基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法

本发明涉及深部地层温度场预测领域，更具体地说，涉及一种基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法。

背景技术：

1、深部温度预测的精度直接影响着地热资源勘探评价的精度及开发利用的效益，因此，最大限度地准确估计地下空间温度场分布特征显得极为重要。

2、目前，获取地球内部温度的方式主要有两大类：直接测量及间接探测。第一类直接测量方法主要是基于已有的钻孔测温插值获取区域温度场，但如果钻孔测温数量过少，往往导致相当大的误差，尤其在地质构造复杂区域；而钻孔过多，虽然在一定程度上可以提高温度场预测精度，但成本过高。第二类间接探测方法主要是基于地球化学或地球物理手段间接预测地温场。其中，地球化学手段主要是利用地球化学地温计来预测温度场，即利用各类地球化学温标等经验公式反推温度特征，这类间接地温计可以预测热储温度的分布范围，但无法提供区域性温度展布且难以将预测温度与深度匹配。而地球物理手段则主要基于地球物理参数与温度关系反推温度场，即利用物性与温度之间经验关系公式去估算地层温度，但该类经验公式中的各项参数在任意地质环境及深度下均假设为定值，因此往往造成较大的预测误差。

3、因此，现有温度场预测方法中，钻孔插值难以同时兼顾成本和精度；地球化学温标难以将温度与深度准确匹配；纯经验公式的地球物理间接地温计难以准确估算深部地层温度。故现有的温度估算方法难以准确预测钻孔未到达深度及井间空间的温度展布，更难以准确提供区域性深部地温场展布特征。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法及计算机设备，能基于少量的钻孔测井约束，将地下介质电性特征转换为温度场分布，预测精度高且预测范围广。

2、本发明提供一种基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法，其特征在于，包括以下步骤：step1：根据目标区电磁探测数据及先验信息，构建电磁数据三维轴向各向异性反演参数目标泛函；step2：根据所述电磁数据三维轴向各向异性反演参数目标泛函，进行目标区电磁数据电性结构精细反演，得到电性结构模型；step3：根据所述电性结构模型、区域地热地质及地层信息和目标区深部地层不同区块热物性参数先验信息，得到目标区地下热储地层构造模型；step4：根据所述目标区地下热储地层构造模型，结合区域地热地质信息，得到深部地层传热模型；所述深部地层传热模型包括边界条件，所述边界条件包括上地表平均温度边界条件、底部先验热流值分布边界条件和深度地层传热模型剖面两边绝热边界条件；step5：根据所述目标区深部地层不同区块热物性参数先验信息、所述上地表平均温度边界条件和深度地层传热模型剖面两边绝热边界条件，利用牛顿-拉夫逊优化算法，对所述底部先验热流值分布边界条件进行反演，得到深部地层传热模型的温度场展布。

3、进一步地，步骤step1具体包括：根据目标区电磁探测数据及先验信息，采用三维轴向各向异性模型泛函同时对数据目标泛函进行约束，构建电磁数据三维轴向各向异性反演参数目标泛函，如公式：

4、，

5、其中，表示电磁数据三维轴向各向异性反演参数目标泛函；代表模型参数；是数据不匹配项；和分别为光滑约束项和各向异性惩罚项的权重；和分别是光滑约束项和各向异性惩罚项；是数据协方差矩阵；表示给定模型 m的预测数据；表示观测数据；是模型加权矩阵；是参考模型；为电磁数据观测点个数，、和分别是反演单元在、和方向上的主电阻率。

6、进一步地，步骤step2具体包括：

7、利用高斯牛顿方法来最小化目标函数，如公式：

8、，

9、其中，是数据协方差矩阵；表示雅克比矩阵；上标表示矩阵的转置；为光滑约束项的权重；是模型加权矩阵；各向异性惩罚项的权重；表示各向异性惩罚项中的海森矩阵；表示模型更新量，表示给定模型的预测数据；表示观测数据；表示光滑约束项的权重；代表模型参数；表示参考模型；

