复杂形态回线源激发电磁场的矢量有限元解

回线源瞬变电磁法实际工作中,发射回线易发生形变,这将影响资料处理解释的精度。为此,基于电磁场数值模拟的总场算法,利用矢量有限元法实现了铺设于水平地表的复杂回线源电磁场的三维正演。复杂回线源可视为由一系列首尾相接的电偶源组成,这些电偶源可进一步分解为与笛卡尔坐标系中水平坐标轴平行的一对正交电偶源。通过对比铺设于均匀半空间表面的圆形回线圆心处磁场脉冲响应的一维解析解和矢量有限元法解,验证了三维正演算法的正确性。对于复杂形态高导体地电模型,计算了矩形回线、圆形回线和普通四边形回线激发的磁场脉冲响应。结果表明,发射回线形状主要影响早期电磁响应。     

任意方位电偶源的MCSEM电磁场三维正演

在海洋可控源电磁(MCSEM)勘探中,在深水中被拖曳的电偶源很容易受到洋流的影响而偏离预先设定的方位,从而对观测电磁场造成影响,因此有必要研发能够模拟符合实际情况的任意方位的电偶源MCSEM响应的数值计算方法。首先求出任意方位的发射源激发背景模型产生的一次电磁场,然后将一次电磁场作为三维异常体模型的新场源,再求出异常体引起的二次电磁场,实现了MCSEM的三维正演算法。该方法不仅可以提高发射源附近区域的数值解精度,还可以减少正演模拟网格的剖分数目,从而提高计算效率。采用直接法求解有限差分离散形成的大型线性方程组,不仅便于对多个发射源做并行计算,还可以避免迭代误差。与一维模型的解析解和前人三维模型的数值解对比验证了本文算法的正确性,并分析了电偶源的方位、长度对MCSEM三维数值模拟结果的影响。     

三维地下埋藏点电流源有限差分正演计算

研究了地下埋藏点电流源三维地电介质的有限差分数值方法。首先讨论了三维埋藏直流点电源场方程及边界条件；然后讨论了微分方程的离散化，对于数值求解时电导率应具有一定连续性的要求，采用斯托克斯定理将体积分化为面积分的方法来消除，求解方程利用有限差分技术构成。为了提高计算精度和计算速度以及避免由源奇异性引起的差分计算复杂性，计算时将电位分成二次异常电位和背景电位2部分。在背景场计算中，对地下均匀半空间和水平均匀层状模型的背景场对二次异常场的影响进行讨论。结果发现，将地电模型中各层的电导率和异常体电导率取加权平均，以此作为均匀半空间模型的电导率进行背景场计算时，二次异常场计算结果较差；利用水平层状模型计算背景场，以此为基础计算三维地电场，二次异常场的计算结果有明显的改善。研究表明，利用有限差分数值方法进行复杂地电模型的正演计算，计算速度快，计算结果精度较高。     

层状介质中磁性源频率测深的一种视电阻率算法

参考国外有关文献介绍的方法，通过两个不同方式的磁场测量求取了水平层状介质表面上垂直磁偶极源电磁场及其全频域视电阻率的表达式，简介了视电阻率的数值计算方法，并且用自编程序计算了几种地电断面的视电阻率曲线，以此说明所介绍方法的有效性。     

时间域广义2.5D一阶波动方程曲网格有限差分法数值模拟

2.5D地震波场数值模拟通过在2D地质模型中施加点源从而计算得到3D地震波场。首先通过傅里叶变换得到了一种适用于混合（声波、弹性各向同性、弹性各向异性）介质和各种边界条件（声波自由地表、固体自由地表和固—液边界）的2.5D时域广义一阶波动方程,并采用曲线网格有限差分法求解该波动方程。在各种均匀介质模型（声波、弹性各向同性和弹性各向异性）中,通过对比2.5D数值解与3D解析解和3D数值解,不仅验证了推导的方程和数值求解方法的正确性,而且验证了2.5D数值方法相比3D数值方法在计算效率和内存占用方面有很大的优势。2D数值方法由于线源假设,其解与2.5D数值解相比存在较大的振幅误差和相移,难以直接应用。数值实验结果表明,该2.5D数值模拟方法适用于含各种边界（声波自由地表、固体自由地表和固—液边界）的地质模型。不同于2D波场数值模拟方法,2.5D波场数值模拟方法可直接应用于实际的点源观测数据处理,如2.5D逆时偏移成像。     

水平任意间断圆柱形层状介质中离轴源产生的电磁场

我们研究了水平任意间断圆柱形层状介质中电磁波的传播。介质的介电常数、电导率和磁导率只是ρ和z的函数(即与方位角φ无关),但介质中离轴源产生的场通常是ρ、φ和z的函数。这种2.5维(2.5-D)问题在电磁测井以及光导纤维通讯和集成光学等领域经常会遇到。我们指出,没有水平间断的场的横向电分量(TE)和横向磁分量(TM)之间具有耦合现象,     

