基于Ansoft Maxwell瞬變電磁救援井系統(tǒng)探測(cè)性能分析

許林康，劉 彤，胡 軍，徐 飛

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

瞬變電磁探測(cè)能力和精度關(guān)鍵在于電磁探頭，探頭的發(fā)射前端直接關(guān)系到測(cè)量信號(hào)的范圍和異常體的二次場(chǎng)的強(qiáng)度，而接收端屬于被動(dòng)式接收周?chē)橘|(zhì)中的磁場(chǎng)信息，不僅要抑制自身一次場(chǎng)耦合信號(hào)和空間其他信號(hào)的干擾，而且對(duì)不同距離的事故井管套的二次場(chǎng)信號(hào)響應(yīng)[1-2]。

傳統(tǒng)瞬變電磁探頭采用單個(gè)發(fā)射線圈發(fā)射一次脈沖信號(hào)，單個(gè)接收線圈響應(yīng)空間中二次場(chǎng)渦流，利用渦流的擴(kuò)散特性感知空間中異常體信息，此種探測(cè)機(jī)制探頭通過(guò)合理設(shè)計(jì)在小范圍內(nèi)靈敏度很高，常應(yīng)用于狹小空間內(nèi)的異常體探測(cè)、水文地質(zhì)勘探等領(lǐng)域[3]。但是在大空間探測(cè)中，接收線圈對(duì)空間分散的異常體響應(yīng)小，接收信號(hào)弱；對(duì)于多個(gè)異常體目標(biāo)，一發(fā)一收不能將多個(gè)目標(biāo)信號(hào)剝離處理且易受其他噪聲干擾[4]；一次場(chǎng)信號(hào)在空間擴(kuò)散，二次場(chǎng)信號(hào)以多方向擴(kuò)散，單個(gè)接收線圈耦合多個(gè)方向的信號(hào)響應(yīng)，無(wú)法獲得多方位的磁場(chǎng)信息；單通道處理接收信號(hào)，系統(tǒng)噪聲大、分辨率低[5]。為了解決這一問(wèn)題，提出一種對(duì)稱(chēng)式陣列探測(cè)方法，通過(guò)多個(gè)對(duì)稱(chēng)陣列線圈感知事故信息提高探測(cè)性能。

1 基于ANSOFT Maxwell的瞬變電磁探測(cè)模型分析

為了分析磁性探頭的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)救援井探測(cè)性能影響，通過(guò)Maxwell仿真軟件分析空間瞬態(tài)場(chǎng)中事故井套管和磁性探頭的磁場(chǎng)分布規(guī)律，改變發(fā)射電壓參數(shù)、接收陣元來(lái)對(duì)比分析事故井套管上的二次場(chǎng)的磁場(chǎng)分布及變化規(guī)律。

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

根據(jù)以上設(shè)立的模型，其他條件不變，改變發(fā)射電壓，對(duì)比不同時(shí)刻事故井二次場(chǎng)磁場(chǎng)的變化。不同發(fā)射電壓事故井磁場(chǎng)仿真如圖1所示。

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

圖1 不同發(fā)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(duì)探測(cè)性能的影響，使用相同電壓發(fā)射，設(shè)定相同陣元間距不同陣元高度，改變陣元個(gè)數(shù)來(lái)對(duì)比分析事故井和接收陣元二次場(chǎng)信息。不同陣元接收二次場(chǎng)仿真如圖2所示。

圖2 同陣元接收二次場(chǎng)仿真圖

如圖2（a）所示，12個(gè)對(duì)稱(chēng)接收陣元，陣元間距在1.2S處的二次場(chǎng)響應(yīng)對(duì)稱(chēng)，磁場(chǎng)響應(yīng)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(gè)對(duì)稱(chēng)陣元接收在1.2s二次場(chǎng)響應(yīng)最高值也是首尾陣元，最大值為1.1034×10-3T；相同條件下，12個(gè)對(duì)稱(chēng)陣元響應(yīng)的事故井二次場(chǎng)信號(hào)豐富，但信號(hào)強(qiáng)度不如6個(gè)接收陣元強(qiáng)度高，因此陣元個(gè)數(shù)越多測(cè)量的事故井信息越豐富，陣元高度越高，二次場(chǎng)響應(yīng)的強(qiáng)度越高。

2 總結(jié)分析

通過(guò)Ansoft Maxwell仿真軟件對(duì)救援井探測(cè)系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)探頭參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)改變發(fā)射電壓可以引起事故井套管上磁場(chǎng)較大的變化，實(shí)際設(shè)計(jì)首先考慮發(fā)射功率這一參數(shù)，盡可能提高發(fā)射功率；對(duì)稱(chēng)接收陣元個(gè)數(shù)越多探測(cè)的事故井二次場(chǎng)信息越豐富，實(shí)際設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)接收應(yīng)適當(dāng)增加陣元個(gè)數(shù)；接收陣元的高度越大，信號(hào)響應(yīng)越強(qiáng)，相同條件下以適當(dāng)增大接收陣元高度。因此，合理設(shè)計(jì)以上參數(shù)有助于提高救援井探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)性能。