海洋可控源电磁法二维有限元正演及反演

  本文关键词：视网膜自适应光学成像系统在眼科临床的初步应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】进入21世纪，石油和天然气勘探的重点已由陆地向海洋转移。三维海洋地震勘探一直是为海洋钻探提供海底地质构造特征的重要手段，但石油公司面对海洋油气钻探的巨额风险，并不满足于仅获知海底地质构造的特征，还希望在钻探前得知构造内流体的性质，以便提高钻探成功率。对岩性变化十分敏感的电阻率一直是油层解释(如电阻率测井资料解释)的重要标志性参数之一。海洋可控源电磁法是勘探海底油气资源的一种地球物理方法，通过观测油气储层和低阻沉积围岩之间的电阻率差异所产生的电磁异常，从而可以确定油气储层的分布范围。在国外，海洋可控源电磁装备研制和方法研究已较为成熟，正反演研究成果较多，而我国海洋可控源电磁探测技术的研究相对滞后。因此，我们需要加强对海洋可控源电磁场的数值模拟和反演方法的研究工作。本论文在总结前人研究成果的基础上，深入探讨了海洋可控源电磁一维和二维正反演方法和关键技术，主要研究内容和取得的研究成果如下：(1)从麦克斯韦方程组出发，利用矢量位函数，详细推导了直角坐标系下三个方向上电偶源分别在层状各向同性和垂直各向异性介质中的电磁场解析表达式。利用水平旋转角与倾角来分解任意取向的电偶源，求得三个方向上的电偶极距，采用汉克尔变换计算含虚宗量贝塞尔函数的无穷积分，得到三个方向电偶源产生的电磁场，经矢量叠加，即可求得任意取向电偶源的电磁场。采用积分法或者剖分法计算有限长电偶源的电磁场，并分析了这两种方法的计算效率及精度。在收发距较小的情况下，不能将有限长电偶源看作为电偶极子计算电磁场响应，而应采用积分法来计算。用Fortran计算机语言编写了计算任意取向有限长电偶源电磁响应的计算机程序，并验证了算法的正确性和精度。(2)以空气-海水-岩层为背景模型，分析了电磁场响应的振幅与海底岩层电阻率之间的关系，提出了一种计算等效视电阻率的方法，以海洋油气模型为例证明了等效视电阻率方法的有效性。(3)从层状各向同性介质的电磁场解析表达式出发，详细推导了电磁场对各层电导率的偏导数，采用高斯牛顿方法，实现了海洋可控源电磁场一维反演。(4)海洋可控源电磁场2D正演模拟中采用自适应有限元法分别求解关于总场和异常场的边值问题。异常场法中，通过水平层状模型的一次场解析解和二次场有限元数值解的矢量叠加得到电磁场响应。对海洋可控源电磁2D正演模拟中的难点问题进行了详细的测试和分析：1）采用伪delta函数对源进行离散，分析了不同离散方法的精度；2）针对海洋可控源电磁场2D有限元模拟的线性方程组，采用不同的求解器求解，确定了最优的求解器；3）有限元求解过程中，采用非结构化三角单元网格模拟复杂地电模型，利用后验误差估计方法指导网格加密细化，这样在同样网格数量下能够得到更高精度的有限元解，该方法具有精度高、易于模拟复杂地电模型等优点；4）由于海洋可控源电磁法正演计算耗时较长，，计算时间难以接受，正演模拟的并行计算必不可少。(5)在正演研究基础上，开展了海洋可控源电磁场2D反演方法研究。详细分析了海洋可控源电磁场2D反演中的关键问题，如正则化因子选择、模型约束方法等。推导出了计算雅可比矩阵的三种不同方法，并分析了这些方法的计算效率。采用高斯牛顿法作为优化方法，共轭梯度法作为线性搜索算法，当内存不足时，迭代过程中只计算雅可比矩阵与向量的乘积，避免直接求取和存储雅可比矩阵。合成数据反演结果表明，本文反演算法能够很好的圈出海底高阻油气薄层的位置和范围，并能够反演出电阻率值。
【作者】刘颖；
【导师】李予国；
【作者基本信息】中国海洋大学，海洋地球物理学，2014，博士
【关键词】海洋可控源电磁场；正反演；自适应有限元；非结构化网格；等效视电阻率；

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