本發(fā)明屬于地球物理勘測技術(shù)領域，涉及一種海洋可控源電磁響應的計算方法。

背景技術(shù)：

海洋可控源電磁法是探測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方法，在降低深水油氣勘探風險、減少多解性方面起到了重要作用，已成為發(fā)達國家進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，同時運用可控源電磁法得出存在的高阻異常，兩者綜合起來，可顯著提高勘探的成功率。

地質(zhì)模型的電磁響應是電磁探測的基礎，尤其是精確的電磁響應計算方法更是需要解決的問題。它是反演成像的基礎，關(guān)系到反演成像的計算精度和收斂速度。但是在實際數(shù)據(jù)處理中，大都假設海底的電偶極子發(fā)射源為理想的水平狀態(tài)。實際深水海洋環(huán)境是復雜多變的，海底存在著由內(nèi)波、潮流及地形起伏等導致的海底洋流。海洋電磁勘探中發(fā)射源的長度為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)射源不可能嚴格按照預定的測線移動，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)變得復雜。發(fā)射源形態(tài)的變化必然會導致測量數(shù)據(jù)與理想條件下計算的電磁響應發(fā)生偏差，從而降低海洋可控源電磁法探測的準確性，甚至導致錯誤的反演結(jié)果。因此，獲取真實狀態(tài)下的發(fā)射源形態(tài)數(shù)據(jù)，研究復雜形態(tài)參數(shù)下的電磁響應計算方法具有重要的工程應用價值。

近幾年相關(guān)研究人員在發(fā)射源形態(tài)參數(shù)對電磁響應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.)認為發(fā)射源的長度、方位等可能對勘探靶體的正演響應產(chǎn)生巨大的影響。劉云鶴等(劉云鶴，殷長春，翁愛華，等.海洋可控源電磁法發(fā)射源姿態(tài)影響研究[J].地球物理學報，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數(shù)據(jù)的誤差分布特征，研究表明因為發(fā)射源形態(tài)變化導致數(shù)據(jù)畸變，嚴重影響勘探的反演結(jié)果。當前，研究人員對于發(fā)射源形態(tài)變化對測量數(shù)據(jù)具有重要影響已經(jīng)達成共識，但對于如何處理和消除該影響，以及如何計算發(fā)射源復雜形態(tài)下的電磁響應還沒有較為實用的處理方法。此外，韓波等(韓波，胡祥云，Schultz A，等.復雜場源形態(tài)的海洋可控源電磁三維正演[J].地球物理學報，2015，58(3)：1059-1071.)的研究表明線源與點源的場差異最大的地方除了場源附近的一小片區(qū)域外，還包括一個延伸得較遠的“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，只有當觀測點到發(fā)射源中心的距離不小于發(fā)射導線長度的5～10倍時，發(fā)射源才能近似為點電偶極子。依照這個標準，海洋可控源電磁勘探的發(fā)射源都不應該被視為點電偶極子，而應該作為有限長線源來對待。然而當前對于海洋可控源電磁響應的研究均采用將發(fā)射源作為點電偶極子的處理方法，降低了計算的準確性。

目前針對發(fā)射源形態(tài)變化采取的措施是通過對發(fā)射源動態(tài)位置和航跡信息進行記錄，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中進行場值影響的校正，但該方法將發(fā)射源視為點電偶極子，記錄的信息僅包含發(fā)射源兩端電偶極子的動態(tài)信息，未考慮探測過程中發(fā)射源形態(tài)的變化，準確性不高(李予國，段雙敏.海洋可控源電磁數(shù)據(jù)預處理方法研究[J].中國海洋大學學報，2014，44(10)：106-112.)。由于海底洋流復雜多變，導致發(fā)射源形態(tài)隨機變化，無法采用計算模擬的手段獲得發(fā)射源形態(tài)變化數(shù)據(jù)，如何獲取客觀準確的發(fā)射源動態(tài)信息以及如何根據(jù)動態(tài)信息準確計算或校正可控源的電磁響應是當前研究人員面臨的一項重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及問題，提供一種基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法，有利于提高電磁響應的計算精度和反演的準確性。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法，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、計算發(fā)射裝置與預定測線的位置偏差數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)導入地質(zhì)計算模型；3、將電偶極子發(fā)射源等效為有限長線源，對有限長線源進行分段計算；4、利用歐拉旋轉(zhuǎn)和坐標變換矩陣將任意形態(tài)的分段導線分解為觀測坐標系下水平和垂直的等效電偶極子，計算水平和垂直電偶極子的電磁響應；5、采用解析公式求解背景場，利用交錯網(wǎng)格有限體積法求解感應場，通過矢量場的疊加得到分段導線的電磁響應；6、再次應用矢量疊加原理得到基于發(fā)射源實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應。

所述的地質(zhì)計算模型為層狀各向異性結(jié)構(gòu)，模型中的計算范圍、測線走向、海水及海底地層的物理參數(shù)均依據(jù)實際探測的海域范圍、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)信息包括動發(fā)射裝置的動態(tài)位置坐標、航跡信息、深度、以及時間同步信息。

