基于Ansoft Maxwell软件的局部导电体涡流场分析

西安石油大学电子工程学院 唐石画 何 博 孙佳昊 龚 伟 常凯华

0 引言

研究储层中局部导电体的电磁场响应，对于储层定性评价，以及判断储层中异常体的参数信息具有重要意义[1-2]。储层中异常体（局部导电体）的位置、形状、体积、走向及导电性等参数的不同，均会引起储层中感应涡流方向及强度的变化，最终导致电磁响应曲线形态及幅度的改变[3]。传统的解析计算方法在处理复杂形态异常体响应时，具有一定的局限性。为此，文本采用有限元数值计算方法[4]，讨论了储层中局部导电体的电磁响应特征，为后续进一步提取复杂异常体信息提供了思路。Ansoft Maxwell是一款功能强大、结果精确、易于使用的三维电磁场有限元分析软件[5]。论文利用该软件建立了海水介质中存在金属导电矿体的三维模型，并在涡流场求解器下进行了求解分析，通过计算，给出了不同深度的感应电流密度曲线。详细讨论了金属矿体电导率、矿体层厚度和海水层厚度等参数对电磁场响应的影响。研究结论为储层定性评价提供了依据。

1 ANSOFT MAXWELL软件计算模型

采用ANSOFT MAXWEL软件进行电磁场分析包括三个步骤：前处理、求解和后处理。前处理主要是进行建模、剖分、定义材料、加载激励源等；求解即设置求解步骤，并检查运行；后处理则主要将计算结果以不同的形式输出[6]。本文建立的局部导电体模型如图1所示。计算时，为分析不同参数对接收线圈电磁响应的影响，依次对模型参数进行相应修改，如在分析中间层导电矿体对涡流场响应的影响时，仅改变中间层导体的材料属性，而其他参数保持不变。在分析中间层金属矿体厚度与电磁响应的关系时，仅改变中间层厚度。

图1 海水-铜-海水三层介质模型

1.1 前处理

基于Ansoft Maxwell软件进行海水-金属-海水三层模型的涡流场分析的前处理有以下几个部分：（1）建立底层海水层、中间金属层、上方海水层、选取激励源线圈的放置位置，确定三层模型的适合尺寸。（2）定义每层模型的材料属性，依次设定海水及金属材料，同时定义材料的电性能及磁性能。（3）给发射线圈加载激励，首先从线圈中剖出一个激励加载面，设置交流电流作为激励信号。（4）进行网格剖分，设置剖分形式和网格密度等。

1.2 求解及后处理

添加求解设置，设置求解参数及求解区域，检查模型无错误提示后运行计算程序。为分析不同参数情况下，三层模型中涡流场的变化情况，添加场线作为分析选项，采用通用后处理器进行后处理，绘制场线上感应电流密度的分布曲线，并导出数据表格。

2 仿真与分析

利用有限元分析软件ANSOFT MAXWELL，对海水-金属-海水的三层介质涡流场电磁感应强度进行分析，得出不同情形下的电流密度分布图。计算时，取激励线圈距海水层上表面50m，线圈内径20m，外径40m。发射电流幅度为200A，频率5Hz。

2.1 金属层电导率对电磁响应的影响

完成了中间层导电体为不同金属矿体时的涡流场分析。其中，当中间层矿体分别取铜、金和青铜（具体参数如表1所示）时，接收场线上的感应电流密度曲线分别如图2、图3和图4所示。

表1 不同介质层电导率属性表

图2 铜导体的电磁响应曲线

图3 金导体的电磁响应曲线

图4 青铜导体的电磁响应曲线

从结果曲线可以看出，相比于金属矿体，在电率导较低的海水层中，感应电流密度呈现震荡现象。但在200米即第一个海水-金属层分界面处，感应电流密度开始增大，在整个金属矿层中先达到最大值然后逐渐衰减。感应电流密度在到第二个金属-海水分界面（400m）处，迅速衰减至零。由计算可知，铜导体的感应电流密度最大值为39.58（uA/m2），金导体的感应电流密度最大值为32.33（uA/m2），而青铜导体的感应电流密度最大值则为27.44（uA/m2）。不同金属导体对应的感应电流密度最大值及其位置如表2所示。

表2 金属矿体层最大感应电流密度幅度及位置

由此可知，随着中间层金矿体电导率的增大，电磁感应强度的峰值也随之增大。证实了电磁波在良导体内部会产生较强的涡流效应。

2.2 金属层厚度对电磁响应的影响

取海水介质层宽800米，长1200米，上、下层厚度均为100米，中间金属导体为铜，其中铜导体的厚度分别取300米、400米、500米、600米四组等间隔变化的数据。计算得到不同参数条件下，感应电流密度峰值及其对应的位置见表3。以上四组计算参数得到的电磁响应曲线如图5～图8所示。

