考慮關(guān)斷時(shí)間的回線源激發(fā)TEM三維時(shí)域有限差分正演

孫懷鳳，李貅，李術(shù)才，等

摘要：目的：瞬變電磁三維正演對(duì)研究復(fù)雜地電模型的響應(yīng)規(guī)律、野外勘探設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)反演都非常重要。目前使用時(shí)域有限差分進(jìn)行的正演研究基本采用均勻半空間模型的電磁場(chǎng)分布作為初始場(chǎng)加入Maxwell迭代方程中，然后開始在關(guān)斷后的某一特定時(shí)刻開始計(jì)算二次電磁場(chǎng)。然而，這樣的做法無法考慮模型淺層的電性不均勻特性、地形影響以及關(guān)斷時(shí)間的影響。通過對(duì)Maxwell方程加入積分源電流項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)了考慮關(guān)斷時(shí)間的瞬變電磁三維時(shí)域有限差分正演。方法：從麥克斯韋旋度方程出發(fā)可以直接導(dǎo)出瞬變電磁場(chǎng)擴(kuò)散方程，然而擴(kuò)散方程不含電場(chǎng)對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，不能構(gòu)成矩形顯式的時(shí)域有限差分方程，借鑒du Fort-Frankel有限差分離散方法引入虛擬位移電流項(xiàng)構(gòu)建顯式時(shí)域有限差分方程。對(duì)Wang和Hohmann的經(jīng)典時(shí)域算法進(jìn)行了兩點(diǎn)改進(jìn)：第一，通過將回線源電流密度加入麥克斯韋方程組的安培環(huán)路定理方程，實(shí)現(xiàn)回線源瞬變電磁激發(fā)源加入；第二，在計(jì)算中考慮關(guān)斷時(shí)間。第一點(diǎn)改進(jìn)使時(shí)域有限差分方程考慮了一次場(chǎng)的計(jì)算，并且源的計(jì)算不再依賴均勻半空間模型響應(yīng)作為初始條件，使算法能夠適應(yīng)表層電阻率不均勻時(shí)的三維復(fù)雜模型。由于實(shí)際觀測(cè)中不可能出現(xiàn)階躍電流的關(guān)斷形式，第二點(diǎn)改進(jìn)可以方便設(shè)置發(fā)射電流下降沿，從而實(shí)現(xiàn)考慮關(guān)斷時(shí)間的瞬變電磁三維正演。結(jié)果：首先采用改進(jìn)的三維時(shí)域有限差分正演算法對(duì)均勻半空間模型、四類三層模型、均勻半空間中含有低阻塊體模型進(jìn)行了計(jì)算并分別與解析解、線性數(shù)字濾波解、積分方程解和Wang的三維時(shí)域有限差分解進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明在晚期時(shí)間與其他方法計(jì)算結(jié)果吻合很好，早期存在一定的差異是因?yàn)楦倪M(jìn)的方法考慮了關(guān)斷時(shí)間造成的。其次，以H模型為例研究關(guān)斷時(shí)間的影響，采用建立的三維時(shí)域有限差分正演算法計(jì)算了不同關(guān)斷時(shí)間的斜階躍脈沖回線源瞬變電磁中心點(diǎn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)衰減曲線，結(jié)果表明關(guān)斷時(shí)間越短，計(jì)算結(jié)果越接近階躍響應(yīng)結(jié)果，當(dāng)關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，模擬的響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)結(jié)果差異較大。最后，以實(shí)際地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建包含兩層采空區(qū)的三維復(fù)雜模型，以1 μs的極短關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行了復(fù)雜模型定回線源瞬變電磁響應(yīng)計(jì)算，并計(jì)算了該復(fù)雜模型的視電阻率曲線，視電阻率斷面能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的兩層低阻采空區(qū)。結(jié)論：關(guān)斷時(shí)間對(duì)瞬變電磁早期響應(yīng)曲線的幅值影響明顯，通過考慮關(guān)斷時(shí)間的瞬變電磁三維正演方法能夠?qū)Σ煌年P(guān)斷時(shí)間進(jìn)行模型，獲得不同情況下的瞬變電磁響應(yīng)規(guī)律，該方法還同時(shí)解決了淺層電性不均勻和考慮地形情況下的瞬變電磁三維正演激發(fā)源問題。對(duì)于大深度的瞬變電磁勘探，關(guān)斷時(shí)間的影響不大，但對(duì)于淺層的瞬變電磁勘探，必須考慮其關(guān)斷時(shí)間。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(3): 1049-1064