10、利用armijo线性搜索得到步长，并更新电性结构模型，如公式：

11、，

12、其中，表示下一次迭代模型；表示当前迭代模型；表示搜索步长；表示模型更新量；

13、通过迭代反演修正电性结构模型，使最终反演结果与实测数据的总体均方根误差小于或者等于预设拟合误差值，得到电性结构模型，如公式：

14、，

15、其中，为总体均方根误差，表示最大迭代次数，和分别表示第个观察数据和第个正演数据。

16、进一步地，步骤step3具体包括：step31：根据所述电性结构模型和区域地热地质及地层信息，得到地下地层结构构造分布特征；step32：根据所述地下地层结构构造分布特征和目标区深部地层不同区块热物性参数先验信息，得到目标区不同地层热物性参数；step33：根据所述目标区不同地层热物性参数，得到目标区地下热储地层构造模型。

17、进一步地，上述目标区不同地层热物性参数包括地层密度、热导率和比热容。

18、进一步地，步骤step5包括：根据所述目标区深部地层不同区块热物性参数先验信息、所述上地表平均温度边界条件和深度地层传热模型剖面两边绝热边界条件和所述底部先验热流值分布边界条件，以钻孔测温为响应约束条件，构建底部边界热流分布最优化反演目标函数，如公式：

19、，

20、其中，为拟合度，即反演最优化目标函数；为回归平方和，为总离差平方和，为实测温度数据的个数，为反演温度，即反演过程中传热模型温度场在验证钻孔处的温度；为实测温度平均值，为残差平方和；为预测温度。

21、进一步地，步骤step5还包括：利用牛顿-拉夫逊优化算法，生成初始化随机种群，如公式：

22、，

23、，

24、其中，表示第个个体的第维位置；表示之间的随机数；表示下边界；表示上边界；为所有维度的种群矩阵；表示表示种群数量，表示表示问题的维度。

25、进一步地，步骤step5还包括：利用牛顿-拉夫逊优化算法，更新迭代种群，如公式：

26、，

27、，

28、，

29、，

30、其中为牛顿-拉夫逊优化算法中的主要组成部分，表示均值为0、方差为1的正态分布随机数；表示一个具有个决策变量的随机数；和是使用和生成的两个向量的位置；为当前变量值，和是从总体中随机选择的不同整数，表示一组数据的平均值，为过程量，为种群矩阵，为最差位置，为最佳位置；为通过更新得到的新向量位置，为当前向量位置，和为是0-1之间的随机数，和均为随机位置向量，为通过考虑、和得到的新向量位置，为通过考虑、和得到的新向量位置，为自适应系数，表示当前迭代，表示迭代的最大次数。

31、进一步地，步骤step5还包括：利用陷阱避免操作器算法进一步优化种群，如公式：

32、，

33、，

34、，

35、，

36、其中，为下一次迭代的种群矩阵中第n个个体的位置向量，为利用陷阱避免操作器算法获取的下一次迭代的位置向量，和分别为和之间的均匀随机数，和为随机数，为最佳位置，为当前迭代的种群矩阵中第个个体的位置向量，为为自适应系数，为一组数据的平均值，为当前迭代的种群矩阵，为控制性能的判定因子，表示二进制数1或0，为之间的均匀随机数。

37、本发明还提供计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，该处理器执行该程序时实现上述的基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法的步骤。

38、实施本发明提供的基于地下介质传热模型的底部热流及深层温度反演方法及计算机设备，具有以下有益效果：

39、本发明基于钻孔测温—电磁探测—智能算法联合约束反演，结合目标区电磁探测数据与测井资料，开展基于测井约束的电磁数据各向异性电性结构反演；其中，采用三维轴向各向异性模型泛函同时对数据目标泛函进行约束，建立电磁数据三维轴向各向异性反演参数目标泛函，基于预处理的非线性共轭梯度算法实现目标区电性结构精细反演，能够大大提高电性结构模型的精度；

40、本发明基于将反演的地下地层构造分布转化为目标区不同地层热物性参数展布，融合目标区地热地质信息构建深层介质传热模型；融合目标区不同地层热物性参数、上地表平均温度边界条件、深度地层传热模型剖面两边绝热边界条件，采用牛顿—拉夫逊优化算法实现底部热流值分布及深部地层温度场反演；

41、本发明能解决现有的温度估算方法难以准确预测钻孔未到达深度及井间空间的温度展布，难以准确提供区域性深部地温场展布特征的问题，能基于少量的钻孔测井约束，将地下介质电性特征转换为温度场分布，预测精度高且预测范围广。