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基于时域有限差分亚网格与共形网格技术的随钻电磁波测井响应数值模拟

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测井技术 2015年第5期39卷 561-566页

作者：范宜仁李炜李虎王磊李栗中国石油大学(华东)地球科学与技术学院山东青岛266580 中国石油大学CNPC测井重点实验室山东青岛266580 中海油田服务股份有限公司物探事业部天津300451

为适应大斜度井/水平井钻井需求,提高复杂地层随钻电磁波测井响应数值模拟的计算速度和精度,引入了三维柱坐标系亚网格技术及共形网格技术。亚网格技术针对线圈、井眼等精细结构处采用局部自适应细网格剖分,模拟均匀无限厚地层随钻电磁... 详细信息

为适应大斜度井/水平井钻井需求,提高复杂地层随钻电磁波测井响应数值模拟的计算速度和精度,引入了三维柱坐标系亚网格技术及共形网格技术。亚网格技术针对线圈、井眼等精细结构处采用局部自适应细网格剖分,模拟均匀无限厚地层随钻电磁波测井响应;与传统时域有限差分(FDTD)计算结果进行了精确性对比验证;采用三维柱坐标系共形网格算法,模拟随钻电磁波仪器偏心时的测井响应,与阶梯近似、一维半数值解进行对比。均匀无限厚地层亚网格技术模拟结果相对误差控制在0.8%以内,计算时间约为传统FDTD的19%;仪器偏心时,在计算时间保持稳定的前提下,共形网格技术将模拟精度提高至阶梯近似的3.42倍。以上2种算法可为复杂地层的环境校正和随钻快速反演提供支持。

关键词：随钻电磁波测井时域有限差分亚网格技术共形网格技术

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任意形状金属腔体内电磁脉冲的三维计算

强激光与粒子束 2012年第5期24卷 1141-1145页

作者：王依刚陈彬石立华许献国黄聪顺解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室南京210007 中国工程物理研究院电子工程研究所四川绵阳621900

提出了模拟任意形状腔体中的内电磁脉冲的三维直角坐标系时域有限差分(FDTD)算法。该算法采用FDTD共形网格技术模拟任意形状腔体的边界,可以解决腔体内非对称的边界问题。推导了γ射线斜入射的差分方程,进行了三维数值计算,并采用直角... 详细信息

提出了模拟任意形状腔体中的内电磁脉冲的三维直角坐标系时域有限差分(FDTD)算法。该算法采用FDTD共形网格技术模拟任意形状腔体的边界,可以解决腔体内非对称的边界问题。推导了γ射线斜入射的差分方程,进行了三维数值计算,并采用直角坐标系FDTD算法和柱坐标系FDTD算法计算了γ射线斜入射圆柱腔体产生的内电磁脉冲,二者吻合很好,验证了直角坐标系FDTD算法正确性。

关键词：内电磁脉冲时域有限差分共形网格技术直角坐标系斜入射

随钻电磁波测井响应精细模拟与井眼校正方法研究

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随钻电磁波测井响应精细模拟与井眼校正方法研究

作者：李炜中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

随着油气勘探开发重心逐步向薄互层等复杂油气藏转变,测井储层评价进入大斜度井、水平井时代。近年来随钻测井技术发展迅速,随钻电磁波仪器大量投入使用,这对随钻电磁波响应模拟提出了更高的要求,需要针对具体电磁波仪器结构进行数值模... 详细信息

随着油气勘探开发重心逐步向薄互层等复杂油气藏转变,测井储层评价进入大斜度井、水平井时代。近年来随钻测井技术发展迅速,随钻电磁波仪器大量投入使用,这对随钻电磁波响应模拟提出了更高的要求,需要针对具体电磁波仪器结构进行数值模拟,研究不同仪器参数、环境因素对测井响应的影响,以实现仪器参数优化和测量环境校正。本文采用时域有限差分方法对随钻电磁波仪器进行精细模拟,开创性地引入了亚网格技术和共形网格技术,以提高计算速度和精度。首先引入亚网格技术,针对仪器槽、线圈等精细结构处采用局部自适应细网格剖分,而地层等处采用粗网格剖分,以此提高计算速度;其次引入共形网格技术,采用“共形”的理念对复杂地层边界、仪器偏心处的网格参数赋值,以此提高计算精度。随后对带V型槽的随钻电磁波仪器进行精细模拟,研究了仪器槽角度、发射频率、源距等仪器参数对测井响应的影响,同时分析了泥浆电阻率、围岩、目的层厚度等环境因素对测井响应的影响,研究了井眼校正方法。最后探讨了均匀开槽仪器的测井响应,研究了占空比、填充物电阻率、开槽数目等仪器参数对信号强度的影响。通过模拟分析发现:与非均匀网格相比,采用亚网格技术可使计算速度提高5.3倍,且相对误差控制在0.8%以内。对复杂边界仪器偏心情况采用共形网格技术,可使模拟精度变为“阶梯近似”的3.42倍,减少了阶梯误差。对于V型槽仪器,开槽角度越小,接收线圈处信号越强;开槽角度越大,在高阻地层中与简化仪器测井响应差距越大;源距越小、频率越大,V型槽仪器和简化仪器的差距越大;层厚较薄时,测井响应会偏离地层真实值;仪器偏心在高矿化度泥浆条件下对测井响应影响较大。对于均匀开槽仪器,占空比取23%左右最为合适;仪器槽数目越多,地层信号越强;一般而言,填充物电阻率对地层信号强度影响较小。

