CN106443803A - 基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘测技术领域，涉及一种海洋可控源电磁响应的计算方法。该方法利用安装在发射装置上的GPS/深度传感器测量发射装置与预定测线的位置偏差，将位置偏差数据代入地质计算模型，将电偶极子发射源等效为有限长线源并进行分段计算，将分段的任意形态的长直导线分解为观测坐标系下水平和垂直的等效电偶极子，分别计算各段的电磁响应，采用解析公式求解背景场，利用交错网格有限体积法求解感应场，通过矢量场的叠加，得到分段导线以及基于发射源实测形态数据的海洋可控源电磁响应。本发明的计算方法，可精确监测发射源形态参数，最大程度上逼近实际作业工况，采用的有限长线源处理方法可有效提高电磁响应计算和反演的准确性。

Description

基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法

技术领域

本发明属于地球物理勘测技术领域，涉及一种海洋可控源电磁响应的计算方法。

背景技术

海洋可控源电磁法是探测海底油气资源和矿产资源的一种有效的海洋地球物理勘测方法，在降低深水油气勘探风险、减少多解性方面起到了重要作用，已成为发达国家进行深水油气勘探的重要手段。在海洋油气勘探作业中，一般用地震法找出油藏的有利地质构造，同时运用可控源电磁法得出存在的高阻异常，两者综合起来，可显著提高勘探的成功率。

地质模型的电磁响应是电磁探测的基础，尤其是精确的电磁响应计算方法更是需要解决的问题。它是反演成像的基础，关系到反演成像的计算精度和收敛速度。但是在实际数据处理中，大都假设海底的电偶极子发射源为理想的水平状态。实际深水海洋环境是复杂多变的，海底存在着由内波、潮流及地形起伏等导致的海底洋流。海洋电磁勘探中发射源的长度为100-300米，在海底洋流和电缆自重等外力作用下，电偶极子发射源不可能严格按照预定的测线移动，可能产生方位的偏离，自身也可能发生弯曲或偏转，几何形态变得复杂。发射源形态的变化必然会导致测量数据与理想条件下计算的电磁响应发生偏差，从而降低海洋可控源电磁法探测的准确性，甚至导致错误的反演结果。因此，获取真实状态下的发射源形态数据，研究复杂形态参数下的电磁响应计算方法具有重要的工程应用价值。

近几年相关研究人员在发射源形态参数对电磁响应的影响方面开展了一些研究工作。Streich和Michael(Streich R,Michael B.2011.Electromagnetic fieldsgenerated by finite length wire sources:comparison with point dipolesolutions.Geophysical Prospecting,59(2)：361-374.)认为发射源的长度、方位等可能对勘探靶体的正演响应产生巨大的影响。刘云鹤等(刘云鹤，殷长春，翁爱华，等.海洋可控源电磁法发射源姿态影响研究[J].地球物理学报，2012，55(8):2757-2768.)研究了发射源形态变化造成海洋电磁观测数据的误差分布特征，研究表明因为发射源形态变化导致数据畸变，严重影响勘探的反演结果。当前，研究人员对于发射源形态变化对测量数据具有重要影响已经达成共识，但对于如何处理和消除该影响，以及如何计算发射源复杂形态下的电磁响应还没有较为实用的处理方法。此外，韩波等(韩波，胡祥云，Schultz A，等.复杂场源形态的海洋可控源电磁三维正演[J].地球物理学报，2015，58(3)：1059-1071.)的研究表明线源与点源的场差异最大的地方除了场源附近的一小片区域外，还包括一个延伸得较远的“X”型区域。Ward和Hohmann(Ward S H,Hohmann G W.1988.Electromagnetic theory forgeophysical applications.Nabighian M ed.Electromagnetic Methods in AppliedGeophysics.SEG.131-311.)指出，只有当观测点到发射源中心的距离不小于发射导线长度的5～10倍时，发射源才能近似为点电偶极子。依照这个标准，海洋可控源电磁勘探的发射源都不应该被视为点电偶极子，而应该作为有限长线源来对待。然而当前对于海洋可控源电磁响应的研究均采用将发射源作为点电偶极子的处理方法，降低了计算的准确性。

