本發(fā)明屬于地球物理勘測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種海洋可控源電磁響應(yīng)的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

海洋可控源電磁法是探測(cè)海底油氣資源和礦產(chǎn)資源的一種有效的海洋地球物理勘測(cè)方法，在降低深水油氣勘探風(fēng)險(xiǎn)、減少多解性方面起到了重要作用，已成為發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行深水油氣勘探的重要手段。在海洋油氣勘探作業(yè)中，一般用地震法找出油藏的有利地質(zhì)構(gòu)造，同時(shí)運(yùn)用可控源電磁法得出存在的高阻異常，兩者綜合起來(lái)，可顯著提高勘探的成功率。

地質(zhì)模型的電磁響應(yīng)是電磁探測(cè)的基礎(chǔ)，尤其是精確的電磁響應(yīng)計(jì)算方法更是需要解決的問題。它是反演成像的基礎(chǔ)，關(guān)系到反演成像的計(jì)算精度和收斂速度。但是在實(shí)際數(shù)據(jù)處理中，大都假設(shè)海底的電偶極子發(fā)射源為理想的水平狀態(tài)。實(shí)際深水海洋環(huán)境是復(fù)雜多變的，海底存在著由內(nèi)波、潮流及地形起伏等導(dǎo)致的海底洋流。海洋電磁勘探中發(fā)射源的長(zhǎng)度為100-300米，在海底洋流和電纜自重等外力作用下，電偶極子發(fā)射源不可能嚴(yán)格按照預(yù)定的測(cè)線移動(dòng)，可能產(chǎn)生方位的偏離，自身也可能發(fā)生彎曲或偏轉(zhuǎn)，幾何形態(tài)變得復(fù)雜。發(fā)射源形態(tài)的變化必然會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與理想條件下計(jì)算的電磁響應(yīng)發(fā)生偏差，從而降低海洋可控源電磁法探測(cè)的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致錯(cuò)誤的反演結(jié)果。因此，獲取真實(shí)狀態(tài)下的發(fā)射源形態(tài)數(shù)據(jù)，研究復(fù)雜形態(tài)參數(shù)下的電磁響應(yīng)計(jì)算方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

近幾年相關(guān)研究人員在發(fā)射源形態(tài)參數(shù)對(duì)電磁響應(yīng)的影響方面開展了一些研究工作。Streich和Michael(Streich R,Michael B.2011.Electromagnetic fields generated by finite length wire sources:comparison with point dipole solutions.Geophysical Prospecting,59(2)：361-374.)認(rèn)為發(fā)射源的長(zhǎng)度、方位等可能對(duì)勘探靶體的正演響應(yīng)產(chǎn)生巨大的影響。劉云鶴等(劉云鶴，殷長(zhǎng)春，翁愛華，等.海洋可控源電磁法發(fā)射源姿態(tài)影響研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55(8):2757-2768.)研究了發(fā)射源形態(tài)變化造成海洋電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差分布特征，研究表明因?yàn)榘l(fā)射源形態(tài)變化導(dǎo)致數(shù)據(jù)畸變，嚴(yán)重影響勘探的反演結(jié)果。當(dāng)前，研究人員對(duì)于發(fā)射源形態(tài)變化對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)具有重要影響已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，但對(duì)于如何處理和消除該影響，以及如何計(jì)算發(fā)射源復(fù)雜形態(tài)下的電磁響應(yīng)還沒有較為實(shí)用的處理方法。此外，韓波等(韓波，胡祥云，Schultz A，等.復(fù)雜場(chǎng)源形態(tài)的海洋可控源電磁三維正演[J].地球物理學(xué)報(bào)，2015，58(3)：1059-1071.)的研究表明線源與點(diǎn)源的場(chǎng)差異最大的地方除了場(chǎng)源附近的一小片區(qū)域外，還包括一個(gè)延伸得較遠(yuǎn)的“X”型區(qū)域。Ward和Hohmann(Ward S H,Hohmann G W.1988.Electromagnetic theory for geophysical applications.Nabighian M ed.Electromagnetic Methods in Applied Geophysics.SEG.131-311.)指出，只有當(dāng)觀測(cè)點(diǎn)到發(fā)射源中心的距離不小于發(fā)射導(dǎo)線長(zhǎng)度的5～10倍時(shí)，發(fā)射源才能近似為點(diǎn)電偶極子。依照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，海洋可控源電磁勘探的發(fā)射源都不應(yīng)該被視為點(diǎn)電偶極子，而應(yīng)該作為有限長(zhǎng)線源來(lái)對(duì)待。然而當(dāng)前對(duì)于海洋可控源電磁響應(yīng)的研究均采用將發(fā)射源作為點(diǎn)電偶極子的處理方法，降低了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

