基于Ansoft Maxwell軟件的局部導(dǎo)電體渦流場(chǎng)分析

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 唐石畫 何 博 孫佳昊 龔 偉 常凱華

0 引言

研究?jī)?chǔ)層中局部導(dǎo)電體的電磁場(chǎng)響應(yīng)，對(duì)于儲(chǔ)層定性評(píng)價(jià)，以及判斷儲(chǔ)層中異常體的參數(shù)信息具有重要意義[1-2]。儲(chǔ)層中異常體（局部導(dǎo)電體）的位置、形狀、體積、走向及導(dǎo)電性等參數(shù)的不同，均會(huì)引起儲(chǔ)層中感應(yīng)渦流方向及強(qiáng)度的變化，最終導(dǎo)致電磁響應(yīng)曲線形態(tài)及幅度的改變[3]。傳統(tǒng)的解析計(jì)算方法在處理復(fù)雜形態(tài)異常體響應(yīng)時(shí)，具有一定的局限性。為此，文本采用有限元數(shù)值計(jì)算方法[4]，討論了儲(chǔ)層中局部導(dǎo)電體的電磁響應(yīng)特征，為后續(xù)進(jìn)一步提取復(fù)雜異常體信息提供了思路。Ansoft Maxwell是一款功能強(qiáng)大、結(jié)果精確、易于使用的三維電磁場(chǎng)有限元分析軟件[5]。論文利用該軟件建立了海水介質(zhì)中存在金屬導(dǎo)電礦體的三維模型，并在渦流場(chǎng)求解器下進(jìn)行了求解分析，通過計(jì)算，給出了不同深度的感應(yīng)電流密度曲線。詳細(xì)討論了金屬礦體電導(dǎo)率、礦體層厚度和海水層厚度等參數(shù)對(duì)電磁場(chǎng)響應(yīng)的影響。研究結(jié)論為儲(chǔ)層定性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)。

1 ANSOFT MAXWELL軟件計(jì)算模型

采用ANSOFT MAXWEL軟件進(jìn)行電磁場(chǎng)分析包括三個(gè)步驟：前處理、求解和后處理。前處理主要是進(jìn)行建模、剖分、定義材料、加載激勵(lì)源等；求解即設(shè)置求解步驟，并檢查運(yùn)行；后處理則主要將計(jì)算結(jié)果以不同的形式輸出[6]。本文建立的局部導(dǎo)電體模型如圖1所示。計(jì)算時(shí)，為分析不同參數(shù)對(duì)接收線圈電磁響應(yīng)的影響，依次對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改，如在分析中間層導(dǎo)電礦體對(duì)渦流場(chǎng)響應(yīng)的影響時(shí)，僅改變中間層導(dǎo)體的材料屬性，而其他參數(shù)保持不變。在分析中間層金屬礦體厚度與電磁響應(yīng)的關(guān)系時(shí)，僅改變中間層厚度。

圖1 海水-銅-海水三層介質(zhì)模型

1.1 前處理

基于Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行海水-金屬-海水三層模型的渦流場(chǎng)分析的前處理有以下幾個(gè)部分：（1）建立底層海水層、中間金屬層、上方海水層、選取激勵(lì)源線圈的放置位置，確定三層模型的適合尺寸。（2）定義每層模型的材料屬性，依次設(shè)定海水及金屬材料，同時(shí)定義材料的電性能及磁性能。（3）給發(fā)射線圈加載激勵(lì)，首先從線圈中剖出一個(gè)激勵(lì)加載面，設(shè)置交流電流作為激勵(lì)信號(hào)。（4）進(jìn)行網(wǎng)格剖分，設(shè)置剖分形式和網(wǎng)格密度等。

1.2 求解及后處理

添加求解設(shè)置，設(shè)置求解參數(shù)及求解區(qū)域，檢查模型無錯(cuò)誤提示后運(yùn)行計(jì)算程序。為分析不同參數(shù)情況下，三層模型中渦流場(chǎng)的變化情況，添加場(chǎng)線作為分析選項(xiàng)，采用通用后處理器進(jìn)行后處理，繪制場(chǎng)線上感應(yīng)電流密度的分布曲線，并導(dǎo)出數(shù)據(jù)表格。

2 仿真與分析

利用有限元分析軟件ANSOFT MAXWELL，對(duì)海水-金屬-海水的三層介質(zhì)渦流場(chǎng)電磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，得出不同情形下的電流密度分布圖。計(jì)算時(shí)，取激勵(lì)線圈距海水層上表面50m，線圈內(nèi)徑20m，外徑40m。發(fā)射電流幅度為200A，頻率5Hz。