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。

對有限長線源進行分段劃分，發(fā)射源始端與第一個傳感器之間、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線。

分段導線的任意形態(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)或傾斜的分段導線可進一步通過歐拉旋轉(zhuǎn)和坐標變換矩陣分解為觀測坐標系下水平或垂直的等效電偶極子，計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，采用解析公式求解背景場，利用交錯網(wǎng)格有限體積法求解感應場，并進行矢量疊加，便得到分段導線的電磁響應。

定義發(fā)射源水平旋轉(zhuǎn)角θ為發(fā)射源天線沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的角度，發(fā)射源傾角為發(fā)射天線傾斜時與xoy平面的夾角，順時針方向為正。發(fā)射源沿x方向布置時(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(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，傾角為垂直電偶極源(VED)。

對產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或傾斜的分段導線進行分解時，依據(jù)的坐標旋轉(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為電偶極子的長度，P為發(fā)射源旋轉(zhuǎn)后在觀測坐標系的電偶極矩，T_a，T_d分別為發(fā)生偏轉(zhuǎn)和傾斜的變換矩陣：

根據(jù)坐標旋轉(zhuǎn)公式可將任意取向電偶極子轉(zhuǎn)換到觀測坐標系中，分解為三個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(E_HED-x，H_HED-x)按以下公式計算：

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

垂直電偶極子的電磁響應(E_VED,H_VED)按以下公式計算：

H_z＝0。

分別計算三個電偶極子的電磁響應，按下式進行矢量相加即可得到任意取向電偶極子的電磁響應：

其中n為分段導線的編號。

將分段導線的電磁響應進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：

其中n為分段導線的編號，N為分段導線的數(shù)量。

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的層狀各向異性地質(zhì)計算模型；

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

圖4為本發(fā)明實施例中的電偶極子坐標旋轉(zhuǎn)示意圖；

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

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

具體實施方式

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

圖1示出了本發(fā)明實施例提供的基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法流程圖。如圖1所示，基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法，具體過程如下：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，并計算發(fā)射裝置與預定測線的位置偏差數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)導入地質(zhì)計算模型。

圖2為本發(fā)明實施例應用的層狀各向異性地質(zhì)計算模型，探測范圍為10公里，模型上方的空氣層設為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，長度為300m，發(fā)射電流為1A，頻率為0.25Hz，共有201個接收點沿測線方向，在收發(fā)距為-5000m和5000m范圍內(nèi)等間隔均勻布置于海底，第一個測點坐標(50，50，950)。

將圖2所示的地質(zhì)計算模型進行疏密結(jié)合的四面體網(wǎng)格剖分，如圖3所示。這里將計算區(qū)域分為兩部分：一部分是目標區(qū)域，即原點和高阻體附近，對這部分進行較精細均勻的剖分，以保證計算的精度；一部分是延拓區(qū)域，這部分以一定倍數(shù)逐漸向各個方向的邊界擴展。把各層電導率按網(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段長導線，每段長導線可呈任意形態(tài)(偏轉(zhuǎn)、傾斜或彎曲)，利用歐拉旋轉(zhuǎn)和矩陣變換將長導線分解為觀測坐標系中的水平或垂直的等效電偶極子。對產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或傾斜的分段導線進行分解時，依據(jù)的坐標旋轉(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為電偶極子的長度，P為發(fā)射源旋轉(zhuǎn)后在觀測坐標系的電偶極矩，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)射源天線沿順時針方向旋轉(zhuǎn)的角度，發(fā)射源傾角為發(fā)射天線傾斜時與xoy平面的夾角，順時針方向為正，如圖4所示。

所建立的地質(zhì)計算模型中各向異性通過介質(zhì)電導率張量表示，對于介質(zhì)的垂直各向異性，其表達式可寫為：

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，采用解析公式求解背景場。

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

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

垂直電偶極子的電磁響應(E_VED,H_VED)按以下公式計算：

H_z＝0。

其中發(fā)射源沿x方向布置時(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(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，傾角為垂直電偶極源(VED)。

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

分別計算三個電偶極子的電磁響應，按下式進行矢量相加即可得到任意取向電偶極子的電磁響應：

其中n為分段導線的編號。

將分段導線的電磁響應進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：

其中n為分段導線的編號，N為分段導線的數(shù)量。

通過實際數(shù)據(jù)采集實驗得到的發(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)果導入地質(zhì)計算模型，并按上述方法計算得到的數(shù)據(jù)反演收斂特性擬合曲線如附圖6所示。作為對比，圖6同時給出了采用理想電偶極子計算的電磁響應為初始條件得到的反演結(jié)果。通過對比本發(fā)明的方法與現(xiàn)有方法的計算結(jié)果可知，本發(fā)明所提出的基于發(fā)射裝置實測形態(tài)數(shù)據(jù)的海洋可控源電磁響應計算方法可明顯提高電磁響應的準確性，從而改善了數(shù)據(jù)反演的收斂特性。

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

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