入選年份：2016

頁(yè)巖氣地震勘探中頁(yè)巖各向異性的地震模擬研究

孫偉家，符力耘，管西竹，等

摘要：目的：頁(yè)巖氣是一種重要的非常規(guī)天然氣，其勘探開發(fā)已在北美洲（尤其是美國(guó)）獲得了成功。富集頁(yè)巖氣的頁(yè)巖呈現(xiàn)很強(qiáng)的各向異性特征。頁(yè)巖的強(qiáng)各向異性特征挑戰(zhàn)波傳播數(shù)值模擬方法的精度極限，特別是對(duì)易引起頻散的高頻波（＞100 Hz）傳播的數(shù)值模擬。本文發(fā)展了一種聲波各向異性的地震波傳播模擬方法，探索地震波在頁(yè)巖介質(zhì)中傳播特征，為頁(yè)巖氣地震勘探提供基礎(chǔ)的理論支撐。方法：有限差分法由于數(shù)值實(shí)施簡(jiǎn)單靈活而得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，特別是基于波動(dòng)方程的交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分?jǐn)?shù)值實(shí)施被廣泛用于研究裂縫介質(zhì)的各向異性特征。鑒于目前我國(guó)頁(yè)巖氣地震勘探主要以常規(guī)地震聲波資料為主，發(fā)展了一種VTI介質(zhì)聲波方程的任意偶數(shù)階有限差分?jǐn)?shù)值模擬方法，給出了任意偶數(shù)階有限差分的常系數(shù)，并討論其穩(wěn)定性條件和吸收邊界條件。為實(shí)現(xiàn)聲波VTI地震傳播模擬，設(shè)定兩個(gè)各向異性參數(shù)相等，有效消除了剪切波現(xiàn)剪切波的數(shù)值噪音。結(jié)果：利用發(fā)展的VTI介質(zhì)聲波方程頁(yè)巖地震波傳播模擬方法，建立多個(gè)符合地質(zhì)概念的地震速度模型，研究了地震波在頁(yè)巖VTI介質(zhì)中的傳播特征。由于頁(yè)巖表現(xiàn)出強(qiáng)的各向異性，與各向同性介質(zhì)的地震波振幅和相位特征比較，在水平地震剖面和垂直地震剖上均可以清晰的發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖各向異性對(duì)地震波的相位和振幅的影響十分明顯。由于頁(yè)巖埋深較淺，且與砂巖交互形式存在。進(jìn)一步建立了一個(gè)多層頁(yè)巖—砂巖交互模型，將煤層高頻地震勘探引入頁(yè)巖氣地震勘探中，研究了主頻高達(dá)100 Hz的地震波在頁(yè)巖和砂巖交互層中的傳播特征，以貼合實(shí)際地質(zhì)情況。較常規(guī)頁(yè)巖地震勘探，由于提高了地震主頻，來自各個(gè)砂巖—頁(yè)巖薄層界面的反射以及界面之間的多次反射可以清晰的觀察到。較為明顯的現(xiàn)象是，由于薄層的存在，地震波“陷入”在薄層內(nèi)形成“導(dǎo)波”。結(jié)論：發(fā)展了任意偶數(shù)2M階有限差分求解VTI介質(zhì)聲波方程的離散格式，其計(jì)算穩(wěn)定，幾乎無頻散現(xiàn)象發(fā)生。討論了穩(wěn)定性條件和吸收邊界條件，其數(shù)值實(shí)施簡(jiǎn)單有效。針對(duì)多層頁(yè)巖模型，比較了聲波方程和VTI介質(zhì)聲波方程的地面地震記錄和垂直地震剖面。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于頁(yè)巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的各向異性，而導(dǎo)致地震波的走時(shí)和振幅較聲波方程計(jì)算的有明顯差異。這說明在處理有關(guān)頁(yè)巖氣的地震資料時(shí)，必須充分考慮各向異性的影響，否則將得不到準(zhǔn)確的偏移結(jié)果。由于含氣頁(yè)巖層頂?shù)捉缑娴臏?zhǔn)確位置對(duì)于后期的水平井壓裂和開發(fā)十分重要，且頁(yè)巖氣通常埋深較淺，提高勘探主頻可以明顯提高地震資料的分辨率，有助于提高巖性反演和儲(chǔ)層反演的精度。因此，提高地震勘探主頻對(duì)于頁(yè)巖氣勘探是十分必要的。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(3): 961-970