目前针对发射源形态变化采取的措施是通过对发射源动态位置和航迹信息进行记录，在后续的数据处理中进行场值影响的校正，但该方法将发射源视为点电偶极子，记录的信息仅包含发射源两端电偶极子的动态信息，未考虑探测过程中发射源形态的变化，准确性不高(李予国，段双敏.海洋可控源电磁数据预处理方法研究[J].中国海洋大学学报，2014，44(10)：106-112.)。由于海底洋流复杂多变，导致发射源形态随机变化，无法采用计算模拟的手段获得发射源形态变化数据，如何获取客观准确的发射源动态信息以及如何根据动态信息准确计算或校正可控源的电磁响应是当前研究人员面临的一项重要课题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足及问题，提供一种基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，有利于提高电磁响应的计算精度和反演的准确性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，包括以下步骤：1、采用安装在电偶极子及其连接电缆上的GPS/深度传感器记录发射装置的数据信息；2、计算发射装置与预定测线的位置偏差数据，将该数据导入地质计算模型；3、将电偶极子发射源等效为有限长线源，对有限长线源进行分段计算；4、利用欧拉旋转和坐标变换矩阵将任意形态的分段导线分解为观测坐标系下水平和垂直的等效电偶极子，计算水平和垂直电偶极子的电磁响应；5、采用解析公式求解背景场，利用交错网格有限体积法求解感应场，通过矢量场的叠加得到分段导线的电磁响应；6、再次应用矢量叠加原理得到基于发射源实测形态数据的海洋可控源电磁响应。

所述的地质计算模型为层状各向异性结构，模型中的计算范围、测线走向、海水及海底地层的物理参数均依据实际探测的海域范围、地质构造走向及地层物理参数确定。

所述的GPS/深度传感器记录的数据信息包括动发射装置的动态位置坐标、航迹信息、深度、以及时间同步信息。

所述的GPS/深度传感器的装配数量依据电偶极子长度确定，优选地，GPS/深度传感器的间距为30米，等间距装配。

对有限长线源进行分段划分，发射源始端与第一个传感器之间、相邻传感器之间、以及末端传感器与发射源末端之间的电缆均视为分段导线。

分段导线的任意形态分为两种，分别是水平方向的偏转和垂直方向的倾斜。

产生偏转或倾斜的分段导线可进一步通过欧拉旋转和坐标变换矩阵分解为观测坐标系下水平或垂直的等效电偶极子，计算水平或垂直的等效电偶极子在层状各向异性地质模型中的电磁响应，采用解析公式求解背景场，利用交错网格有限体积法求解感应场，并进行矢量叠加，便得到分段导线的电磁响应。

定义发射源水平旋转角θ为发射源天线沿顺时针方向旋转的角度，发射源倾角为发射天线倾斜时与xoy平面的夹角，顺时针方向为正。发射源沿x方向布置时(HED-x)，为broadside模式，水平旋转角θ＝0°；发射源沿y方向布置时(HED-y)，为inline模式，水平旋转角θ＝90°；发射源沿z方向布置时，倾角为垂直电偶极源(VED)。

对产生偏转或倾斜的分段导线进行分解时，依据的坐标旋转公式为：

P＝T_aT_dP′

其中，P′＝IL为电偶极子的偶极矩，I为发射电流，L为电偶极子的长度，P为发射源旋转后在观测坐标系的电偶极矩，T_a，T_d分别为发生偏转和倾斜的变换矩阵：

根据坐标旋转公式可将任意取向电偶极子转换到观测坐标系中，分解为三个相互正交的等效电偶极子。

x方向水平电偶极子的电磁响应(E_HED-x，H_HED-x)按以下公式计算：

y方向水平电偶极子的电磁响应(E_HED-y，H_HED-y)按以下公式计算：

垂直电偶极子的电磁响应(E_VED,H_VED)按以下公式计算：

H_z＝0。

分别计算三个电偶极子的电磁响应，按下式进行矢量相加即可得到任意取向电偶极子的电磁响应：

其中n为分段导线的编号。

将分段导线的电磁响应进行矢量叠加得到形态变化后电偶极子发射源的电磁响应：

其中n为分段导线的编号，N为分段导线的数量。

本发明的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，与现有技术相比，有益效果在于：可精确监测发射源形态参数，最大程度上逼近实际作业工况，采用的有限长线源处理方法可有效提高电磁响应计算和反演的准确性。