2.1 金屬層電導(dǎo)率對(duì)電磁響應(yīng)的影響

完成了中間層導(dǎo)電體為不同金屬礦體時(shí)的渦流場(chǎng)分析。其中，當(dāng)中間層礦體分別取銅、金和青銅（具體參數(shù)如表1所示）時(shí)，接收?qǐng)鼍€上的感應(yīng)電流密度曲線分別如圖2、圖3和圖4所示。

表1 不同介質(zhì)層電導(dǎo)率屬性表

圖2 銅導(dǎo)體的電磁響應(yīng)曲線

圖3 金導(dǎo)體的電磁響應(yīng)曲線

圖4 青銅導(dǎo)體的電磁響應(yīng)曲線

從結(jié)果曲線可以看出，相比于金屬礦體，在電率導(dǎo)較低的海水層中，感應(yīng)電流密度呈現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。但在200米即第一個(gè)海水-金屬層分界面處，感應(yīng)電流密度開始增大，在整個(gè)金屬礦層中先達(dá)到最大值然后逐漸衰減。感應(yīng)電流密度在到第二個(gè)金屬-海水分界面（400m）處，迅速衰減至零。由計(jì)算可知，銅導(dǎo)體的感應(yīng)電流密度最大值為39.58（uA/m2），金導(dǎo)體的感應(yīng)電流密度最大值為32.33（uA/m2），而青銅導(dǎo)體的感應(yīng)電流密度最大值則為27.44（uA/m2）。不同金屬導(dǎo)體對(duì)應(yīng)的感應(yīng)電流密度最大值及其位置如表2所示。

表2 金屬礦體層最大感應(yīng)電流密度幅度及位置

由此可知，隨著中間層金礦體電導(dǎo)率的增大，電磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值也隨之增大。證實(shí)了電磁波在良導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的渦流效應(yīng)。

2.2 金屬層厚度對(duì)電磁響應(yīng)的影響

取海水介質(zhì)層寬800米，長(zhǎng)1200米，上、下層厚度均為100米，中間金屬導(dǎo)體為銅，其中銅導(dǎo)體的厚度分別取300米、400米、500米、600米四組等間隔變化的數(shù)據(jù)。計(jì)算得到不同參數(shù)條件下，感應(yīng)電流密度峰值及其對(duì)應(yīng)的位置見表3。以上四組計(jì)算參數(shù)得到的電磁響應(yīng)曲線如圖5～圖8所示。

表3 銅導(dǎo)體層厚度計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

圖5 銅導(dǎo)體厚度取300米

圖6 銅導(dǎo)體厚度取400米

圖7 銅導(dǎo)體厚度取500米

圖8 銅導(dǎo)體厚度取600米

由以上計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以下規(guī)律：（1）感應(yīng)電流密度在海水-銅導(dǎo)體分界面處有突然上升的趨勢(shì)，根據(jù)電導(dǎo)率的分析可知，這是由于海水電導(dǎo)率明顯低于銅導(dǎo)體電導(dǎo)率所致，進(jìn)一步證實(shí)了低頻電磁波會(huì)在良導(dǎo)體內(nèi)部激發(fā)出較強(qiáng)的渦流場(chǎng)。（2）隨著銅導(dǎo)體層厚度的逐漸增加，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電流密度最大值的出現(xiàn)位置，由海水-金屬導(dǎo)體交界面逐漸向銅導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)；與此同時(shí)，隨著銅導(dǎo)體介質(zhì)層厚度的增加，感應(yīng)電流密度的最大值也隨之減小。從而為識(shí)別地層中不同導(dǎo)電性介質(zhì)的交界面提供了理論依據(jù)。（3）隨著銅導(dǎo)體層厚度的進(jìn)一步增大，感應(yīng)電流密度的最大值逐漸降低，說明由于受到導(dǎo)電介質(zhì)中趨膚效應(yīng)的影響，電磁波難以穿過良導(dǎo)體層而進(jìn)入下層海水。

