海洋可控源电磁法三维时域有限差分数值模拟

发布时间：2020-05-12 05:58

【摘要】：海洋可控源电磁法在海洋能源勘探、资源勘查、海洋目标探测中占有重要的地位，也是目前国际海洋勘探领域的研究热点。其中，海洋电磁三维时间域数值模拟是一项重要研究内容，也是具有挑战性的科学难题。本论文在国家863计划项目课题的资助下开展了海洋可控源电磁法三维时域有限差分（FDTDFinite-Difference Time-Domain）数值模拟。 论文在前人TEM勘探的FDTD模拟基本理论和关键技术的基础上，，对海洋可控源电磁法FDTD开展了系统研究，主要研究内容和成果如下。 1.作为FDTD数值计算的检验标准，针对海洋电磁的特点，论文导出了源在导电空间激发的导电全空间、半空间中电偶极子的阶跃电流响应、截断电流响应、脉冲电流响应以及任意电流信号的时域响应解析式。并研究了导电全空间中阶跃电流响应与介质电阻率、传播时间、传播距离之间的关系，通过电偶极子场各个场分量在空间中的分布图分析，直观显示了海洋电磁响应的特征。 2.论文研究了层状导电空间中电偶极子场的数值计算，并将数值计算结果与全空间和半空间的解析结果进行对比，验证了程序的正确性。 3.论文重点研究了海洋环境下FDTD方法适用的控制方程，时空剖分方法，电磁场迭代差分公式，讨论了各类边界条件、稳定性、数值色散和源电流信号等关键技术，推导了扩散方程的三维Du Fort-Frankel格式，导出了“虚拟介电常数”的表达式。 4.论文研究中采用高斯脉冲作为发射信号，完成了电偶极子在全空间的场分布的计算，模拟结果表明：场在初期为椭球型，后期为球形，与解析结果给出的图样相似；同时，全空间高斯脉冲响应与脉冲响应的解析解的时序对应较好；其次，计算了海洋导电半空间的高斯脉冲响应，并与半空间脉冲响应的解析解做了比较；再者，计算了海洋三分空间的电磁场，在高阻异常和低阻异常层的情况下，电阻率异常界面清晰，结果符合先验知识。 5.针对浅海拖缆式海洋电磁勘探模式，应用FDTD方法分别对海洋油气等高阻储层和金属矿产等低阻储层做了一维构造、二维构造、三维构造的三维建模和数值模拟。通过正演数据的异常分析，说明了FDTD法在MCSEM数值模拟中的有效性。 6.提出了海空联合电磁勘探技术模式，开展了频率域一维和2.5维的数值模拟。同时，分别对海洋油气高阻异常和金属矿等低阻异常进行三维建模和FDTD数值模拟，对正演数据用各种方法进行异常分析，并与一维和2.5维频率域计算结果进行比对分析，说明了海空联合勘探模式的有效性，证明了FDTD法对海空联合勘探的可行性。 本文取得了以下性创新性成果： 1.导出了导电全空间、导电半空间中电偶极子任意电流的时域响应解析式。给出了层状导电空间中电偶极子任意电流时域响应的数值算法。 2.较为成功的将FDTD方法用于海洋可控源电磁勘探中，对其方程的建立、稳定性、数值色散、边界条件、虚拟介电常数、初始时刻等关键参数进行了讨论，使用高斯脉冲作为发射信号直接加到方程中，避免了前人使用解析结果作为初始条件加入迭代中的复杂性和局限性。将数值实验结果与解析结果进行对比，验证其有效性。 3.使用FDTD方法模拟了海洋中电磁波传播及与一维、二维、三维构造不同电阻率异常体相互作用的规律和特征，给出了全空间全时段海洋电磁场的时空分布，对海洋电磁研究和资料解释有一定的参考价值。 4.提出了海空联合电磁勘探技术模式，通过一维、2.5维频率域方法和三维FDTD方法时频域相结合验证了该模式的有效性。 本文的研究成果对海洋电磁勘探、设计、数值模拟及海洋目标探测都有参考价值。对CSEM和MCSEM的研究具有重要的理论意义和指导作用。
【图文】：

