地-井瞬变电磁响应特征数值模拟分析

井中瞬变电磁法(Bore-hole transient electromagnetic method-BHTEM)是指接收线圈在钻井中观测瞬变场响应用以勘查深部矿产资源的勘探方法,其中以地-井(地面激发井中接收)组合方式研究最多、应用最广.本文应用时域有限差分法(FDTD),建立包含薄板导体的均匀半空间二维数学模型,采用线源为激发源,选用Mur吸收边界条件,对矩形回线源在半空间中产生的瞬变电磁场进行数值模拟,计算了低阻板状导体在均质半空间和有低阻覆盖层影响情况下的地-井瞬变电磁异常响应,并对响应的特征及规律进行研究分析,为研究地-井TEM提供参考.     

电性源地-井瞬变电磁法三分量响应特征分析

地-井瞬变电磁法是在地面发射,井(钻孔)中接收的装置形式,能够利用已有钻孔使接收探头深入地下更加接近矿体,获得更加可靠的目标体信息.文中针对复杂地形地区矿区深部找矿面临的实际问题,提出了电性源地-井瞬变电磁法的思路,并以FDTD正演模拟来研究均匀半空间瞬变场的空间分布以及一维、三维模型钻孔中的三分量瞬变响应特征,以期获得理论模型三分量响应特征规律,为实际勘查提供参考.理论模型计算结果表明,电性源地-井TEM方法三分量瞬变响应曲线对于电性界面、异常体具有良好的反应.     

多辐射源地空瞬变电磁响应三维数值模拟研究

地空瞬变电磁法结合地面和航空电磁法的优点,可实现探测深度和工作效率的平衡.当前地空瞬变电磁法采用单一线源激发电磁辐射场,仅能从一个侧面与地质体耦合,难以获得地质体的全息影像.采用多辐射源是解决这一问题的途径.本文采用三维矢量有限元法对两个不同地质体多个辐射源情况下的地空瞬变电磁响应开展了模拟研究,分析了多辐射源在不同辐射方向、不同飞行高度电磁响应的分布特征.研究表明,由多辐射场源作为地空电磁法的发射源,通过分散布设的线源,可以在地下激发与地质体多方位耦合的电磁场,能够获得地下地质体多方位不同高度情况下的耦合信息.同时,多辐射场源能够增强源电磁场的辐射强度,减少单一线源体积效应影响,飞行高度较低时可获得较强的响应幅值,研究结果为多辐射地空瞬变电磁法深部精细探测提供理论依据.

     

电性源地-井瞬变电磁法全分量响应特性与探测能力分析

结合地面电性源瞬变电磁法（TEM）探测深度大和地-井TEM探测精度高的优点,本文提出对电性源地-井TEM进行研究.基于一维正演理论,本文对电性源在地下激发的六个电磁场分量的扩散、分布特性和探测能力进行分析研究.研究结果表明地下瞬变场各分量的分布特征与地面情况类似,但是对地层的探测能力与地面情况存在较大差别.各分量的探测能力与它们的扩散特性有关,其中受积累电荷作用,垂直电场Ez和水平磁场Ḣx分量对目标层的反映最为明显,Ex和Ḣy分量在地下扩散时受"返回电流"的影响会出现变号现象,使得异常体带来的影响被掩盖,不易被分辨.本文研究结果为发展电性源地-井TEM的施工技术、数据处理与解释,建立了相应的理论基础,获得了对该方法的初步认识.     

垂直接触带影响下地-井瞬变电磁响应研究

地-井瞬变电磁法是利用在地表发射井中接收瞬变场响应来实现勘查矿产资源的一种方法,在钻孔周围一定范围内具有较好的分辨率,能最大限度的发现深部隐藏矿体等优点.因此,被广泛的应用于深部地质结构调查和寻找隐伏矿体中.文中采用时域有限差分法(FDTD),使用大回线源模拟了三维均匀空间中垂直接触带和含有低阻体时垂直接触带响应特征并且深入研究了接触面埋深位置不同和接触面两侧电阻率不同对地-井TEM响应产生的影响.采用非均匀网格剖分技术,在截断边界处使用修正后的廖式吸收边界条件.绘制了磁场对时间导数的等值线图和在井中接收的衰减曲线图.分析表明:受垂直接触带的影响,磁场等值线发生畸变,扩散速度降低衰减变慢,在接触带处形成磁场突变带,响应曲线上呈现为极大值.相比于低阻体,接触面两侧的电阻率比值在数量级上很大时,异常响应的极大值随电阻率比值增大而更加突出,识别界面能力强.总结了地-井TEM响应随接触面埋藏深度增加而减弱,随电阻率增大而呈现先增大后减弱的趋势.本文研究的工作,为今后寻找深部地质结构、判断断层位置以及铀矿成矿环境等地质问题提供了理论依据.     