目前針對(duì)發(fā)射源形態(tài)變化采取的措施是通過(guò)對(duì)發(fā)射源動(dòng)態(tài)位置和航跡信息進(jìn)行記錄，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行場(chǎng)值影響的校正，但該方法將發(fā)射源視為點(diǎn)電偶極子，記錄的信息僅包含發(fā)射源兩端電偶極子的動(dòng)態(tài)信息，未考慮探測(cè)過(guò)程中發(fā)射源形態(tài)的變化，準(zhǔn)確性不高(李予國(guó)，段雙敏.海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，44(10)：106-112.)。由于海底洋流復(fù)雜多變，導(dǎo)致發(fā)射源形態(tài)隨機(jī)變化，無(wú)法采用計(jì)算模擬的手段獲得發(fā)射源形態(tài)變化數(shù)據(jù)，如何獲取客觀準(zhǔn)確的發(fā)射源動(dòng)態(tài)信息以及如何根據(jù)動(dòng)態(tài)信息準(zhǔn)確計(jì)算或校正可控源的電磁響應(yīng)是當(dāng)前研究人員面臨的一項(xiàng)重要課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及問題，提供一種基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法，有利于提高電磁響應(yīng)的計(jì)算精度和反演的準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法，包括以下步驟：1、采用安裝在電偶極子及其連接電纜上的GPS/深度傳感器記錄發(fā)射裝置的數(shù)據(jù)信息；2、計(jì)算發(fā)射裝置與預(yù)定測(cè)線的位置偏差數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入地質(zhì)計(jì)算模型；3、將電偶極子發(fā)射源等效為有限長(zhǎng)線源，對(duì)有限長(zhǎng)線源進(jìn)行分段計(jì)算；4、利用歐拉旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)變換矩陣將任意形態(tài)的分段導(dǎo)線分解為觀測(cè)坐標(biāo)系下水平和垂直的等效電偶極子，計(jì)算水平和垂直電偶極子的電磁響應(yīng)；5、采用解析公式求解背景場(chǎng)，利用交錯(cuò)網(wǎng)格有限體積法求解感應(yīng)場(chǎng)，通過(guò)矢量場(chǎng)的疊加得到分段導(dǎo)線的電磁響應(yīng)；6、再次應(yīng)用矢量疊加原理得到基于發(fā)射源實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)。

所述的地質(zhì)計(jì)算模型為層狀各向異性結(jié)構(gòu)，模型中的計(jì)算范圍、測(cè)線走向、海水及海底地層的物理參數(shù)均依據(jù)實(shí)際探測(cè)的海域范圍、地質(zhì)構(gòu)造走向及地層物理參數(shù)確定。

所述的GPS/深度傳感器記錄的數(shù)據(jù)信息包括動(dòng)發(fā)射裝置的動(dòng)態(tài)位置坐標(biāo)、航跡信息、深度、以及時(shí)間同步信息。

所述的GPS/深度傳感器的裝配數(shù)量依據(jù)電偶極子長(zhǎng)度確定，優(yōu)選地，GPS/深度傳感器的間距為30米，等間距裝配。

對(duì)有限長(zhǎng)線源進(jìn)行分段劃分，發(fā)射源始端與第一個(gè)傳感器之間、相鄰傳感器之間、以及末端傳感器與發(fā)射源末端之間的電纜均視為分段導(dǎo)線。

分段導(dǎo)線的任意形態(tài)分為兩種，分別是水平方向的偏轉(zhuǎn)和垂直方向的傾斜。

產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或傾斜的分段導(dǎo)線可進(jìn)一步通過(guò)歐拉旋轉(zhuǎn)和坐標(biāo)變換矩陣分解為觀測(cè)坐標(biāo)系下水平或垂直的等效電偶極子，計(jì)算水平或垂直的等效電偶極子在層狀各向異性地質(zhì)模型中的電磁響應(yīng)，采用解析公式求解背景場(chǎng)，利用交錯(cuò)網(wǎng)格有限體積法求解感應(yīng)場(chǎng)，并進(jìn)行矢量疊加，便得到分段導(dǎo)線的電磁響應(yīng)。

定義發(fā)射源水平旋轉(zhuǎn)角θ為發(fā)射源天線沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角度，發(fā)射源傾角為發(fā)射天線傾斜時(shí)與xoy平面的夾角，順時(shí)針方向?yàn)檎?。發(fā)射源沿x方向布置時(shí)(HED-x)，為broadside模式，水平旋轉(zhuǎn)角θ＝0°；發(fā)射源沿y方向布置時(shí)(HED-y)，為inline模式，水平旋轉(zhuǎn)角θ＝90°；發(fā)射源沿z方向布置時(shí)，傾角為垂直電偶極源(VED)。