会和 Caledonia 公司提供实验的资金，由英国爱丁堡大学、 和 DMT 公司共同研究并实施海上实验。由于实验取得了较所用的方法，申请了美国编号为 6914433 的专利。2002 年和 Hobbs，进一步从理论上论证了该种海洋电磁勘探模式可量研究（Wright, ZiolkowskiWright et al., 2002；Wright et t al. 2007），从理论和实际测的数据上，验证了发射伪随机号，效果更好，并提出了多种模式，浅海勘探模式，如图 1如图 1-2。S 公司从 2004 年开始投入研制拖缆式海洋电磁设备，从 在挪威北海海域，每年用该方法对已知油气藏进行实验，法具有极好的效果，目前仅有的几篇文章显示了该方法在的潜力。2012年11月PGS公司再次做了拖缆海洋电磁法的勘藏区域进行更进一步的验证实验工作。2012 年，美国犹他上完成了拖揽式海洋电磁的三维正反演方法研究，并且将机上实现[74-82]。

效果更好，并提出了多种模式，浅海勘探模式，如图 1如图 1-2。S 公司从 2004 年开始投入研制拖缆式海洋电磁设备，从 2司在挪威北海海域，每年用该方法对已知油气藏进行实验，法具有极好的效果，目前仅有的几篇文章显示了该方法在的潜力。2012年11月PGS公司再次做了拖缆海洋电磁法的勘藏区域进行更进一步的验证实验工作。2012 年，美国犹他上完成了拖揽式海洋电磁的三维正反演方法研究，并且将机上实现[74-82]。图 1-1 拖缆式海洋电磁勘探系统浅海模式
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P714;P631.325

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 胥泽银,何永富,周维奎,李华,何永斌,邓培智;解二维扩散方程的DuFort-Frankel差分格式[J];成都理工学院学报;2000年01期

2 胡清龙;王绪本;沙椿;高树全;闵刚;苏永军;;垂直磁偶极子2.5维正演模拟[J];成都理工大学学报(自然科学版);2010年03期

3 刘胜道,龚沈光;并矢格林函数法求解海水中电偶极子电场[J];电波科学学报;2002年04期

4 卢新城,龚沈光,周骏,孙明;海水中极低频水平电偶极子电磁场的解析解[J];电波科学学报;2004年03期

5 余文华;杨小玲;刘永俊;苏涛;Raj Mittra;;并行FDTD和IBM BlueGene/L巨型计算机结合求解电大尺寸的电磁问题[J];电波科学学报;2006年04期

6 徐利明,聂在平,王军;半空间电场型并矢格林函数及其数值计算[J];电子科技大学学报;2004年05期

7 底青云,Martyn Unsworth,王妙月;有限元法2.5维CSAMT数值模拟[J];地球物理学进展;2004年02期

8 陈洁;温宁;李学杰;;南海油气资源潜力及勘探现状[J];地球物理学进展;2007年04期

9 薛国强;李貅;底青云;;瞬变电磁法正反演问题研究进展[J];地球物理学进展;2008年04期

10 董良国,马在田,曹景忠,王华忠,耿建华,雷兵,许世勇;一阶弹性波方程交错网格高阶差分解法[J];地球物理学报;2000年03期

相关会议论文 前1条

1 薛国强;周楠楠;闫述;陈卫营;;电性源瞬变电磁法全场区探测方法[A];中国地球物理学会第二十七届年会论文集[C];2011年

相关博士学位论文 前7条

1 吴小平;TEM中宽频激励源及单脉冲测深方法研究[D];中南大学;2010年

2 石显新;瞬变电磁法勘探中的低阻层屏蔽问题研究[D];煤炭科学研究总院;2005年

3 李慧;海洋瞬变响应理论计算及浅海底瞬变电磁探测技术研究[D];吉林大学;2007年

4 毛立峰;超宽带电磁法正演模拟及反演成像[D];成都理工大学;2007年

5 罗维斌;伪随机海洋可控源多道电磁测深法研究[D];中南大学;2007年

6 张自力;海洋电磁场的理论及应用研究[D];中国地质大学（北京）;2009年

7 刘长胜;海底可控源电磁探测数值模拟与实验研究[D];吉林大学;2009年

相关硕士学位论文 前7条

1 罗锋;海底大地电磁仪采集驱动程序的上位机可视化设计[D];中国地质大学（北京）;2006年

2 刘庆敏;高阶差分数值模拟方法研究[D];中国石油大学;2007年

3 傅俏;导电媒质中似稳瞬态电磁场响应的直接时域数值模拟[D];江苏大学;2007年

4 李云;海底大地电磁数据处理系统研究[D];中国地质大学（北京）;2009年

5 史红蓓;导电媒质中三维似稳瞬态电磁场的FDTD数值模拟[D];江苏大学;2009年

6 史增园;海洋可控源电磁法正演研究与实现[D];中国石油大学;2010年

7 焦健;海洋可控源电磁法二维正演研究与响应分析[D];成都理工大学;2012年

本文编号：2659770