地—井瞬变电磁三维非结构有限元正演模拟研究（英文）

为分析复杂地电模型条件下地—井瞬变电磁响应特征,本文基于非结构网格矢量有限元法实现了时间域地—井瞬变电磁三维正演模拟。为求解双旋度电场扩散方程,我们使用非结构四面体网格对计算空间进行离散,同时选择无条件稳定的后退欧拉方法进行时间离散。数值实验中我们首先以长导线源为例分析电性源电磁场分量的扩散特征和探测能力;然后重点研究Ex、d By/dt零值带的产生机理及分布规律。目标在于指导实际地—井电磁探测中选择合理的测量区域。最后,我们通过模拟复杂模型的异常特征,分析地—井瞬变电磁法探测典型脉状矿体的可行性,为深部矿产资源探测提供参考。     

煤矿老空水全空间瞬变电磁响应三维数值模拟及应用（英文）

煤矿老空水是煤矿安全的最大隐患。本文对煤矿老空水的全空间瞬变电磁响应特征进行了数值模拟研究。传统的数值模拟方法不能直接模拟井下全空间瞬变电磁场。我们采用了以多组发射线圈代替传统的单发射回线的方式,使在有限差分法直角网格中加载任意方向发射回线,同时根据全空间特点对磁场的z分量算法进行了改进;根据煤矿实际地质资料建立全空间三维地电模型,采用时域有限差分法模拟了含煤地层中不同位置和不同形态老空水模型的全空间瞬变电磁响应,并分析其视电阻率特征。数值模拟结果表明:煤层与其顶底板电性差异对视电阻率分布产生较大影响,致使视电阻率分布呈以巷道迎头为圆心的近似圆形分布;不同位置和不同形态的老空水模型,其视电阻率等值线低阻异常区与其基本吻合,当老空水位于巷道迎头位置一侧时,由于全空间效应的影响,在另一侧产生一范围相对较小的低阻假异常区,但其等值线数值相对较高。将井下瞬变电磁法应用于实际老空水的探测中,探测资料圈定的老空水位置为后期钻探结果所证实,证明了所提出的方法是合理与有效的。     

油气藏开发监测中地-井三维电磁法的数值模拟研究（英文）

在油气田开采的中后期,油气藏动态监测与剩余油气的探测是至关重要的问题。基于地层流体含油气饱和度的变化将导致电阻率差异这一机理,提出多场源多方位地-井垂直电磁剖面法。根据油气藏及其开采过程设计了油气藏动态开发四个进程,采用积分方程方法模拟了多方位、多场源地-井垂直电磁剖面法在油气藏注水开采进程中油气储层电阻率和含油饱和度动态变化的电磁响应特征。通过不同方位地-井电磁场异常强度及形态变化来指示注水开采进程。数值模拟结果表明:该方法可有效监测油气动态变化过程,指示续剩余油分布、注水水淹进程。     

瞬变电磁法圆锥型场源特征与电感效应（英文）

应用于煤矿巷道、工程隧道等地下有限空间以及城市和工程浅层探测的瞬变电磁法常采用多匝小线圈装置,但是多匝线圈装置的互感耦合大,关断时间长,使探测的浅部"盲区"增大。为此,提出了一种圆锥型场源装置,推导了该装置内各匝线圈半径的计算公式。采用理论解析式对均匀介质中圆锥型场源一次场、二次场特征进行了计算分析,对圆锥型场源与多匝线圈互感系数进行了比较;应用快速汉克尔变换和改进的余弦变换数值滤波法,基于叠加原理的思想讨论了圆锥型场源下瞬变电磁正演方法,并以H型和KH型地电模型为例对正演结果进行了"烟圈"反演分析。研究表明:对于等效磁矩为926.1A·m~2的多匝回线和圆锥型场源,前者的互感约为后者的9倍;增大圆锥型场源的高度可减小互感系数,但其底半径的进一步变化对互感影响有限。圆锥型场源一、二次场特征与多匝线圈相似,但其二次场和总场暂态响应强于多匝线圈。所提出的综合视电阻率方法适用于圆锥型场源计算,正演结果和"烟圈"反演结果与初始模型的吻合性良好。本文研究成果为减小瞬变电磁探测"盲区"提供一种选择,也为装置组合形式和非线性反演技术等后续研究提供理论参考。     

多辐射场源地空瞬变电磁法多分量全域视电阻率定义

本文针对多辐射场源地空瞬变电磁法理论, 建立了相应的多分量全域视电阻率定义方法.分析了利用磁场强度进行多辐射场源地空系统全域视电阻率定义的优点, 针对磁场强度的各个分量, 提出了各自的全域视电阻率算法, 实现了多分量、全时域、全空域视电阻率计算, 并分析了偏移距对全域视电阻率的影响.通过调整源的相对位置及电流方向等参数, 多辐射源瞬变电磁地空系统不仅可以加强不同分量信号强度, 削弱随机干扰, 还可更好地分辨地下异常体的位置.通过对所设计模型的处理, 证实了多辐射场源地空系统多分量全域视电阻率算法的有效性, 也验证了多辐射场源地空系统的优势.     