2.3 不同介質(zhì)層厚度對(duì)電磁響應(yīng)的影響

在前兩組參數(shù)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究了各介質(zhì)層一致變化時(shí)電磁響應(yīng)分布狀況。在選取計(jì)算參數(shù)時(shí)，主要基于以下考慮：首先，為識(shí)別不同導(dǎo)電介質(zhì)的電磁響應(yīng)特征，應(yīng)克服趨膚效應(yīng)的影響，使電磁波信號(hào)穿過上層海水介質(zhì)，而進(jìn)入第二層的銅導(dǎo)體介質(zhì)中，而低頻電磁波信號(hào)具有更長(zhǎng)的傳播距離；其次，激勵(lì)信號(hào)在銅導(dǎo)體介質(zhì)中應(yīng)具有足夠高的響應(yīng)幅度和一定的變化范圍，從而為導(dǎo)電體的參數(shù)識(shí)別提供理論依據(jù)。通過不同模型的試算，確定選取發(fā)射信號(hào)頻率為100Hz，電流幅度為20A。三層介質(zhì)總厚度分別300米、240米和180米，而各介質(zhì)層厚度相等。模型計(jì)算參數(shù)及其電磁響應(yīng)結(jié)果如表4所示。

表4 各介質(zhì)層厚度一致變化的計(jì)算參數(shù)及電磁響應(yīng)

由計(jì)算結(jié)果可看出，當(dāng)模型總厚度為300米，三個(gè)介質(zhì)層厚度均為100米時(shí)，感應(yīng)電流密度在上層海水介質(zhì)與銅導(dǎo)體介質(zhì)的交界面處的幅度為0.468（uA/m2），幾乎衰減為0。而當(dāng)三個(gè)介質(zhì)層厚度均為60米時(shí)，感應(yīng)電流密度在上層海水介質(zhì)與銅導(dǎo)體介質(zhì)的交界面處的幅度則為335（uA/m2）。說明基于本組計(jì)算參數(shù)，當(dāng)海水層介質(zhì)厚度小于100米時(shí)，電磁波能夠穿過上層海水進(jìn)入銅導(dǎo)體介質(zhì)層。因此，分別選取上、下層海水厚度為80米、60米、40米和20米，同時(shí)相應(yīng)的增加銅導(dǎo)體層厚度，以保持整體模型材料總厚度不變。具體計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表5所示。

表5 總厚度保持不變的計(jì)算參數(shù)及電磁響應(yīng)

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著上層海水介質(zhì)厚度的減小，感應(yīng)電流密度在第一個(gè)海水-銅導(dǎo)體介質(zhì)層的交界面處，有明顯增大的趨勢(shì)，說明上層海水厚度越薄，電磁波信號(hào)越容易穿過海水層進(jìn)入良導(dǎo)體即銅導(dǎo)體介質(zhì)層。另外，與表4的結(jié)果相比可知，當(dāng)三個(gè)介質(zhì)層的厚度分別為：60m、60m和60m時(shí)，感應(yīng)電流密度在第一個(gè)媒質(zhì)交界面的幅度為335（uA/m2）；而當(dāng)三個(gè)介質(zhì)層的厚度分別為：60m、180m和60m時(shí)，感應(yīng)電流密度在第一個(gè)媒質(zhì)交界面的幅度卻為3.532（uA/m2），說明銅導(dǎo)體層的厚度，也對(duì)媒質(zhì)交界面處的電磁響應(yīng)幅度由較強(qiáng)的影響。銅導(dǎo)體介質(zhì)層越厚，媒質(zhì)交界面處的電磁響應(yīng)幅度越低。以上結(jié)論為判斷各介質(zhì)層的參數(shù)打下了良好基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

為研究地層中局部導(dǎo)電體的電磁響應(yīng)特征，建立了海水、金屬礦體、海水的三層地質(zhì)模型。分析了中間層金屬礦體電導(dǎo)率參數(shù)對(duì)電磁響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，隨著中間層金礦體電導(dǎo)率的增大，電磁感應(yīng)強(qiáng)度的峰值也隨之增大。計(jì)算了不同金屬層厚度參數(shù)條件下的電磁響應(yīng)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，隨著銅導(dǎo)體層厚度增加，感應(yīng)電流密度最大值逐漸減小；與此同時(shí)，電流密度最大值出現(xiàn)的位置由海水-金屬導(dǎo)體交界面逐漸向銅導(dǎo)體內(nèi)部移動(dòng)。在保持模型總厚度不變的情況下，隨著上、下海水介質(zhì)層厚度的減少、金屬礦體層厚度的增加，感應(yīng)電流密度在第一個(gè)海水-銅導(dǎo)體介質(zhì)層的交界面處，有明顯增大的趨勢(shì)。另外，當(dāng)上、下海水層厚度一定時(shí)，該電磁響應(yīng)則隨著銅導(dǎo)體層厚度增加而減小。以上結(jié)論可為識(shí)別儲(chǔ)層中局部導(dǎo)電體的埋深位置、導(dǎo)電性以及體積大小等參數(shù)提供理論依據(jù)，為定性判斷儲(chǔ)層特征打下了良好基礎(chǔ)。

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