基于Ansoft Maxwell瞬變電磁救援井系統探測性能分析

許林康，劉 彤，胡 軍，徐 飛

(1.西安石油大學，陜西 西安 710065；2.西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

瞬變電磁探測能力和精度關鍵在于電磁探頭，探頭的發射前端直接關系到測量信號的范圍和異常體的二次場的強度，而接收端屬于被動式接收周圍介質中的磁場信息，不僅要抑制自身一次場耦合信號和空間其他信號的干擾，而且對不同距離的事故井管套的二次場信號響應[1-2]。

傳統瞬變電磁探頭采用單個發射線圈發射一次脈沖信號，單個接收線圈響應空間中二次場渦流，利用渦流的擴散特性感知空間中異常體信息，此種探測機制探頭通過合理設計在小范圍內靈敏度很高，常應用于狹小空間內的異常體探測、水文地質勘探等領域[3]。但是在大空間探測中，接收線圈對空間分散的異常體響應小，接收信號弱；對于多個異常體目標，一發一收不能將多個目標信號剝離處理且易受其他噪聲干擾[4]；一次場信號在空間擴散，二次場信號以多方向擴散，單個接收線圈耦合多個方向的信號響應，無法獲得多方位的磁場信息；單通道處理接收信號，系統噪聲大、分辨率低[5]。為了解決這一問題，提出一種對稱式陣列探測方法，通過多個對稱陣列線圈感知事故信息提高探測性能。

1 基于ANSOFT Maxwell的瞬變電磁探測模型分析

為了分析磁性探頭的各項參數對救援井探測性能影響，通過Maxwell仿真軟件分析空間瞬態場中事故井套管和磁性探頭的磁場分布規律，改變發射電壓參數、接收陣元來對比分析事故井套管上的二次場的磁場分布及變化規律。

在Maxwell中建立瞬變電磁救援井探測模型，首先分析磁芯磁導率變化對早晚期事故井套管上的一次場及二次場的影響，空間中設定磁性探頭坐標 （100，200，80），線圈內徑 5mm，外徑10mm，高度為80mm，材料為銅；磁芯坐標（100，200，80），外徑4.5mm，高度80mm；事故井套管坐標（350，550，0），外徑70mm，內徑60mm，高度350mm，材料為鋼；發射周期為2s（高低電平占空比為 1∶1）。

根據以上設立的模型，其他條件不變，改變發射電壓，對比不同時刻事故井二次場磁場的變化。不同發射電壓事故井磁場仿真如圖1所示。

圖1中 (a)、 (b)是1.2s時刻事故井二次場磁場強度圖。圖1(a)中最大的磁場強度為1.4867×10-5T，圖1(b)圖中最大的磁場強度為1.494×10-4T。10V的發射電壓是1V的 10倍，10V發射電壓下的事故井套管上磁場強度也是1V的將近10倍，因此發射電壓越大，事故井管套上的磁場強度越大。

圖1 不同發射電壓事故井仿真圖

在上述模型中改變接收陣元，分析不同陣元接受對探測性能的影響，使用相同電壓發射，設定相同陣元間距不同陣元高度，改變陣元個數來對比分析事故井和接收陣元二次場信息。不同陣元接收二次場仿真如圖2所示。

圖2 同陣元接收二次場仿真圖

如圖2（a）所示，12個對稱接收陣元，陣元間距在1.2S處的二次場響應對稱，磁場響應的最高值在首尾接收陣元，最大值為9.9337×10-4T；圖2（b） 中6個對稱陣元接收在1.2s二次場響應最高值也是首尾陣元，最大值為1.1034×10-3T；相同條件下，12個對稱陣元響應的事故井二次場信號豐富，但信號強度不如6個接收陣元強度高，因此陣元個數越多測量的事故井信息越豐富，陣元高度越高，二次場響應的強度越高。

2 總結分析

通過Ansoft Maxwell仿真軟件對救援井探測系統的對稱探頭參數分析發現改變發射電壓可以引起事故井套管上磁場較大的變化，實際設計首先考慮發射功率這一參數，盡可能提高發射功率；對稱接收陣元個數越多探測的事故井二次場信息越豐富，實際設計對稱接收應適當增加陣元個數；接收陣元的高度越大，信號響應越強，相同條件下以適當增大接收陣元高度。因此，合理設計以上參數有助于提高救援井探測系統的探測性能。