地面瞬变电磁法（TEM）研究进展

较详细地介绍了近年来国内外地面瞬变电磁法（TEM）的基本原理、特点、影响因素、测量仪器、数据处理、数据解译（数据的正演和反演）方面的研究状况和所取得的进展,简要介绍了其应用前景,由于具有探测深度大、空间分辨率高等优势,TEM在地质灾害、建筑工程、水文地质工程特别是在深部找矿等方面得以广泛应用。     

电性源地-井瞬变电磁全域视电阻率定义

地-井瞬变电磁(TEM)方法是在地表发射,探头沿钻孔(井)测量瞬变响应的一种井中物探方法.由于接收探头沿钻孔深人地下,因此能够获得更加可靠的地下目标体信息,尤其当存在低阻覆盖层、浅部矿化等地质干扰,或者勘查深部规模不大之良导矿体时,地-井TEM方法的优势更加明显.相对于磁性源系统,电性源系统发射功率大,辐射面积广,更适合地形复杂地区之深部找矿.本文的目的是研究电性源地-井TEM的近似解释方法,首先给出了层状介质电偶极子在地下的TEM响应,进而通过电偶极子叠加的方式获得了电性源条件下的TEM响应.利用感应磁场与均匀半空间电阻率的单调关系通过反函数定理进行了全域视电阻率定义.理论模型的视电阻率计算结果显示,不同深度测点的视电阻率曲线首支不同,而尾支基本一致.这说明了全域视电阻率是测点周围有限范围内介质的综合反映,所以不同深度测点的视电阻率曲线首支所反映的范围是不同的.绘制了不同时间道视电阻率剖面曲线,以期显示地下电性分布规律.计算结果表明全域视电阻率定义能够基本可靠地反映地下信息,从而为该技术在矿区深部找矿的应用提供有力支持.     

坑(井)-地多参数电磁接收系统

坑（井）-地多参数电磁接收系统在地面、坑道、井中三维空间观测天然场源及人工源电磁信号,观测装置接近或穿过矿体,借助动源、大功率发射可获得更加明显的异常值,旨在加大探测深度的基础上提高深部分辨率,同时获取电阻率、极化率、复阻抗等参数.为坑（井）-地电磁成像方法现场数据采集提供硬件设备支持,针对坑道、井中电磁观测的特殊需求,开发了由不极化电极、非接触电极、小型感应式线圈、微型三分量音频磁传感器、地面-坑道电磁接收机、井中电磁接收机等组成的坑（井）-地多参数电磁接收系统,解决了传统不极化电极坑道硬岩表面接地困难和传统感应式磁传感器难以适应坑道狭窄空间的问题;通过多层次的室内、弱干扰条件下野外测试验证了接收系统的各项技术指标,接收机通道全频段噪声水平接近10 nV/rt（Hz）,微型三分量音频磁传感器体积压缩至32 cm×32 cm×32 cm;强干扰条件下的矿山试验验证了接收系统的可靠性、适用性及先进性.

     

瞬变电磁井间勘探方法研究

依据瞬变电磁全空间响应的传播特征,本文提出了一种井间勘探方法.在井内用线圈激发,在本井和邻近井接收瞬态响应波形.基于Maxwell方程分析了位移电流和传导电流所引起的两种传播特征,明确了在邻井接收到的波形中包含界面的电导率信息.详细研究了线圈在无限大均匀介质中激发的瞬变电磁响应波形以及电场在不同时刻的空间分布.瞬变电磁...     

地空瞬变电磁法研究进展

随着瞬变电磁法的研究逐渐转向高海拔山区等地形地质条件复杂地区进行深部勘探,地空瞬变电磁法得到了更多的关注.地空瞬变电磁法结合了地面瞬变电磁法和航空瞬变电磁法各自的特点,相比地面瞬变电磁法,能有效提高野外工作效率;相比航空瞬变电磁法,勘探深度更大、采集信号信噪比更高.近几年来,地空瞬变电磁法得到了较快的发展.本文回顾了地空瞬变电磁法的历史发展与现状,总结了地空瞬变电磁法研究的最新进展,并对地空瞬变电磁法的各种装置类型进行了相关评述和总结,指出目前地空瞬变电磁法的问题主要在于解释水平跟不上,大都仍采用基于地面瞬变电磁的数据解释方法.为了进一步丰富地空瞬变电磁勘查体系,从仪器装备、数据预处理和处理技术、正反演及数据解释等方面对地空瞬变电磁法的发展方向进行了总结.     