倾斜界面的三维声波波场

三维有限差分法已被用于钻井穿透倾斜层情况下的声波波场的模拟。体积源和点力产生的声波波场可表示成通常的单极和偶极响应。本文主要分析了倾斜层的透射系数和反射系数以及准剪切各向异性。 我们发现倾斜层对声波波场的主要影响是使单极和偶极源产生的透射/反射系数产生变化。当偶极源场从松软地层穿过倾斜界面到坚硬地层中时,其透射比穿过水平层时要小得多。SV波和SH波穿过倾斜界面时不同透射导致了较大的方位振幅变化,由此产生强交互耦合分量。然而,排列方向的分量中,方位时间变化很小。对单极波场而言,倾斜界面波的传播似乎比水平界面更光滑。     

波流斜交时大尺度圆柱周围的波浪变形

利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角，并用有限元法求解含流的缓坡方程．得到在缓变地形和斜交定常流场共同影响下的大尺度圆柱周围的波流场的耦合解。     

激励及地电条件与天然气水合物的电偶源电场响应

海底天然气水合物电磁勘探采用动态水平电偶源发射与静态阵列式海底偶极接收的测量方式。基于一维地电模型,求解海底水平层状介质的电偶源电场响应,得到海底两个水平正交电场的传播表达式,据此研究天然气水合物电场响应的影响因素。对供电频率、电偶源离地高度、海水深度、覆盖层厚度以及天然气水合物地层自身的物理化学结构等因素与归一化电场幅值的关系分别进行了计算分析,结果显示:调整供电频率可使归一化电场幅值变化于10-16~10-10V/(A.m2);将电偶源施放至离海底数十米高度进行拖曳可获得较好的作业效果,且不改变信号采集的质量;深水及浅薄覆盖层属于有利的探测环境,该环境下的感应场源具有较高的信噪比;天然气水合物的孔隙度、饱和度影响介质电阻率值,其电阻率越高,电场响应幅值越大。正演模拟结果可对天然气水合物探测设备研制及海洋作业提出切实可行的设计方案。图7参22     

倾斜界面的三维声波波场

三维有限差分法已被用于钻井穿透倾斜层情况下的声波波场的模拟。体积源和点力产生的声波波场可表示成通常的单极和偶极响应，本文主要分析了倾斜层的透射系数和反射系数以及准剪切各向异性。我们发现倾斜层对声波波场的主要影响是使单极和偶极源产生的透射／反射系数产生变化，当偶极源场从松软地层穿过倾斜界面到坚硬地层中时，其透射比穿过水平层时要小得多。ＳＶ波和ＳＨ波穿过倾斜界面时不同透射导致了较大的方位振幅变化，由此     

层状各向异性介质中任意取向电偶源的海洋电磁响应

从麦克斯韦方程组出发,利用双重傅里叶变换和矢量势函数,详细推导出了层状各向异性介质中任意取向电偶源的电磁场计算公式,利用汉克尔数值滤波方法计算得到电磁场,并验证了算法的正确性和精度.有限长电偶源不能作为电偶极子源计算其电磁场响应,尤其是在收发距较小的情况下,可以采用积分法或者将有限长电偶源剖分成足够多的电偶极子源计算其电磁响应后累加得到有限长电偶源的电磁响应.针对海底油气模型,分析了覆盖层和油气层的垂向电阻率在不同姿态发射源下电磁场的变化情况,发现覆盖层和油气层的垂向电阻率对水平电场有很大影响,且轴向装置要比赤道装置受覆盖层和油气层垂向电阻率的影响大.     

利用交错有限差分法进行航空电磁响应的频率域模拟

直升机电磁(HEM)模拟的三维频率域电磁(EM)模拟编码已经实现。当存在空气情况下,利用电场矢量亥姆霍兹方程可避免与一阶麦克斯方程有关的收敛问题。根据散射电场把问题公式化可引入附加的稳定性。根据这一公式,外加偶极予源可用等效源替代,航空地形的等效源具有平滑器空间相关性,比较容易适用于模型。为了计算等效源,在电导率与背景值不同之处就必须计算出整个空间或层状半空间偶极子源的一次场。我们用交错网格上的有     

多层介质中偶极子场的系数推关系

在求解多层介质赫兹矢量位的波动方程中，根据任意两层介质交界面上电磁场切向分量的连续性并利用电磁的对称性，可导出位于任意一层介质中垂直电偶极及磁偶极子、水平电偶极子及磁偶极子四种源所产生的电磁场表达式及其统一的系数递推关系。将垂偶极子场和水平偶极子场叠加可解决地层的井－井、井－地面勘探以及水平井感应测井和感应倾角测井的正演计算问题。     