附图说明

图1为本发明的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法流程图；

图2为本发明实施例中的层状各向异性地质计算模型；

图3为本发明实施例中的交错网格有限体积法区域剖分示意图；

图4为本发明实施例中的电偶极子坐标旋转示意图；

图5为本发明实施例中的不同收发距发射偶极子偏转角度变化曲线；

图6为本发明的计算方法与现有方法的反演收敛特性拟合曲线对比结果。

具体实施方式

下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例用于说明本发明，但不用于限制本发明的范围。

图1示出了本发明实施例提供的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法流程图。如图1所示，基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，具体过程如下：采用等间距安装在电偶极子及其连接电缆上的GPS/深度传感器记录发射装置的航迹和位置坐标，并计算发射装置与预定测线的位置偏差数据，将该数据导入地质计算模型。

图2为本发明实施例应用的层状各向异性地质计算模型，探测范围为10公里，模型上方的空气层设为10000米。第一层为海水层，电阻率为0.30Ω·m，海底深度为1000m；海底下方为1000m厚的覆盖层，电阻率为1.0Ω·m；覆盖层下方为100m厚的高阻油气薄层，电阻率为100.0Ω·m；油气薄层下方是电阻率为1.0Ω·m的岩石层，厚度为5000米；电偶源布置于海底上方50m处，长度为300m，发射电流为1A，频率为0.25Hz，共有201个接收点沿测线方向，在收发距为-5000m和5000m范围内等间隔均匀布置于海底，第一个测点坐标(50，50，950)。

将图2所示的地质计算模型进行疏密结合的四面体网格剖分，如图3所示。这里将计算区域分为两部分：一部分是目标区域，即原点和高阻体附近，对这部分进行较精细均匀的剖分，以保证计算的精度；一部分是延拓区域，这部分以一定倍数逐渐向各个方向的边界扩展。把各层电导率按网格间距网格化，形成网格化数据文件作为输入数据。

GPS/深度传感器的间距为30米，等间距装配，即将发射源分为10段长导线，每段长导线可呈任意形态(偏转、倾斜或弯曲)，利用欧拉旋转和矩阵变换将长导线分解为观测坐标系中的水平或垂直的等效电偶极子。对产生偏转或倾斜的分段导线进行分解时，依据的坐标旋转公式为：

P＝T_aT_dP′

其中，P′＝IL为电偶极子的偶极矩，I为发射电流，L为电偶极子的长度，P为发射源旋转后在观测坐标系的电偶极矩，T_a，T_d分别为发生偏转和倾斜的变换矩阵：

其中发射源水平旋转角θ为发射源天线沿顺时针方向旋转的角度，发射源倾角为发射天线倾斜时与xoy平面的夹角，顺时针方向为正，如图4所示。

所建立的地质计算模型中各向异性通过介质电导率张量表示，对于介质的垂直各向异性，其表达式可写为：

其中：σ_h为水平方向电阻率，σ_v为垂直方向电阻率。

计算水平或垂直的等效电偶极子在层状各向异性地质模型中的电磁响应，采用解析公式求解背景场。

x方向水平电偶极子的电磁响应(E_HED-x，H_HED-x)按以下公式计算：

y方向水平电偶极子的电磁响应(E_HED-y，H_HED-y)按以下公式计算：

垂直电偶极子的电磁响应(E_VED,H_VED)按以下公式计算：

H_z＝0。

其中发射源沿x方向布置时(HED-x)，为broadside模式，水平旋转角θ＝0°；发射源沿y方向布置时(HED-y)，为inline模式，水平旋转角θ＝90°；发射源沿z方向布置时，倾角为垂直电偶极源(VED)。