关键词：随钻电磁波精细模拟时域有限差分亚网格技术共形网格技术影响因素

基于时域有限差分法的GIS设备暂态电场仿真计算

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基于时域有限差分法的GIS设备暂态电场仿真计算

作者：杨瑞华中科技大学

学位级别：硕士

由于气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation)设备结构紧凑,遭受过电压时其幅值大、频率高,而SF的绝缘特性不光取决于绝缘结构中电场的不均匀程度,还与作用电压源的陡度密切相关,因此,研究GIS设备暂态电场分布对指导绝缘设计十分必要... 详细信息

由于气体绝缘变电站(Gas Insulated Substation)设备结构紧凑,遭受过电压时其幅值大、频率高,而SF的绝缘特性不光取决于绝缘结构中电场的不均匀程度,还与作用电压源的陡度密切相关,因此,研究GIS设备暂态电场分布对指导绝缘设计十分必要。由于时域有限差分法(FDTD)特有的优越性,本文采用FDTD方法对GIS中的暂态电场分布进行仿真研究。首先,为提高将FDTD计算GIS电场时算法的性能,对于算法的各个环节进行了探讨,得出研究的重点在于选择合适的网格剖分算法和吸收边界条件;随后,按照建模时的结构特点将GIS分为同轴母线管道和GIS复杂设备两部分,对其中的网格剖分算法等关键性问题进行研究。为实现对GIS同轴母线管道的建模,提出了一套导体-介质体通用的共形网格技术,并对共形网格信息生成等关键技术进行了研究,然后对共形网格技术的稳定性进行分析,比较了不同因素对稳定性的影响。为实现复杂设备的准确计算并提高计算效率,采用了非均匀网格方法。对复杂设备剖分时的新问题进行了研究,解决了介质存在重叠和缝隙时共形网格信息的生成问题,提出了一种新的奇异点的处理方法。对算法有效性进行了验证,并给出了GIS设备计算时吸收边界条件的选取规则。采用上述FDTD方法,以上海思源电气公司制造的500kV的GIS母线筒和隔离开关室为例,研究了其在特快速暂态过电压(VFTO)和雷电波下的暂态电场特性,验证了研究暂态电场的意义。

关键词：时域有限差分法 GIS设备暂态电场计算共形网格技术

基于共形隐式辛算法的探地雷达传播数值模型研究

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基于共形隐式辛算法的探地雷达传播数值模型研究

作者：李银萍郑州大学

学位级别：硕士

探地雷达作为一种应用于地下目标体探测和定位的检测工具,因为其效率高、分辨率高、无损伤、抗干扰能力强的优点,在无损检测和工程勘察等众多领域具有广阔的应用前景。开展探地雷达复杂地下目标体正演模拟,可以加强对复杂地质体雷达图... 详细信息

探地雷达作为一种应用于地下目标体探测和定位的检测工具,因为其效率高、分辨率高、无损伤、抗干扰能力强的优点,在无损检测和工程勘察等众多领域具有广阔的应用前景。开展探地雷达复杂地下目标体正演模拟,可以加强对复杂地质体雷达图像回波特征的了解,有助于提高探地雷达实测资料的解译水平。此外,探地雷达正演的速度决定了反演算法的效率,深入研究高精度、高效率的探地雷达正演算法将有助于改进反演技术。传统的探地雷达正演算法在计算效率和计算精度方面还存在一些不足,因此开展高效率和高精度的探地雷达正演算法是一个值得研究的课题。本文针对目前探地雷达正演算法中存在的问题,结合隐式辛Runge-Kutta算法和曲面共形技术,建立了电磁波在地下结构中传播的二维数值模型,确定了复杂地下目标体的探地雷达图像特征。此外,本文提出的算法提高了正演模拟的精度和效率,为探地雷达实测数据的精确解释提供了理论依据,对探地雷达理论研究和实际应用的发展具有重要意义。本文开展的工作如下:(1)推导了隐式辛Runge-Kutta算法的Maxwell方程组的迭代公式,建立了基于该算法的地下有耗介质探地雷达电磁波传播的二维数值模型,提出了适用于隐式辛Runge-Kutta算法的激励源引入方式和吸收边界条件。隐式辛RungeKutta算法不受稳定性条件的限制,可以选择较大的时间步长以减少计算时间。数值结果表明,隐式辛Runge-Kutta算法具有较高的计算效率。(2)结合隐式辛Runge-Kutta算法和曲面共形技术,建立了基于共形隐式辛Runge-Kutta算法的探地雷达电磁波在地下圆形目标体中传播的二维数值模型,模拟了二维地下圆形结构模型的电磁响应。将数值模拟结果与非共形算法结果进行对比,验证了共形隐式辛Runge-Kutta算法的精确性。(3)基于共形隐式辛Runge-Kutta算法,进行了管周脱空、路面裂缝、路基脱空和不密实等地下结构病害的数值模拟,分析了异常体介电特性对探地雷达电磁波的影响,得到了复杂地下目标体数值模型的二维雷达剖面图,系统地反映了地下异常体的衍射双曲线特征,加深了对探地雷达剖面图的认识,为进一步处理和解释探地雷达电磁波实测数据提供了依据。

