法的正确性.在此基础上,进行了数值模拟,初步讨论了三维MT曲线的畸变特点.     

大地电磁全张量响应的一维各向异性反演

目前大地电磁(MT)测深资料反演主要基于各向同性介质,但随着MT实际应用的需要,各向异性研究已逐渐引起关注.我们采用广泛应用的广义逆法对一维MT水平层状各向异性介质模型反演进行了探索性研究,并实现了MT全张量响应(即所有的阻抗张量的视电阻率和相位)的一维各向异性反演.理论模型试验表明,无论理论观测值中是否含有噪声,这种方法都能够较好地恢复真实模型,验证了其正确性和有效性.将此方法用于MT实测资料时,能够同时拟合4对视电阻率和阻抗相位曲线,说明本方法可以用于实测资料的处理解释,具有一定的实用价值.     

层状介质中三维大地电磁模拟

本文发展了积分方程法用于层状介质中三维不均匀体的大地电磁模拟算法（简称MT）.分为二个步骤:第一步,异常体用等效的散射电流代替,通过层状介质中的格林函数,建立以散射电流为未知参数的积分方程;第二步,把求得的散射电流乘上相应的格林函数,即得地面上的二次电磁场,由此而计算出各种MT响应. 文中采用了数值滤波与插值、群变换以及格林矩阵带状化三个方面的数值处理方法,提高了计算效率.通过与已发表的三维MT计算结果对比及格林函数互易性检验,表明了该算法的正确性.在此基础上,进行了数值模拟,初步讨论了三维MT曲线的畸变特点.     

Sensitivity and inversion of marine electromagnetic data in a vertically anisotropic stratified earth

The controlled‐source electromagnetic (CSEM) and magnetotelluric method (MT) are two techniques that can be jointly used to explore the resistivity structure of the earth. Such methods have, in recent years, been applied in marine environments to the exploration and appraisal of hydrocarbons. In many situations the electric properties of the earth are anisotropic, with differences between resistivity in the vertical direction typically much higher than those in the horizontal direction. In cases such as this, the two modes of the time‐harmonic electromagnetic field are altered in different ways, implying that the sensitivity to the earth resistivity may vary significantly from one particular resistivity component (scalar, horizontal or vertical) to another, depending on the measurement configuration (range, azimuth, frequency or water depth). In this paper, we examine the sensitivity of the electromagnetic field to a vertically anisotropic earth for a typical set of configurations, compare inversion results of synthetic data characterizing a vertically anisotropic earth obtained using the isotropic and anisotropic assumptions and show that correctly accounting for anisotropy can prevent artefacts in inversion results.     

利用积分方程的加速迭代算法计算随钻电磁波电阻率测量仪器的响应

采用改进型逐次逼近解法(MSAM)和Aitken加速技术相结合的迭代算法计算二维积分方程.该算法将纵向成层原状地层作为背景地层,将计算区域限制在井眼和侵入带内,具有未知量数目少、收敛速度快、计算精度高的优点.利用该算法对随钻电磁波电阻率测量仪器在轴对称二维地层中的响应进行数值模拟.模拟结果显示,幅度衰减曲线和相位移曲线受井眼、侵入和围岩的影响程度不同,二者径向探测深度和垂向分辨率也有差异,利用补偿后的幅度衰减电阻率曲线和相位移电阻率曲线交叉点的坐标可精确确定地层层界面位置.     

磁性层状介质的CSAMT电场分量响应特征

在传统的勘探电磁学理论中,往往把岩层磁导率近似看成空气中的磁导率,从而得到简化后的电磁场响应式,主要用于指导非磁性介质情况下的电磁探测.本文开展了磁性介质的电磁响应理论、数值模拟和特征分析等研究,以便实现对磁性矿体的电磁精细探测.首先推导出磁性层情况下的电磁响应表达式;然后,计算了几种典型磁性介质地质断面的响应曲线,并对其响应特征进行了分析;研究结果表明：当磁性层位于地表时,当表层相对磁导率μr>1.2,磁性层对电磁测深曲线具体明显的影响;当岩层为中间层时,只要μr>1.2,对H型、A型曲线中段会有影响.对H型曲线,主要表现在使极小值处的曲线抬高、变宽,以致使曲线形态发生变化;当磁性层处于最后一层时,不论岩层的磁导率是多少,对各类二、三层曲线来讲,不会影响曲线的形态,只是使渐近线前第一个极值点的位置右移,极值点至渐近线之间的线段变得较为陡峭.     

Group theoretic reduction of the electromagnetic impedance matrix for large-contrast symmetric prisms in a layered earth

Calculation using integral equations of the electromagnetic response of a geologic body which is much more conductive than the surrounding media requires the use of both current pulse and current tube basis functions. The impedance matrices for such cases can be large and expensive to form, factor, and solve. However, if the surrounding media is layered and the scatterer is symmetric under symmetry operations which preserve the depth of transformed points, then we can apply group representation theory to drastically reduce storage and computation requirements. I discuss this application of group representation theory in detail, using the symmetry groupC ₂ for purposes of illustration. In a sample calculation for a body which is invariant under the symmetry operations of the groupC ₂ , storage was reduced by a factor of 4, matrix formation time was reduced by a factor of 2, and the sum of matrix factorization and solution times was reduced by a factor of 10.     

横向各向同性介质中用于井-地传输的电磁波的准确快速计算

井-地电磁传输系统是解决随钻测量(MWD)中观测的各种参数(井斜、井周速度、电导率、孔隙度)和井场的指令在井-地间实时传输问题的新思路,应用潜力巨大,受到了相关研究人员的广泛关注.本文提出了一种在横向各向同性介质中精确、快速地模拟井-地电磁传输中电磁波传播、分布的方法,为井-地电磁传输系统的设计、开发提供必要的支持.该方法利用矩量法将沿钻杆分布的电流离散,并基于钻杆上电流分布与格林函数的乘积的积分对散射电磁场进行计算,经过与基于有限元法的COMSOL软件模拟结果对比,验证了该方法的有效性.同时还讨论了钻杆电导率、工作频率、横向各向同性异常层、目标层电导率等参数对电磁场的影响.研究发现高电导率的钻杆能提高电磁波的辐射能力,钻杆上电流分布、地面接收的电压信号对地层模型横向电导率的变化较电导率垂向分量变化更敏感.

     

用矢量有限元方法模拟随钻测井仪在倾斜各向异性地层中的电磁响应

用矢量有限元法模拟和分析了电各向异性倾斜沉积岩层的随钻测井电磁响应,为很好地模拟钻铤、井眼和激励线圈等,采用了基于圆柱坐标下的六面体剖分;同时采用了高阶叠层矢量基函数来描述每个剖分单元内的场,有利于减少剖分单元数和未知量.三维有限元程序采用数值模式匹配(当处于简单地层时)以及时域有限差分法计算的结果进行了验证,显示吻合非常好.最后仿真了不同各向异性系数和不同倾角的各向异性地层的随钻电阻率测井响应,有助于对各向异性及地层倾角的校正,以及对储层作出正确评价.