矿井全空间孔中瞬变电磁响应积分方程法数值模拟研究

基于地面-钻孔瞬变电磁法,将发射源布设于煤矿巷道中,而将接收探头放置在钻孔内,从上至下依次观测,形成矿井巷道-钻孔瞬变电磁法.为了研究巷道全空间条件下巷道-钻孔瞬变电磁场的响应特征,选取煤层底板受水害威胁的代表性地层为研究对象,建立煤层底板存在含水低阻地质异常体的三维数学模型,采用积分方程法进行数值模拟,结果表明：相对高阻的煤层侧帮对孔内垂向感应电动势的影响较小,而对孔内水平感应电动势除浅部约30 m内影响相对较大外,对深部影响较小.当煤层底板含水平低阻板状异常体时,在对异常体的纵向分辨率和异常响应的延续时间方面,孔内感应电动势的水平分量相对优于垂向分量,但垂向感应电动势的幅值强于水平感应电动势.因此,实际观测时,不仅要观测孔内感应电动势的垂向分量,也要观测水平分量.

     

航空瞬变电磁法三维各向异性数值模拟和响应特征研究

随着瞬变电磁法的快速发展,三维任意各向异性介质的数值模拟成为研究热点.本文从时间域的麦克斯韦方程组出发,采用时域交错采样有限差分法,推导了时域电磁场的时间分步迭代公式,实现了任意各向异性介质的航空瞬变电磁三维正演.设计地电模型,与已有的软件计算结果进行对比,检验了三维正演算法的计算精度.设计了典型的三维各向异性地电模型,改变各向异性参数计算了航空瞬变电磁响应,分析了各向异性参数对航空瞬变电磁响应的影响.开发的正演算法为研究瞬变电磁法各向异性响应特征和三维反演提供了重要技术支撑.     

金属套管井中电磁测井响应的数值计算

分析了金属套管井中有限尺寸线圈的电磁响应特征,讨论了井眼泥浆参数、套管参数和不同线圈尺寸对电磁测井响应的影响,考察了金属套管中电磁测井对地层电阻率变化的灵敏度.径向非均匀介质的模拟计算表明,在套管井中井眼泥浆对电磁测井的影响较大,必须进行校正.在低频条件下,井间测量响应中金属套管与地层的电磁响应是非耦合的,两者可以分离.在套管参数一定时,套管响应与地层的响应的比值近似一个常数.电磁响应对地层电阻变化的灵敏度分析显示,井间电磁测量在储层研究尺度对地层电阻率变化响应灵敏,套管引起的衰减稳定.在其它参数相同的前提下,线圈直径的增大有助于有效电磁响应信号的增强,给大井间距测量提供了可能.不同磁导率金属套管的电磁响应分析表明,电磁测井中,采用非磁性或弱磁性套管要优于一般的铁磁性套管.     

层状全空间瞬变电磁响应理论研究

研究全空间效应的影响因素及变化规律,可以有效地丰富地下瞬变电磁法的正、反演理论体系.为此,首先建立层状全空间模型,推导了全空间的瞬变电磁响应公式,采用快速汉克尔变换和余弦变换求出了回线中心处的感应电动势,对比分析了叠加方法得到的全空间响应,并引入全区视电阻率来分析瞬变电磁场扩散规律和全空间效应影响因素,最后通过实测模型来验证模型的计算效果.结果表明,层状全空间模型计算出的响应值相对误差低于3％,精度较高;叠加方法计算的瞬变电磁响应不是真正的全空间,且全空间响应均大于半空间响应的值;在低阻层存在时,全空间响应早期受电阻率和厚度的影响较强烈,由此发现在全空间条件下减少巷道内低电阻率干扰体是减小盲区的重要手段;在超高阻层存在时,半空间响应仅仅是全空间条件下观测点以上的地层电阻率为无穷大的特殊情况;低阻目标层的视电阻率受目标层埋深与层厚差异的影响,若埋深与厚度相差小则分层效果越好;实测数据的建模结果显示计算方法有一定的正确性.本研究填补了矿井瞬变电磁一维全空间响应研究内容,为实际应用提供了验算基础.     

天然气水合物模型的瞬变电磁响应

在采用瞬变电偶极一偶极装置(ERER)装王的海洋瞬变电磁法对天然气水舍物进行正演模拟计算中,采用了先汉克尔变换(Hankel)后逆拉普拉斯变换法(G-S)的计算方法.由阿尔奇公式计算出水合物层按正弦规律变化的典型海洋地电模型.根据已知的地电模型计算天然气水含物的瞬变阶跃响应的一阶导数.从结果来看,水合物瞬变响应梯度的最小值最能反映出与水合物含量的关系,从中找出对天然气水合物做出了综合的资源评价夏解释工作的有用信息.