入選年份：2016

行星會(huì)合指數(shù)變化與太陽(yáng)繞太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)的周期

劉復(fù)剛，王建

摘要：目的：太陽(yáng)系行星系統(tǒng)會(huì)合程度的標(biāo)定，兩個(gè)行星可以計(jì)算出準(zhǔn)確的會(huì)合周期（二者日心經(jīng)度相同）和相分離的最大程度（二者日心經(jīng)度相差180°）。 3顆以上行星的會(huì)合與分離程度的標(biāo)定一直沒有很好解決。本文試圖通過公開的行星系統(tǒng)相關(guān)物理參數(shù)力爭(zhēng)解決這個(gè)難題。以往學(xué)者們認(rèn)為太陽(yáng)質(zhì)心繞太陽(yáng)系質(zhì)心周期性運(yùn)動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)具有一定的同步性，其實(shí)，太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)20年周期與太陽(yáng)黑子的準(zhǔn)22年磁周期并不同步，二者相差2年多的相位差問題始終沒有解決。本文試圖求算太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)真實(shí)的準(zhǔn)方向周期，以探索二者真正的相位對(duì)應(yīng)關(guān)系。方法：因?yàn)楦餍行擒壍肋\(yùn)動(dòng)平面與垂直于太陽(yáng)系各天體角動(dòng)量的矢量和的平面（視為“不動(dòng)平面”）的傾角都非常小，尤其是木星、土星、天王星和海王星的傾角幾乎不超過1°，在太陽(yáng)質(zhì)心坐標(biāo)系下，將太陽(yáng)和8大行星的軌道運(yùn)動(dòng)視為在同一平面內(nèi)運(yùn)行，并在有效規(guī)避多體問題的復(fù)雜性前提下創(chuàng)建了行星會(huì)合指數(shù)K方程。根據(jù)理論力學(xué)質(zhì)點(diǎn)組定義，會(huì)合指數(shù)K就是8顆行星質(zhì)量權(quán)重半徑的矢量和的模。太陽(yáng)和行星系質(zhì)心是同步繞太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，所以通過K指數(shù)不但可以標(biāo)定行星系統(tǒng)會(huì)合與分離程度，而且還可以指代太陽(yáng)繞太陽(yáng)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但必須首先知道行星系質(zhì)心繞太陽(yáng)系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。太陽(yáng)系質(zhì)心是不可見的，而且行星系統(tǒng)的物理參數(shù)又是在太陽(yáng)系坐標(biāo)系下獲得的，所以關(guān)鍵的問題是如何將太陽(yáng)坐標(biāo)系的規(guī)律有效地轉(zhuǎn)換到太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系下。從兩個(gè)方面解決這個(gè)問題：（1）以每顆行星質(zhì)量為權(quán)重求出行星系質(zhì)心的會(huì)合平均方向周期（23.7799年），并認(rèn)為這種狀態(tài)下行星系統(tǒng)也是沿直線排列在太陽(yáng)一側(cè)；（2）通過行星會(huì)合指數(shù)K圖像獲得的行星系統(tǒng)會(huì)合指數(shù)極大值周期為19.8585年，雖然行星會(huì)合指數(shù)K沒有達(dá)到理論最大值（Kmax＝7.51（AU）），但它的指代意義和（1）情形一樣，只不過程度較弱而已，為此選用二者的平均值作為行星系統(tǒng)會(huì)合質(zhì)心的平均方向周期（（23.7799＋19.8585）/2＝21.8192年）。這樣就可以通過調(diào)整太陽(yáng)坐標(biāo)系下的K指數(shù)的極大值周期19.8585年為21.8192年。具體的方法和技術(shù)指標(biāo)就是通過改正系數(shù)（21.8192/19.8585＝1.0987），將太陽(yáng)質(zhì)心坐標(biāo)系時(shí)間單位放大1.0987倍即可。結(jié)果：行星會(huì)合指數(shù)K解決了標(biāo)定行星系統(tǒng)會(huì)合與分離程度的量化標(biāo)準(zhǔn)。