基于异构并行的三维VTI介质频率域海洋可控源电磁约束反演研究

The VTI media is caused by fine periodic thin layers, and it is one of most sedimentary rocks researched by geophysicists in sedimentary formation. Three dimensional frequency domain marine controlled-source electromagnetic methods（MCSEM）based on VTI anisotropy inversion will have obtained a lot of theoretical worth for probing into the earth and exploring the complex oil and gas reservoirs. The 3D VTI MCSEM inversion mainly faces the following common problems: (1) the larger calculation in forward and inversion; (2) the multiplicity of inversion results; the project aiming at the common problems above-mentioned mainly includes the following research contents: (1) The 3D forward that studies the heterogeneous parallel processing strategy based on MPI+GPU in order to increase calculation efficiency.(2) The 3D inversion that introduces constrained known information to the quasi-Newton, reducing the resolution space to improving the reliability of inversion.(3) Algorithm verification and its application,which mainly research on algorithm accuracy testing and optimization,and its applications in selected MCSEM scenes.This research will promote the study of 3D VTI inversion that is based on marine controlled-source electromagnetic method,and will be able to result in algorithms of greater performance in this field.

由于海底沉积地层中广泛存在周期性薄互层(VTI)介质引起的各向异性，基于VTI介质的频率域三维海洋可控源电磁（MCSEM）反演研究，对我们认知地球介质结构和勘探开发复杂油气藏均具有重要意义。三维VTI介质MCSEM正反演研究主要面临如下共性问题：（1）正、反演算法计算量巨大；（2）反演算法大多采用无约束优化算法，未引入地质、地球物理工作者已获取的有效先验信息进行带约束的反演。针对上述共性问题，本项目主要研究内容包括：（1）三维正演，采用基于MPI+GPU异构并行策略以提高正演计算效率；（2）三维反演，将先验约束信息引入到拟牛顿反演中，缩小“解空间”以降低反演问题多解性；（3）算法验证及应用，对各向异性正反演算法进行测试、优化并研究数据类型对VTI介质MCSEM勘探效果的影响。本项目是对三维VTI介质频率域MCSEM反演的深入研究，将有力推动这一领域产生更优的算法。

近年来，海洋可控源电磁法（MCSEM）被引入油气勘探领域以降低勘探风险。在海洋环境中，受沉积因素所造成的电阻率各向异性的影响，地电模型往往会非常复杂。为更好地反映地下电性结构，本研究实现了基于VTI各向异性介质的频率域海洋可控源电磁三维反演。其中，正演采用基于Yee氏交错网格的三维有限差分算法，所形成的离散线性系统通过大规模并行矩阵直接求解器（MUMPS）进行求解。同时为满足三维复杂电性结构模拟的需求，也对矢量有限元方法就行了研究，网格剖分采用非结构化六面体。在组装刚度矩阵之后，形成的大型复数线性方程组分解为等价的实数形式，并利用Auxiliary Space Maxwell（AMS）预条件的共轭梯度法求解。在获得微分方程的解之后，为提高解决方案的准确性，通过面向目标的自适应误差估计来指示网格细化，重点加密能使观测点数值模拟精度提高的网格。对于大规模三维数据，为了使并行计算达到均衡负载的效果，我们使用了Serial Graph Partitioning and Fill-reducing Matrix Ordering（METIS）函数库来进行网格计算任务量的划分。反演采用基于不等式约束的有限内存BFGS（L-BFGS）算法。最后，利用VTI各向异性介质合成数据，分别进行了电阻率各向异性覆盖层和电阻率各向异性高阻层的三维反演，结果表明：（1）基于并行直接法的MCSEM非常适用于海洋电磁所特有的多场源问题；（2）针对各向异性覆盖层模型进行三维各向异性约束反演，提高了解的可靠性；(3)针对电阻率各向异性高阻层，多数据覆盖的反演结果对异常体位置有很好的反映。