13346.三維海洋可控源電磁法矢量有限元與耦合勢(shì)有限體積數(shù)值模擬

1、分類號(hào)UDC學(xué)校代碼：10616密級(jí)——學(xué)號(hào)：——成都理工大學(xué)博士學(xué)位論文三維海洋可控源電磁法矢量有限元與耦合勢(shì)有限體積數(shù)值模擬趙寧指導(dǎo)教師姓名及職稱王緒本教授申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別博士專業(yè)名稱固體地球物理論文提交日期201405論文答辯日期201406學(xué)位授予單位和日期2014年6月摘要三維海洋可控源電磁法矢量有限元與耦合勢(shì)有限體積數(shù)值模擬摘要隨著人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求以及近些年技術(shù)的逐步成熟，在過(guò)去十年中，海洋可控源電磁方法(MCSEM)在油

2、氣勘探領(lǐng)域獲得了廣泛的關(guān)注。盡管海洋三維地震反射數(shù)據(jù)已經(jīng)提供了高精度的地質(zhì)構(gòu)造信息，以及含油氣構(gòu)造的指示信息，但不同的巖石屬性可能產(chǎn)生相同的AVO特征，因此，單靠地震方法不能有效提升儲(chǔ)層鉆探成功率。近年來(lái)，電磁勘探成果表明，當(dāng)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)中含油氣和水合物等成分時(shí)，相對(duì)于圍巖展現(xiàn)出高電阻率異常，往往電阻率相差50倍以上。如此顯著的電性差異，表明電磁勘探方法對(duì)儲(chǔ)層很敏感，具有明顯的應(yīng)用潛力。但是，由于海洋電磁三維正反演問(wèn)題難度大，也是制約方

3、法有效性實(shí)施的瓶頸。本文通過(guò)三維MCSEM基于可擴(kuò)展并行的自適應(yīng)矢量有限元算法和基于庫(kù)侖規(guī)范的耦合勢(shì)有限體積算法，對(duì)目前海洋電磁中多場(chǎng)源發(fā)射計(jì)算量巨大、低感應(yīng)數(shù)、MCSEM觀測(cè)裝置參數(shù)對(duì)異常響應(yīng)影響和利用MCSEM進(jìn)行儲(chǔ)層監(jiān)測(cè)等方面分別進(jìn)行探討。主要研究成果包括：(1)在可擴(kuò)展并行的三維MCSEM矢量有限元算法中，為了消除源點(diǎn)處場(chǎng)值的奇異性問(wèn)題，把電場(chǎng)分為一次場(chǎng)和二次場(chǎng)分別進(jìn)行計(jì)算。一次場(chǎng)通過(guò)解析方法進(jìn)行求解，二次場(chǎng)的二階偏微分方程采用

4、h型自適應(yīng)策略的矢量有限元方法進(jìn)行離散。h型自適應(yīng)加密是一個(gè)計(jì)算數(shù)值解、估計(jì)殘差型后驗(yàn)誤差、加密／放粗調(diào)整網(wǎng)格以及重新計(jì)算的迭代過(guò)程，最終使得誤差幾乎在網(wǎng)格上平均分布，從而在節(jié)省計(jì)算資源的前提下，提高計(jì)算精度。(2)在進(jìn)行并行計(jì)算時(shí)，為了保證負(fù)載平衡，采用開源的METIS區(qū)域分解軟件包將全局計(jì)算區(qū)域分解為若干個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域只與它相鄰子區(qū)域存在耦合關(guān)系，從而保證各進(jìn)程并行計(jì)算時(shí)進(jìn)程間通信量最少。(3)三維電磁問(wèn)題中系數(shù)矩陣的條件數(shù)通

5、常很大，利用Krylov子空間法對(duì)方程進(jìn)行求解過(guò)程中，想要構(gòu)造一個(gè)高效的預(yù)條件使得方程快速收斂是很困難的。另外，海洋電磁通常采用多場(chǎng)源點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)于一個(gè)確定的模型和頻率，離散得到的剛度矩陣就確定了，改變場(chǎng)源點(diǎn)只會(huì)改變方程的右端項(xiàng)，如果采用迭代解法進(jìn)行求解，計(jì)算量隨著右端項(xiàng)的增加而增加，這時(shí)就體現(xiàn)出直接解法的巨大優(yōu)勢(shì)。本文采用MUMPS中的并行多波前(Multifrontal)策略的直接解法進(jìn)行計(jì)算。(4)在三維海洋電磁數(shù)值模擬中，實(shí)際采用