基于天河二号的各向异性三维海洋可控源电磁高阶有限元数值模拟研究

Marine controlled-source electromagnetics (MCSEM) is developed rapidly in seabed oil & gas exploration over these years. It could distinguish oil & gas from water in the reservoirs, which the velocity of compressional wave used in seismic exploration is less sensitive. The present MCSEM data processing is based on the isotropic theory. However, geo-electric anisotropy occurs in the thin interbed sand and shale in seabed sediments and crack areas and so, the disturbed electromagnetic responses should be simulated and analyzed. Besides, the geo-electromagnetic fields are linear assumed in finite elements, this could be the main error when the elements become bigger. Therefore, we intend to focus on studying three-dimensional anisotropic MCSEM responds using high-order finite element method and obtain satisfying accuracy. It is in urgent need to solve this international frontier topic during the marine oil & gas geo-electromagnetic exploration. The unstructured meshes are employed to build complex anisotropic models, the program framework is set up by FEPG (Finite Element Program Generator) and MPI parallelization and CPU/GPU heterogeneous computation would adopted on tianhe-2 supercomputer platform. These high performance computation strategies will improve the solving efficiency tremendously and obtain fruitful results.

海洋可控源电磁法(MCSEM)是近年来迅速发展的海洋油气资源探测新方法，它可以弥补地震勘探利用的纵波速度对孔隙流体不敏感的不足，判定储层中流体是水还是油气。目前MCSEM实际资料的处理还是基于各向同性理论，然而，海底砂泥岩薄互层沉积和裂缝发育等实际地质情况都会导致电阻率的各向异性，亟需针对各向异性造成的电磁响应畸变展开模拟分析。另外，现阶段MCSEM有限元数值模拟都是假定单元内电磁场是线性变化的，当单元尺寸变大时这可能是误差的主要来源。因此，本项目拟采用高阶有限元法进行各向异性三维MCSEM的高精度数值模拟是海洋电磁勘查急需解决的国际前沿课题，我们采用非结构网格以满足复杂各向异性模型的建立，通过程序自动生成工具FEPG得到MCSEM源程序框架，并修改以适应天河二号超级计算机上展开MPI并行和CPU/GPU异构计算，综合以上计算策略会极大提升数值模拟效率，并有望取得新的成果。

本研究旨在采用有限元数值模拟方法，在网格分析基础上，研究程序自动生成技术并应用于各向异性介质海洋可控源电磁（MCSEM）等地球电磁类勘探方法中。本项目综合研究了网格剖分、求解算法、各向异性介质、程序自动生成技术、高阶插值等对地球电磁有限元数值模拟的影响。本研究有异于常规地球电磁数值模拟策略之处在于采用了程序自动生成技术。本研究依赖于国产商业化软件FEPG，可直接供参考借鉴的方法几乎没有。FEPG本身具有强大的功能，相对于国外商业化软件具有可生成计算机fortran程序的功能。然而，目前FEPG版本更迭较快，商业化运作支持也在发展之中，关于其内核生成源程序的说明资料尚很欠缺，自行通过研究源代码本身去探究其生成机理较为困难，以至于采用本方法拓展到海洋可控源电磁法数值模拟时尚未有效突破。尽管如此，本研究将该方法用于地球电磁勘探中的特例——直流电法（即ω=0）情况时取得了较好的效果，成功开发出自主模拟程序DC3D。研究发现网格剖分对直流电法有限元数值方法的模拟精度和效率有重要影响，即在不均匀网格剖分时部分共轭梯度求解算法可能导致求解不收敛，而采用特定网格剖分时可较大程度地节省存储资源。通过合成模型的计算，发现各向异性介质中的模拟难度和模型响应特征完全不同于各向同性介质。项目关于各向异性介质中的模拟策略和基础算法研究经验可为地球电磁类勘探方法的数值模拟提供有益参考。