其中K≥0，當(dāng)Kmax＝7.51（AU）時(shí)八大行星在太陽(yáng)一側(cè)排成直列，實(shí)際上是不可能的；當(dāng)K＝0時(shí)，是可能存在的，它指代行星系統(tǒng)相分離的極大程度，即木星在一側(cè)，其他行星在太陽(yáng)的另一側(cè)且近似呈直列狀態(tài)；特殊情形，即K＝3.471（AU），它指代太陽(yáng)系質(zhì)心處于太陽(yáng)本體的邊緣，有兩種情況，其一是相對(duì)太陽(yáng)本體，太陽(yáng)系質(zhì)心是旋進(jìn)時(shí)期；其二是太陽(yáng)系質(zhì)心處于旋出時(shí)期。由K＝3.471（AU）特征值發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系質(zhì)心處在太陽(yáng)本體的時(shí)間要小于處在太陽(yáng)本體外面的時(shí)間。行星系質(zhì)心繞太陽(yáng)質(zhì)心繞轉(zhuǎn)的K指數(shù)圖像具有不同時(shí)間尺度的周期，由小到大依此是19.86年、179～180年和2300～2400年周期。這些周期具有嵌套關(guān)系，大周期是由小尺度周期K值振幅的差異性構(gòu)成。因?yàn)樾行窍蒂|(zhì)心和太陽(yáng)系質(zhì)心是同步繞太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的，因此可以通過改正系數(shù)（1.0987）使時(shí)間坐標(biāo)軸的單位時(shí)間長(zhǎng)度是原來的1.0987倍，這樣獲得的K指數(shù)圖像相位就相當(dāng)是在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系下獲得的逼近真實(shí)的太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)的角相位。采用調(diào)整后的K指數(shù)圖像與1600 AD至2000 AD年太陽(yáng)黑子數(shù)時(shí)間分布序列圖比較發(fā)現(xiàn)，K指數(shù)極值與太陽(yáng)黑子數(shù)周期一一對(duì)應(yīng)，其中太陽(yáng)黑子活動(dòng)偶數(shù)周期與K極小值對(duì)應(yīng)，太陽(yáng)黑子活動(dòng)奇數(shù)周與K極大值對(duì)應(yīng)。結(jié)論：在紛繁復(fù)雜的行星系統(tǒng)中通過行星會(huì)合指數(shù)K發(fā)現(xiàn)了行星系統(tǒng)的有序性，即標(biāo)定了行星系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。基于整個(gè)太陽(yáng)系的動(dòng)態(tài)平衡澄清了一種認(rèn)識(shí)，既然行星系質(zhì)心是繞太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的，那么理論上所有行星是繞太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的，而不是繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的。K指數(shù)不但標(biāo)定了太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)周期，也揭示了太陽(yáng)系質(zhì)心處在太陽(yáng)本體和外部的時(shí)間不等，這可能是造成太陽(yáng)對(duì)整個(gè)星際空間的影響具有20～22年不等的周期性的一種原因。相鄰的太陽(yáng)黑子活動(dòng)周，其磁場(chǎng)極性是相反的。從偶數(shù)周到奇數(shù)周這種磁極性反向?qū)?yīng)關(guān)系正與K指數(shù)指代的太陽(yáng)系質(zhì)心處在太陽(yáng)內(nèi)部與外部的時(shí)期一致對(duì)應(yīng)，這之間是由怎樣的機(jī)制引發(fā)的值得進(jìn)一步探究。太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)的上述三種不同時(shí)間尺度周期與氣候變化周期一致，這可能是全球氣候變化響應(yīng)太陽(yáng)軌道運(yùn)動(dòng)調(diào)控太陽(yáng)活動(dòng)的結(jié)果。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(5): 1457-1466