對(duì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或傾斜的分段導(dǎo)線進(jìn)行分解時(shí)，依據(jù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式為：

P＝T_aT_dP′

其中，P′＝IL為電偶極子的偶極矩，I為發(fā)射電流，L為電偶極子的長(zhǎng)度，P為發(fā)射源旋轉(zhuǎn)后在觀測(cè)坐標(biāo)系的電偶極矩，T_a，T_d分別為發(fā)生偏轉(zhuǎn)和傾斜的變換矩陣：

根據(jù)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式可將任意取向電偶極子轉(zhuǎn)換到觀測(cè)坐標(biāo)系中，分解為三個(gè)相互正交的等效電偶極子。

x方向水平電偶極子的電磁響應(yīng)(E_HED-x，H_HED-x)按以下公式計(jì)算：

y方向水平電偶極子的電磁響應(yīng)(E_HED-y，H_HED-y)按以下公式計(jì)算：

垂直電偶極子的電磁響應(yīng)(E_VED,H_VED)按以下公式計(jì)算：

H_z＝0。

分別計(jì)算三個(gè)電偶極子的電磁響應(yīng)，按下式進(jìn)行矢量相加即可得到任意取向電偶極子的電磁響應(yīng)：

其中n為分段導(dǎo)線的編號(hào)。

將分段導(dǎo)線的電磁響應(yīng)進(jìn)行矢量疊加得到形態(tài)變化后電偶極子發(fā)射源的電磁響應(yīng)：

其中n為分段導(dǎo)線的編號(hào)，N為分段導(dǎo)線的數(shù)量。

本發(fā)明的基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：可精確監(jiān)測(cè)發(fā)射源形態(tài)參數(shù)，最大程度上逼近實(shí)際作業(yè)工況，采用的有限長(zhǎng)線源處理方法可有效提高電磁響應(yīng)計(jì)算和反演的準(zhǔn)確性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的層狀各向異性地質(zhì)計(jì)算模型；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的交錯(cuò)網(wǎng)格有限體積法區(qū)域剖分示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的電偶極子坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的不同收發(fā)距發(fā)射偶極子偏轉(zhuǎn)角度變化曲線；

圖6為本發(fā)明的計(jì)算方法與現(xiàn)有方法的反演收斂特性擬合曲線對(duì)比結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用于限制本發(fā)明的范圍。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法流程圖。如圖1所示，基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法，具體過(guò)程如下：采用等間距安裝在電偶極子及其連接電纜上的GPS/深度傳感器記錄發(fā)射裝置的航跡和位置坐標(biāo)，并計(jì)算發(fā)射裝置與預(yù)定測(cè)線的位置偏差數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入地質(zhì)計(jì)算模型。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例應(yīng)用的層狀各向異性地質(zhì)計(jì)算模型，探測(cè)范圍為10公里，模型上方的空氣層設(shè)為10000米。第一層為海水層，電阻率為0.30Ω·m，海底深度為1000m；海底下方為1000m厚的覆蓋層，電阻率為1.0Ω·m；覆蓋層下方為100m厚的高阻油氣薄層，電阻率為100.0Ω·m；油氣薄層下方是電阻率為1.0Ω·m的巖石層，厚度為5000米；電偶源布置于海底上方50m處，長(zhǎng)度為300m，發(fā)射電流為1A，頻率為0.25Hz，共有201個(gè)接收點(diǎn)沿測(cè)線方向，在收發(fā)距為-5000m和5000m范圍內(nèi)等間隔均勻布置于海底，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)(50，50，950)。

將圖2所示的地質(zhì)計(jì)算模型進(jìn)行疏密結(jié)合的四面體網(wǎng)格剖分，如圖3所示。這里將計(jì)算區(qū)域分為兩部分：一部分是目標(biāo)區(qū)域，即原點(diǎn)和高阻體附近，對(duì)這部分進(jìn)行較精細(xì)均勻的剖分，以保證計(jì)算的精度；一部分是延拓區(qū)域，這部分以一定倍數(shù)逐漸向各個(gè)方向的邊界擴(kuò)展。把各層電導(dǎo)率按網(wǎng)格間距網(wǎng)格化，形成網(wǎng)格化數(shù)據(jù)文件作為輸入數(shù)據(jù)。

