基于Ansoft Maxwell瞬变电磁救援井系统探测性能分析

许林康，刘 彤，胡 军，徐 飞

(1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

瞬变电磁探测能力和精度关键在于电磁探头，探头的发射前端直接关系到测量信号的范围和异常体的二次场的强度，而接收端属于被动式接收周围介质中的磁场信息，不仅要抑制自身一次场耦合信号和空间其他信号的干扰，而且对不同距离的事故井管套的二次场信号响应[1-2]。

传统瞬变电磁探头采用单个发射线圈发射一次脉冲信号，单个接收线圈响应空间中二次场涡流，利用涡流的扩散特性感知空间中异常体信息，此种探测机制探头通过合理设计在小范围内灵敏度很高，常应用于狭小空间内的异常体探测、水文地质勘探等领域[3]。但是在大空间探测中，接收线圈对空间分散的异常体响应小，接收信号弱；对于多个异常体目标，一发一收不能将多个目标信号剥离处理且易受其他噪声干扰[4]；一次场信号在空间扩散，二次场信号以多方向扩散，单个接收线圈耦合多个方向的信号响应，无法获得多方位的磁场信息；单通道处理接收信号，系统噪声大、分辨率低[5]。为了解决这一问题，提出一种对称式阵列探测方法，通过多个对称阵列线圈感知事故信息提高探测性能。

1 基于ANSOFT Maxwell的瞬变电磁探测模型分析

为了分析磁性探头的各项参数对救援井探测性能影响，通过Maxwell仿真软件分析空间瞬态场中事故井套管和磁性探头的磁场分布规律，改变发射电压参数、接收阵元来对比分析事故井套管上的二次场的磁场分布及变化规律。

在Maxwell中建立瞬变电磁救援井探测模型，首先分析磁芯磁导率变化对早晚期事故井套管上的一次场及二次场的影响，空间中设定磁性探头坐标 （100，200，80），线圈内径 5mm，外径10mm，高度为80mm，材料为铜；磁芯坐标（100，200，80），外径4.5mm，高度80mm；事故井套管坐标（350，550，0），外径70mm，内径60mm，高度350mm，材料为钢；发射周期为2s（高低电平占空比为 1∶1）。

根据以上设立的模型，其他条件不变，改变发射电压，对比不同时刻事故井二次场磁场的变化。不同发射电压事故井磁场仿真如图1所示。

图1中 (a)、 (b)是1.2s时刻事故井二次场磁场强度图。图1(a)中最大的磁场强度为1.4867×10-5T，图1(b)图中最大的磁场强度为1.494×10-4T。10V的发射电压是1V的 10倍，10V发射电压下的事故井套管上磁场强度也是1V的将近10倍，因此发射电压越大，事故井管套上的磁场强度越大。

图1 不同发射电压事故井仿真图

在上述模型中改变接收阵元，分析不同阵元接受对探测性能的影响，使用相同电压发射，设定相同阵元间距不同阵元高度，改变阵元个数来对比分析事故井和接收阵元二次场信息。不同阵元接收二次场仿真如图2所示。

图2 同阵元接收二次场仿真图

如图2（a）所示，12个对称接收阵元，阵元间距在1.2S处的二次场响应对称，磁场响应的最高值在首尾接收阵元，最大值为9.9337×10-4T；图2（b） 中6个对称阵元接收在1.2s二次场响应最高值也是首尾阵元，最大值为1.1034×10-3T；相同条件下，12个对称阵元响应的事故井二次场信号丰富，但信号强度不如6个接收阵元强度高，因此阵元个数越多测量的事故井信息越丰富，阵元高度越高，二次场响应的强度越高。

2 总结分析

通过Ansoft Maxwell仿真软件对救援井探测系统的对称探头参数分析发现改变发射电压可以引起事故井套管上磁场较大的变化，实际设计首先考虑发射功率这一参数，尽可能提高发射功率；对称接收阵元个数越多探测的事故井二次场信息越丰富，实际设计对称接收应适当增加阵元个数；接收阵元的高度越大，信号响应越强，相同条件下以适当增大接收阵元高度。因此，合理设计以上参数有助于提高救援井探测系统的探测性能。