由于海域可控源电磁的场源是局部的，让剖分域的边界离场源足够远，从而运用齐次的狄里克莱边界条件，令计算区域边界上的切向电场为零。有限体积法右端项的背景场体积积分使用高斯—勒让德积分公式计算；离散大型线性方程系数矩阵为对称且高度稀疏的复矩阵，对其预优处理后使用拟最小残差法迭代求解。利用交错网格有限体积法求解感应场的公式如下：

分别计算三个电偶极子的电磁响应，按下式进行矢量相加即可得到任意取向电偶极子的电磁响应：

其中n为分段导线的编号。

将分段导线的电磁响应进行矢量叠加得到形态变化后电偶极子发射源的电磁响应：

其中n为分段导线的编号，N为分段导线的数量。

通过实际数据采集实验得到的发射源电偶极子形态随收发距的改变而变化的结果如图5所示。将数据采集结果导入地质计算模型，并按上述方法计算得到的数据反演收敛特性拟合曲线如附图6所示。作为对比，图6同时给出了采用理想电偶极子计算的电磁响应为初始条件得到的反演结果。通过对比本发明的方法与现有方法的计算结果可知，本发明所提出的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法可明显提高电磁响应的准确性，从而改善了数据反演的收敛特性。

显然，以上所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。不应当将本发明的保护范围仅仅限制至上述具体结构或部件或具体参数。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)、采用安装在电偶极子及其连接电缆上的GPS/深度传感器记录发射装置的数据信息；(2)、计算发射装置与预定测线的位置偏差数据，将该数据导入地质计算模型；(3)、将电偶极子发射源等效为有限长线源，对有限长线源进行分段计算；(4)、利用欧拉旋转和坐标变换矩阵将任意形态的分段导线分解为观测坐标系下水平和垂直的等效电偶极子，计算水平和垂直电偶极子的电磁响应；(5)、采用解析公式求解背景场，利用交错网格有限体积法求解感应场，通过矢量场的叠加得到分段导线的电磁响应；(6)、再次应用矢量叠加原理得到基于发射源实测形态数据的海洋可控源电磁响应。

2.根据权利要求1所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：所述的地质计算模型为层状各向异性结构，模型中的计算范围、测线走向、海水及海底地层的物理参数均依据实际探测的海域范围、地质构造走向及地层物理参数确定。

3.根据权利要求1所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：所述的GPS/深度传感器记录的数据信息包括动发射装置的动态位置坐标、航迹信息、深度、以及时间同步信息。

4.根据权利要求1所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：所述的GPS/深度传感器的装配数量依据电偶极子长度确定。

5.根据权利要求4所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：GPS/深度传感器的间距为30米，等间距装配。

6.根据权利要求1所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：对有限长线源进行分段划分，发射源始端与第一个传感器之间、相邻传感器之间、以及末端传感器与发射源末端之间的电缆均视为分段导线。

7.根据权利要求1所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：分段导线的任意形态分为两种，分别是水平方向的偏转和垂直方向的倾斜。

8.根据权利要求7所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：对产生偏转或倾斜的分段导线进行分解时，依据的坐标旋转公式为

P＝T_aT_dP′

其中，P′＝IL为电偶极子的偶极矩，I为发射电流，L为电偶极子的长度，P为发射源旋转后在观测坐标系的电偶极矩，T_a，T_d分别为发生偏转和倾斜的变换矩阵。

9.根据权利要求8所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：根据坐标旋转公式可将任意取向电偶极子转换到观测坐标系中，分解为三个相互正交的等效电偶极子HED-x、HED-y、VED，分别计算三个等效电偶极子的电磁响应，然后矢量相加即可得到任意取向电偶极子的电磁响应：

其中n为分段导线的编号。

10.根据权利要求9所述的基于发射装置实测形态数据的海洋可控源电磁响应计算方法，其特征在于：将分段导线的电磁响应进行矢量叠加得到形态变化后电偶极子发射源的电磁响应：

其中n为分段导线的编号，N为分段导线的数量。