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(zhì)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(yīng)[1-2]。

傳統(tǒng)瞬變電磁探頭采用單個發(fā)射線圈發(fā)射一次脈沖信號，單個接收線圈響應(yīng)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(shè)計在小范圍內(nèi)靈敏度很高，常應(yīng)用于狹小空間內(nèi)的異常體探測、水文地質(zhì)勘探等領(lǐng)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(yīng)小，接收信號弱；對于多個異常體目標(biāo)，一發(fā)一收不能將多個目標(biāo)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(yīng)，無法獲得多方位的磁場信息；單通道處理接收信號，系統(tǒng)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(shù)對救援井探測性能影響，通過Maxwell仿真軟件分析空間瞬態(tài)場中事故井套管和磁性探頭的磁場分布規(guī)律，改變發(fā)射電壓參數(shù)、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(guī)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(dǎo)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(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，對比不同時刻事故井二次場磁場的變化。不同發(fā)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(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強度也是1V的將近10倍，因此發(fā)射電壓越大，事故井管套上的磁場強度越大。

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探測性能的影響，使用相同電壓發(fā)射，設(shè)定相同陣元間距不同陣元高度，改變陣元個數(shù)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(yīng)對稱，磁場響應(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個對稱陣元接收在1.2s二次場響應(yīng)最高值也是首尾陣元，最大值為1.1034×10-3T；相同條件下，12個對稱陣元響應(yīng)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(shù)越多測量的事故井信息越豐富，陣元高度越高，二次場響應(yīng)的強度越高。

2 總結(jié)分析

通過Ansoft Maxwell仿真軟件對救援井探測系統(tǒng)的對稱探頭參數(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較大的變化，實際設(shè)計首先考慮發(fā)射功率這一參數(shù)，盡可能提高發(fā)射功率；對稱接收陣元個數(shù)越多探測的事故井二次場信息越豐富，實際設(shè)計對稱接收應(yīng)適當(dāng)增加陣元個數(shù)；接收陣元的高度越大，信號響應(yīng)越強，相同條件下以適當(dāng)增大接收陣元高度。因此，合理設(shè)計以上參數(shù)有助于提高救援井探測系統(tǒng)的探測性能。