入選年份：2016

2013年四川蘆山Ms7.0地震前的重力變化

祝意青，聞學(xué)澤，孫和平，等

摘要：目的：2013年蘆山地震前，中國(guó)地震局系統(tǒng)在四川開展過多期流動(dòng)重力觀測(cè)，并基于流動(dòng)重力觀測(cè)的分析作出了中期預(yù)測(cè)，地震發(fā)生在預(yù)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。系統(tǒng)分析川西地區(qū)重力觀測(cè)資料，進(jìn)而對(duì)2013年四川蘆山MS7.0地震前重力場(chǎng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)演化特征與規(guī)律、地震孕育發(fā)生過程中的前兆表現(xiàn)有一個(gè)較為客觀的認(rèn)識(shí)，這無論是從地震預(yù)報(bào)角度來看，還是從地球動(dòng)力學(xué)的角度來看，都是有實(shí)際意義的。方法：利用川西地區(qū)2010—2012年期間不同時(shí)空尺度的流動(dòng)重力觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析區(qū)域重力場(chǎng)變化及其與2013年4月20日四川蘆山Ms7.0地震發(fā)生的關(guān)系，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境和區(qū)域強(qiáng)震活動(dòng)事件，進(jìn)一步研究區(qū)域重力場(chǎng)變化的時(shí)空分布特征及其機(jī)理。結(jié)果：研究區(qū)域重力場(chǎng)變化及其與2013年4月20日四川蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生的關(guān)系，獲得的主要認(rèn)識(shí)有：（1）區(qū)域重力場(chǎng)異常變化與北東向龍門山斷裂帶南段和北北西向馬爾康斷裂帶在空間上關(guān)系密切，反映沿該兩斷裂帶（段）在2010—2012年期間發(fā)生了引起地表重力變化效應(yīng)的構(gòu)造活動(dòng)或變形。（2）蘆山7.0級(jí)地震前，測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了較大空間范圍的區(qū)域性重力異常，而震源區(qū)附近產(chǎn)生了局部重力異常，沿龍門山斷裂帶南段形成了重力變化高梯度帶，其中，寶興、天全、康定、瀘定、石棉一帶重力差異變化達(dá)100×10－8ms－2以上；這些可能反映蘆山地震前，區(qū)域及震源區(qū)附近均產(chǎn)生與該地震孕育、發(fā)生有關(guān)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或應(yīng)力增強(qiáng)作用。（3）重力場(chǎng)差分動(dòng)態(tài)演化圖像和重力場(chǎng)累積變化動(dòng)態(tài)圖像均反映蘆山7.0級(jí)地震孕育過程的最后2～3年出現(xiàn)較顯著的流動(dòng)重力異常變化，可視為該地震的中期前兆信息。（4）蘆山震中位于正、負(fù)重力異常區(qū)伴生的與龍門山斷裂帶走向基本一致的重力變化高梯度帶上、重力變化等值線拐彎的地區(qū)，較好地反映了強(qiáng)震中期危險(xiǎn)地點(diǎn)與區(qū)域重力場(chǎng)的局部異常、高梯度帶及其拐彎、交匯部位有關(guān)。結(jié)論：川西重力網(wǎng)的流動(dòng)重力觀測(cè)資料顯示2013年蘆山7.0級(jí)地震前出現(xiàn)較好的中期前兆性變化圖像，即區(qū)域重力場(chǎng)變化既呈現(xiàn)大尺度空間范圍的有序性又有相對(duì)小尺度的局部集中性，蘆山地震發(fā)生在雅安重力變化正異常區(qū)（反映能量的積累）及沿龍門山斷裂南段出現(xiàn)的重力變化高梯度帶（反映有利于地震破裂的部位）上。流動(dòng)重力資料對(duì)2013年蘆山7.0級(jí)強(qiáng)烈地震震中地點(diǎn)的判定，進(jìn)一步實(shí)區(qū)域重力場(chǎng)觀測(cè)對(duì)未來強(qiáng)震震中位置的判定具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。強(qiáng)震易發(fā)生在重力變化正、負(fù)異常區(qū)過渡的高梯度帶上。蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生在龍門山斷裂帶南段重力變化高梯度帶發(fā)生拐彎的部位。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(6): 1887-1894

