地—井瞬變電磁三維各向異性響應特征研究

摘要： 地—井瞬變電磁法由于抗干擾能力強、響應信號明顯等優勢而應用廣泛。在深部礦產資源調查和地質構造勘查等任務中，多個油氣儲存在層理發育的沉積巖地區大多數情況下表現為電各向異性，但是目前地—井瞬變電磁反演算法均基于各向同性模型，傳統反演成像技術不再適用。為了分析地層電導率各向異性對地—井瞬變電磁勘探結果的影響，對各向異性介質模型研究其電磁響應特性?；诟飨虍愋越橘|的電導率張量，提出了一種基于有限元方法的三維分析模型，采用PARDISO 求解器進行求解。針對多個各向異性角度的情況模擬了各向異性介質的瞬變電磁響應，分析介質各向異性對電磁波傳播規律的影響，探討了各向異性瞬變電磁響應特征。研究結果表明：在垂直各向異性介質中，電磁波傳播方向垂直于電導率最大的方向時，電磁響應變化最明顯； 電磁波傳播方向平行于電導率最大的方向時，電磁響應變化最弱。在水平各向異性介質中，電磁波垂直于電導率最小的方向時，電磁響應變化最明顯； 電磁波平行于電導率最小的方向時，響應變化較弱。最后，針對地—井瞬變電磁方位測井，分析了發射源沿不同方向條件下各向異性地層和異常體模型的電磁響應，結果表明其瞬變電磁響應特征與發射源的方向有關，且對于主軸各向異性異常體，發射源方向的選擇直接影響對異常體各向異性方向的判斷。該研究結論對油氣開發地球物理勘探方法的研究具有一定的參考價值。

關鍵詞： 電導率各向異性，有限元，電磁場三維正演，二階后退歐拉差分法

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000‐7210. 2024. 05. 024

0 引言

瞬變電磁法（TEM）是一種時間域人工源電磁法，廣泛應用于礦產資源勘探。該方法利用不接地回線源或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，通過觀測地下介質感應產生的二次場分析地層的電性特征[1]。與頻域方法相比，瞬變電磁法理論上具有受低阻層影響小、體積效應小、分辨率高、旁側影響小及測量快速、高效等優點[2-3]。地—井瞬變電磁法是近年來發展較快、地質找礦效果較好的一種電法勘探方法，主要應用于金屬礦的勘查、構造填圖及油氣田、煤田、地下水、地熱、凍土帶、海洋地質等領域的研究[4]。在金屬礦勘查方面，該方法主要應用于井旁、井底盲礦體的勘察，尤其目標礦體深度太大、受電性干擾因素（如導電覆蓋層、淺部硫化物、地表礦化地層等）影響的地區，應用地面電磁法進行勘探更能體現其優越性[5]。在加拿大、澳大利亞等國家，地—井TEM 法已成為常規勘查方法，有很多成功的深部找礦實例。1995 年利用地—井TEM 法在加拿大Falconbridge Lindsley 銅鎳礦區發現深1280 m、厚28 m 的富礦[6-7]。野外數據采集時，將發射回線裝置布置在鉆孔上方或附近地面，向地下發送雙極性脈沖，將探頭沿鉆孔或井眼逐點下沉，測量地質體感應產生的瞬變電磁響應[8]。該方法具有受地面電磁場或人文干擾小、電磁信號強等優勢，在深部找礦、地質構造研究等方面得到了廣泛應用，尤其對金屬礦的開發具有不可替代的作用。

早期的鉆井一般都是豎直井，瞬變電磁法測井儀器只能進行單一方向的測量，因而無法研究地層電性各向異性的影響。隨著科技的進步，開始鉆探水平井和大斜度井。由于地層電性各向異性會影響測量結果的精確性，給各向異性儲層的解釋和評價帶來困難[9]。O’Brien 等[10]推導了層狀各向異性介質中電磁場的遞推公式； Weiss 等[11]通過數值模擬研究了電性源在各向異性介質中產生的電磁場分布特征； Pek 等[12]較全面和完善地闡述了一維各向異性地層的正演問題。之后，地球物理學家們對地層各向異性及矢量電磁場的研究取得了初步進展[13-14]，多分量和方向感應測井技術相繼出現，其方法也逐步成熟[15]。徐世浙等[16]采用有限元法計算了二維電性各向異性地電斷面的大地電磁場； Yu 等[17]分析了三維各向異性海底對TEM 響應的影響； 王昌學等[18]使用交錯網格有限差分法模擬了電性各向異性地層的頻率域電磁響應； 孫向陽等[19]采用矢量有限元法研究了傾斜各向異性地層中隨鉆測井電磁響應的分布特征； 陳桂波等[20]使用積分方程法模擬研究了三維電性異常體在各向異性地層中的電磁響應； Dennis 等[21]研究了電各向異性介質在近地表的瞬變電磁響應特征； 嚴良俊等[22]研究了一維油氣儲層電各向異性對瞬變電磁響應中視電阻率的影響；王煜翔[23]實現了電性源瞬變電磁法一維各向異性模型的正、反演； 周建美等[24]和劉亞軍等[25]采用有限體積法研究了不同方向的電導率各向異性對電磁場分量的影響； 劉亞軍[26]采用有限體積法實現了回線源和長偏移距瞬變電磁法的三維各向異性介質的正演； 郭建磊等[27-28] 采用有限差分法研究了軸向各向異性地—井和巷—孔瞬變電磁響應隨深度變化的特征。關于瞬變電磁法在各向異性介質地—井測井中時間域的研究鮮有報道?；诘亍沧冸姶欧ㄔ诟飨虍愋越橘|中的響應規律的初步研究[29]，本文在時間域各向異性介質響應的基礎上，采用具有靈活性和適應性、能夠較好地貼合地形變化、多適用于復雜地質模型計算的有限元數值模擬方法，針對地—井瞬變電磁方位測井中發射源沿井孔不同方向布置的情況，研究并分析了時間域瞬變電磁響應特征。本文研究結果能對地—井瞬變電磁法的各向異性解釋提供指導，也為地—井瞬變電磁勘探的多方位測井和各向異性反演提供參考。