关键词：探地雷达无损检测隐式辛算法共形网格技术正演模拟地下复杂结构

曲面目标体的斜阶跃激励电磁响应计算及数据校正

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曲面目标体的斜阶跃激励电磁响应计算及数据校正

作者：任桂莹吉林大学

学位级别：硕士

瞬变电磁法具有探测范围广、效率高等特点,因广泛应用于矿井勘查、石油探测、地下水检测等领域而在国内外得到迅速发展,与此同时,瞬变电磁探测的精细化以及数据解释的准确化也成为了研究热点。一方面,有限差分法作为瞬变电磁常用的三维... 详细信息

瞬变电磁法具有探测范围广、效率高等特点,因广泛应用于矿井勘查、石油探测、地下水检测等领域而在国内外得到迅速发展,与此同时,瞬变电磁探测的精细化以及数据解释的准确化也成为了研究热点。一方面,有限差分法作为瞬变电磁常用的三维数值模拟方法,在模拟曲面目标体时常常由于网格剖分的局限性,带来阶梯状近似误差。另一方面,常规的数据解释多基于阶跃波激励,而野外实测数据由于受到斜阶跃效应的影响,使得包含过渡过程的一次感应电压与二次感应电压混叠,并且斜阶跃与阶跃激励所激发的能量和响应间存在一定差异,故无法直接进行数据处理及解释。针对以上问题,本文基于共形网格技术,提出了三维曲面目标体的建模以及数值模拟方法;基于解卷积算法,校正了电磁数据中的斜阶跃效应,将斜阶跃激励响应还原至阶跃波激励响应。主要研究内容如下:1)提出一种针对于三维曲面目标体的建模方法;基于共形网格技术,在程序中实现有解析式目标体的建模;采用三角面元数据建模方法,实现任意曲面目标体的建模;通过目标体与网格线的交接点求取,确定共形网格位置以及共形参数。2)根据共形网格的位置以及共形参数,推导共形网格棱边电场处的等效电导率,更新电场迭代方程,减小传统有限差分方法因阶梯状网格近似所带来的误差,实现三维曲面目标体的时域有限差分方法。针对于三棱柱目标体模型和球体模型的电磁响应计算,验证了共形网格技术的数值模拟精度;基于三角面元建模方法,实现任意曲面目标体的电磁响应计算。3)推导得到斜阶跃与阶跃激励响应间的卷积关系;基于SVD方法进行阶跃波感应电动势的e指数拟合,通过积分获得阶跃波磁场响应;从而卷积得到斜阶跃波感应电动势,并逐渐减小电流关断时间,与阶跃波感应电动势进行对比,验证了卷积算法的正确性。4)分析了斜阶跃效应在瞬变电磁信号中的影响,包括斜阶跃与阶跃激励响应间的差异,以及斜阶跃激励下接收线圈过渡过程的畸变效应;基于IFFT的频率域解卷积方法,进行接收线圈过渡过程的畸变校正;基于SVD的解卷积方法,校正斜阶跃电流波形对电磁响应的影响,并与解析法进行对比分析;基于曲面目标体的数值模拟,构造含噪仿真数据,总结斜阶跃效应的校正流程,对早期的含噪仿真数据进行斜阶跃效应校正,校正结果与原始阶跃波电磁响应对比,相对误差小于2%,验证了斜阶跃效应校正方法对含噪早期数据的有效性。5)将斜阶跃效应校正方法应用于校园内以及长春市市郊的早期实测数据中,两组实测数据的二次感应电动势拟合误差均小于3%,最后解卷积获得的阶跃波电磁响应幅值大于斜阶跃电磁响应幅值,通过视电阻率-视深度成像,说明阶跃波电磁响应更适用于地下浅层信息的获取,侧面验证斜阶跃效应校正方法在早期实测数据中应用的有效性。本文研究成果能够有效完成曲面目标体的斜阶跃激励电磁响应计算及数据校正,为瞬变电磁三维数值模拟精度的提高以及实测数据解释的精确化提供了基础,对地下资源与地下结构的浅层信息探测具有重要意义。

关键词：瞬变电磁法曲面目标体共形网格技术斜阶跃效应解卷积校正