入選年份：2016

地面電磁探測(cè)系統(tǒng)（SEP）研究

底青云，方廣有，張一鳴

摘要：目的：我國(guó)大型電磁法探測(cè)裝備幾乎全部依賴于進(jìn)口，相關(guān)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)處于國(guó)外少數(shù)公司掌控之中。同時(shí)這些進(jìn)口設(shè)備存在著發(fā)射功率不夠大，接收設(shè)備笨重及野外操作不便等問題。為了滿足市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)深部電性結(jié)構(gòu)和資源探測(cè)裝備的需求，打破高端電磁探測(cè)裝備的國(guó)際壟斷，發(fā)展更有效的地球深部電性結(jié)構(gòu)和資源探測(cè)方法，提高電性結(jié)構(gòu)探測(cè)分辨率，在國(guó)家公益性行業(yè)專項(xiàng)支持下，研發(fā)了地面電磁探測(cè)SEP（surface electromagnetic prospecting）系統(tǒng)。對(duì)SEP總體設(shè)計(jì)、發(fā)射系統(tǒng)、磁傳感器、數(shù)據(jù)采集、3D軟件及系統(tǒng)集成與野外測(cè)試等方面對(duì)SEP系統(tǒng)的研究進(jìn)行了介紹。方法：在充分調(diào)研與分析國(guó)內(nèi)外主流發(fā)射機(jī)的基礎(chǔ)上，確定了雙交直電能變換的發(fā)射主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；诜抡婺Ｐ屯瓿闪税l(fā)射機(jī)硬件平臺(tái)的搭建和3層結(jié)構(gòu)組裝，研發(fā)了高性能的50 kW發(fā)射機(jī)，其發(fā)射電流可達(dá)50 A；重點(diǎn)攻關(guān)了儀器的核心部件——感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器，攻克了微弱信號(hào)放大電路和磁芯材料及線圈繞制等關(guān)鍵問題，研制出了高靈敏度低噪聲的CSAMT及MT磁場(chǎng)傳感器；采集站包括人機(jī)接口板、電源板、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板、時(shí)鐘板、采集板、采集信號(hào)前置處理板、Wi-Fi無線通信板及通信背板，分布式的工作模式可方便利用手持終端對(duì)各采集站進(jìn)行配置、監(jiān)督及管理；利用3D積分方程法開展了正反演軟件的研制，針對(duì)典型油氣及礦體模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果：首先進(jìn)行了SEP系統(tǒng)中各個(gè)分系統(tǒng)的研發(fā)，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)了完成分系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)測(cè)試，檢測(cè)各設(shè)備單元達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，開展了各分系統(tǒng)的野外測(cè)試，并與相應(yīng)國(guó)際高端儀器部件進(jìn)行對(duì)比。其中發(fā)射機(jī)與國(guó)際主流發(fā)射設(shè)備進(jìn)行了相同條件的發(fā)射對(duì)比，結(jié)果表明主要性能指標(biāo)與國(guó)際產(chǎn)品相當(dāng)；感應(yīng)式磁傳感器的研制獲得了很大的突破，多項(xiàng)室內(nèi)外的對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明，自主研制的MT和CSAMT磁傳感器已經(jīng)在噪聲壓制、頻率范圍、測(cè)量精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量方面與國(guó)際同類產(chǎn)品性能相當(dāng)；采集站經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)試的檢驗(yàn)，表明采集系統(tǒng)已基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，與國(guó)際高端產(chǎn)品的野外采集結(jié)果對(duì)比表明采集站性能和國(guó)際高端產(chǎn)品結(jié)果相當(dāng)；典型模型的數(shù)值模擬結(jié)果表明自行研發(fā)軟件得到的模擬結(jié)果可靠。在完成了發(fā)射系統(tǒng)，磁場(chǎng)傳感器、分布式采集站及正反演軟件等分系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室及野外測(cè)試之后，開展了SEP系統(tǒng)整體集成及野外測(cè)試工作，對(duì)各分系統(tǒng)進(jìn)行了有機(jī)集成，并將整套SEP系統(tǒng)與整套國(guó)際商業(yè)儀器在野外進(jìn)行了對(duì)比。在遼寧興城地區(qū)利用整套SEP系統(tǒng)完成了4條剖面的測(cè)量工作，SEP系統(tǒng)的最終反演斷面結(jié)果與國(guó)際高端系統(tǒng)的反演結(jié)果一致。結(jié)論：（1）SEP系統(tǒng)的發(fā)射設(shè)備的性能已和國(guó)際高端系統(tǒng)的發(fā)射設(shè)備性能相當(dāng)；（2）感應(yīng)式磁傳感器的性能已和國(guó)際高端系統(tǒng)感應(yīng)式磁傳感器性能相當(dāng)；（3）SEP單采集站的性能已和國(guó)際高端系統(tǒng)采集站系統(tǒng)的性能相當(dāng)；（4）研制的3D積分方程正演模擬系統(tǒng)能夠模擬含油氣、含礦等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的CSAMT電磁響應(yīng)；（5）通過實(shí)驗(yàn)室和野外測(cè)試考核，自主研制的SEP系統(tǒng)已達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(11): 3629-3639