GPS/深度傳感器的間距為30米，等間距裝配，即將發(fā)射源分為10段長(zhǎng)導(dǎo)線，每段長(zhǎng)導(dǎo)線可呈任意形態(tài)(偏轉(zhuǎn)、傾斜或彎曲)，利用歐拉旋轉(zhuǎn)和矩陣變換將長(zhǎng)導(dǎo)線分解為觀測(cè)坐標(biāo)系中的水平或垂直的等效電偶極子。對(duì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或傾斜的分段導(dǎo)線進(jìn)行分解時(shí)，依據(jù)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)公式為：

P＝T_aT_dP′

其中，P′＝IL為電偶極子的偶極矩，I為發(fā)射電流，L為電偶極子的長(zhǎng)度，P為發(fā)射源旋轉(zhuǎn)后在觀測(cè)坐標(biāo)系的電偶極矩，T_a，T_d分別為發(fā)生偏轉(zhuǎn)和傾斜的變換矩陣：

其中發(fā)射源水平旋轉(zhuǎn)角θ為發(fā)射源天線沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的角度，發(fā)射源傾角為發(fā)射天線傾斜時(shí)與xoy平面的夾角，順時(shí)針方向?yàn)檎?，如圖4所示。

所建立的地質(zhì)計(jì)算模型中各向異性通過(guò)介質(zhì)電導(dǎo)率張量表示，對(duì)于介質(zhì)的垂直各向異性，其表達(dá)式可寫為：

其中：σ_h為水平方向電阻率，σ_v為垂直方向電阻率。

計(jì)算水平或垂直的等效電偶極子在層狀各向異性地質(zhì)模型中的電磁響應(yīng)，采用解析公式求解背景場(chǎng)。

x方向水平電偶極子的電磁響應(yīng)(E_HED-x，H_HED-x)按以下公式計(jì)算：

y方向水平電偶極子的電磁響應(yīng)(E_HED-y，H_HED-y)按以下公式計(jì)算：

垂直電偶極子的電磁響應(yīng)(E_VED,H_VED)按以下公式計(jì)算：

H_z＝0。

其中發(fā)射源沿x方向布置時(shí)(HED-x)，為broadside模式，水平旋轉(zhuǎn)角θ＝0°；發(fā)射源沿y方向布置時(shí)(HED-y)，為inline模式，水平旋轉(zhuǎn)角θ＝90°；發(fā)射源沿z方向布置時(shí)，傾角為垂直電偶極源(VED)。

由于海域可控源電磁的場(chǎng)源是局部的，讓剖分域的邊界離場(chǎng)源足夠遠(yuǎn)，從而運(yùn)用齊次的狄里克萊邊界條件，令計(jì)算區(qū)域邊界上的切向電場(chǎng)為零。有限體積法右端項(xiàng)的背景場(chǎng)體積積分使用高斯—勒讓德積分公式計(jì)算；離散大型線性方程系數(shù)矩陣為對(duì)稱且高度稀疏的復(fù)矩陣，對(duì)其預(yù)優(yōu)處理后使用擬最小殘差法迭代求解。利用交錯(cuò)網(wǎng)格有限體積法求解感應(yīng)場(chǎng)的公式如下：

分別計(jì)算三個(gè)電偶極子的電磁響應(yīng)，按下式進(jìn)行矢量相加即可得到任意取向電偶極子的電磁響應(yīng)：

其中n為分段導(dǎo)線的編號(hào)。

將分段導(dǎo)線的電磁響應(yīng)進(jìn)行矢量疊加得到形態(tài)變化后電偶極子發(fā)射源的電磁響應(yīng)：

其中n為分段導(dǎo)線的編號(hào)，N為分段導(dǎo)線的數(shù)量。

通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)得到的發(fā)射源電偶極子形態(tài)隨收發(fā)距的改變而變化的結(jié)果如圖5所示。將數(shù)據(jù)采集結(jié)果導(dǎo)入地質(zhì)計(jì)算模型，并按上述方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)反演收斂特性擬合曲線如附圖6所示。作為對(duì)比，圖6同時(shí)給出了采用理想電偶極子計(jì)算的電磁響應(yīng)為初始條件得到的反演結(jié)果。通過(guò)對(duì)比本發(fā)明的方法與現(xiàn)有方法的計(jì)算結(jié)果可知，本發(fā)明所提出的基于發(fā)射裝置實(shí)測(cè)形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應(yīng)計(jì)算方法可明顯提高電磁響應(yīng)的準(zhǔn)確性，從而改善了數(shù)據(jù)反演的收斂特性。

顯然，以上所描述的實(shí)施例僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明的保護(hù)范圍僅僅限制至上述具體結(jié)構(gòu)或部件或具體參數(shù)。

盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。