孔径角对三维波场外推精度的影响

孔径角的选择是影响三维地震波场外推精度和效率的最直接、最关键的因素。本文利用空间频率域的瑞利积分Ⅱ式,对单极源和偶极源的波场外推精度做了理论推导,随后又推出了误差项的解析式。分析表明,振幅误差主要取决于孔径角θ,其他参数如频率f、速度υ、法线距离z等只是有限地影响相位误差。文中通过将外推参考平面网格化,采用离散网格的波函数叠加取代积分求和进行数值模拟计算,验证了解析式的正确性。最后提出高保真(振幅精度≥80％)三维波场外推的最优孔径角选择准则:对于单极源,选择θ>60°;对于偶极源,选择θ≥55°。该准则可用于理论研究,但在处理实际问题时还应做具体分析和综合平衡。     

井下电磁源应用于强化采油处理的研究

本文对井下电磁源做了评价,以实现3D强化采油过程(EOR)的成像。所研究的两种震源为垂直磁偶极子和垂直-近垂直的电偶极与双偶极子。用这些震源司产生理想的井间排列EOR过程的磁场响应。由于井中-地面排列形式对浅层3D-EOR目标体很敏感,我们将这种排列应用于井下电源研究。对于井间排列而言,用来评价震源的标准是经过强化采油和未经强化采油的观测信号振幅,以及偏移处理引起的信号变化量。在评价中已考虑了仪器的噪声。对强化采油前后波场进行比较后,我们发现电源或磁源使波场产生很大的变化。我们已给出了场的变化量级。测量这些变化的关键是尽可能采用最高的频率。此种频率将受到仪器噪声的限制。偏移处理产生的波场变化不象强化采油前后波     

随钻电磁波测井仪器线圈系参数设计方法研究

随钻电磁波测井仪器的关键结构是发射和接收线圈系,主要包含工作频率、线圈间距和源距等3个参数,且这3个参数相互制约.在分析随钻电磁波测井基本原理的基础上,通过数值仿真研究了仪器线圈系关键参数的设计方法.在满足待测地层电导率范围、钻井液电导率、探测深度和可分辨最薄水平地层厚度等探测要求的前提下,并考虑到接收线圈测量精度要求...     

空间—波数域二维强磁场及其梯度张量数值模拟研究

基于磁位泊松方程提出了一种空间—波数混合域二维数值模拟方法。该方法将二维强磁性体磁位满足的偏微分方程通过一维傅里叶变换转化为不同波数之间相互独立的常微分方程,即将二维数值模拟问题转换为一维数值模拟问题,并利用一维有限元法进行求解,可大大降低存储需求和计算量。对求得的强磁场利用紧算子进行迭代以获得高精度近似解。算法中保留垂向为空间域,可根据需求对网格进行灵活剖分,有利于复杂条件下的模拟。另外,不同波数之间常微分方程相互独立,具有较好的并行性。算法充分利用了傅里叶变换的快速性和迭代算法的稳定性,实现了强磁场及其梯度张量的二维数值模拟。设计三个模型(水平地形下的圆柱体模型、棱柱体模型及起伏地形模型)进行计算,对文中方法数值解与解析解、COMSOL软件所得的数值解进行对比,结果表明该算法计算速度快、精度高,适用于起伏地形条件下的数值计算。     

2.5D傅氏变换法声波方程数值模拟及精度分析

 本文在前人研究的基础上,提出了2.5D傅氏变换法的高阶有限差分算法,推导出2.5D高阶差分算子的稳定性条件,重点进行了2.5D傅氏变换法的精度分析,定性分析了影响2.5D傅氏变换法有限差分数值解精度的可能因素,获得了确保2.5D有限差分数值解逼近3D解析解的模拟参数选取的基本原则。数值模拟结果表明：在恰当的波数最大值限制条件的约束下,可变波数步长和高阶差分算子的使用能够确保2.5D数值解满足3D地震波场数值模拟要求。该算法模拟结果正确,精度高,能够节省计算成本,非常适合处理大尺度地震勘探问题。     

稳定地电场三维有限差分正演模拟

本文阐述了用有限差分模拟计算三维稳定点电场的原理,提出了可以节约内存,提高运算速度的剖分网格、差分格式和超松弛迭代数值解的计算方法;采用解析法计算点电源在均匀大地条件下产生的正常电位场,用有限差分法计算地电异常体引起的异常电位场,进而得到实际电位场;简化了三维地电场数值模拟的问题,并且有效地控制了模拟计算精度。     

通过金属套管的电阻率测量

用直流电极排列测量通过套管地层是电阻率方法的基础是电流及电位分布近似式。根据该近似式可导出地层电阻率与由位场测量值及其在套管内的二阶导数求得的横向电阻率的简单关系。本文导出了位场及其导数的数值解,考察了环带半径可变的有限长度套管情况下近似式的精度,以及存在环带半径突变