入選年份：2016

高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透性與應(yīng)力耦合模型及控制機(jī)理

孟召平，侯泉林

摘要：目的：煤儲(chǔ)層孔滲性的分布直接影響煤層氣開采效果，是煤層氣開采評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，對(duì)于我國(guó)高煤級(jí)區(qū)多數(shù)煤層在成煤后經(jīng)歷了多個(gè)期次、多個(gè)方向的應(yīng)力場(chǎng)改造，與常規(guī)油氣儲(chǔ)層相比，煤儲(chǔ)層具有明顯的彈塑性變形特征和應(yīng)力敏感性，是影響煤層氣井產(chǎn)能的重要地質(zhì)因素。方法：以鄂爾多斯盆地東南緣高煤級(jí)煤儲(chǔ)層為對(duì)象，采用增加煤樣的凈圍壓模擬應(yīng)力的變化，并測(cè)量滲透率隨凈圍壓變化的情況，來分析煤儲(chǔ)層滲透性與應(yīng)力之間的關(guān)系。通過煤樣的應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，建立了高煤級(jí)煤儲(chǔ)層滲透性與應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系和模型；探討了滲透性變化的控制機(jī)理。結(jié)果：煤儲(chǔ)層滲透率隨應(yīng)力的增加按負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低。在應(yīng)力小于5 MPa時(shí)，煤儲(chǔ)層滲透率隨應(yīng)力增加快速下降，應(yīng)力敏感性最強(qiáng)；應(yīng)力在5～10 MPa時(shí)，滲透率隨應(yīng)力增加而較快下降，應(yīng)力敏感性較強(qiáng)；而當(dāng)應(yīng)力大于10 MPa后，滲透率隨應(yīng)力的增加下降速度減緩，應(yīng)力敏感性減弱。與沁水盆地南部高煤級(jí)煤樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比認(rèn)為，鄂爾多斯盆地東南緣山西組2煤層應(yīng)力敏感性要小于沁水盆地南部山西組3煤層的應(yīng)力敏感性。煤儲(chǔ)層滲透性是在應(yīng)力作用下煤儲(chǔ)層中裂隙產(chǎn)生壓縮（壓密）變形，裂隙開度急劇減小的結(jié)果。因此在煤層氣開發(fā)過程中控制排采速度，尤其是排采早期降液速度，對(duì)于防止煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性，提高采收率具有實(shí)際意義。結(jié)論：（1）隨著應(yīng)力的增加煤樣滲透率逐漸減少，當(dāng)應(yīng)力降低以后，煤儲(chǔ)層滲透率有所恢復(fù)，但是全都不能恢復(fù)到原始水平，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力敏感性；且煤儲(chǔ)層滲透率隨著應(yīng)力的增加按負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律降低。（2）與沁水盆地南部山西組3煤層實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比認(rèn)為，沁水盆地南部山西組3煤層應(yīng)力敏感性要大于鄂爾多斯盆地東南緣山西組2煤層應(yīng)力敏感性。（3）煤儲(chǔ)層滲透性除與應(yīng)力密切相關(guān)外，還受煤中裂隙反映程度和煤巖顯微組分含量的影響。含裂隙煤樣初始滲透率較高，在應(yīng)力作用下滲透率急劇降低，且滲透率恢復(fù)程度差；在相同應(yīng)力條件下，隨著鏡質(zhì)組含量的增加煤儲(chǔ)層滲透性按指數(shù)函數(shù)規(guī)律增高。（4）當(dāng)裂隙面法向力為壓應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力的增加裂隙產(chǎn)生法向壓縮（壓密）變形，開始先為點(diǎn)或線接觸，經(jīng)過擠壓，局部破碎或劈裂，接觸面增加，裂隙面壓縮量呈指數(shù)曲線特征，煤儲(chǔ)層滲透率急劇下降。在煤層氣開發(fā)過程中，隨著水、氣介質(zhì)的排出，煤儲(chǔ)層壓力逐漸下降，導(dǎo)致煤儲(chǔ)層有效地應(yīng)力（地應(yīng)力—煤儲(chǔ)層壓力）增加，煤儲(chǔ)層微孔隙和裂隙被壓縮和閉合，煤體發(fā)生顯著的彈塑性形變，從而使煤儲(chǔ)層滲透率明顯下降。（5）煤儲(chǔ)層應(yīng)力敏感性極大地影響煤層氣井產(chǎn)能，對(duì)生產(chǎn)過程中地應(yīng)力和儲(chǔ)層壓力變化過程的研究，將有助于煤層氣的合理開采，減少煤儲(chǔ)層傷害，提高最終采收率。

來源出版物：地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(2): 667-675

入選年份：2016