表3 铜导体层厚度计算参数及结果

图5 铜导体厚度取300米

图6 铜导体厚度取400米

图7 铜导体厚度取500米

图8 铜导体厚度取600米

由以上计算结果发现，电磁响应数据呈现以下规律：（1）感应电流密度在海水-铜导体分界面处有突然上升的趋势，根据电导率的分析可知，这是由于海水电导率明显低于铜导体电导率所致，进一步证实了低频电磁波会在良导体内部激发出较强的涡流场。（2）随着铜导体层厚度的逐渐增加，发现感应电流密度最大值的出现位置，由海水-金属导体交界面逐渐向铜导体内部移动；与此同时，随着铜导体介质层厚度的增加，感应电流密度的最大值也随之减小。从而为识别地层中不同导电性介质的交界面提供了理论依据。（3）随着铜导体层厚度的进一步增大，感应电流密度的最大值逐渐降低，说明由于受到导电介质中趋肤效应的影响，电磁波难以穿过良导体层而进入下层海水。

2.3 不同介质层厚度对电磁响应的影响

在前两组参数计算结果的基础上，研究了各介质层一致变化时电磁响应分布状况。在选取计算参数时，主要基于以下考虑：首先，为识别不同导电介质的电磁响应特征，应克服趋肤效应的影响，使电磁波信号穿过上层海水介质，而进入第二层的铜导体介质中，而低频电磁波信号具有更长的传播距离；其次，激励信号在铜导体介质中应具有足够高的响应幅度和一定的变化范围，从而为导电体的参数识别提供理论依据。通过不同模型的试算，确定选取发射信号频率为100Hz，电流幅度为20A。三层介质总厚度分别300米、240米和180米，而各介质层厚度相等。模型计算参数及其电磁响应结果如表4所示。

表4 各介质层厚度一致变化的计算参数及电磁响应

由计算结果可看出，当模型总厚度为300米，三个介质层厚度均为100米时，感应电流密度在上层海水介质与铜导体介质的交界面处的幅度为0.468（uA/m2），几乎衰减为0。而当三个介质层厚度均为60米时，感应电流密度在上层海水介质与铜导体介质的交界面处的幅度则为335（uA/m2）。说明基于本组计算参数，当海水层介质厚度小于100米时，电磁波能够穿过上层海水进入铜导体介质层。因此，分别选取上、下层海水厚度为80米、60米、40米和20米，同时相应的增加铜导体层厚度，以保持整体模型材料总厚度不变。具体计算参数及结果如表5所示。

表5 总厚度保持不变的计算参数及电磁响应

从以上计算结果可以看出，随着上层海水介质厚度的减小，感应电流密度在第一个海水-铜导体介质层的交界面处，有明显增大的趋势，说明上层海水厚度越薄，电磁波信号越容易穿过海水层进入良导体即铜导体介质层。另外，与表4的结果相比可知，当三个介质层的厚度分别为：60m、60m和60m时，感应电流密度在第一个媒质交界面的幅度为335（uA/m2）；而当三个介质层的厚度分别为：60m、180m和60m时，感应电流密度在第一个媒质交界面的幅度却为3.532（uA/m2），说明铜导体层的厚度，也对媒质交界面处的电磁响应幅度由较强的影响。铜导体介质层越厚，媒质交界面处的电磁响应幅度越低。以上结论为判断各介质层的参数打下了良好基础。

3 结论

为研究地层中局部导电体的电磁响应特征，建立了海水、金属矿体、海水的三层地质模型。分析了中间层金属矿体电导率参数对电磁响应的影响。结果表明，随着中间层金矿体电导率的增大，电磁感应强度的峰值也随之增大。计算了不同金属层厚度参数条件下的电磁响应，数值计算结果显示，随着铜导体层厚度增加，感应电流密度最大值逐渐减小；与此同时，电流密度最大值出现的位置由海水-金属导体交界面逐渐向铜导体内部移动。在保持模型总厚度不变的情况下，随着上、下海水介质层厚度的减少、金属矿体层厚度的增加，感应电流密度在第一个海水-铜导体介质层的交界面处，有明显增大的趋势。另外，当上、下海水层厚度一定时，该电磁响应则随着铜导体层厚度增加而减小。以上结论可为识别储层中局部导电体的埋深位置、导电性以及体积大小等参数提供理论依据，为定性判断储层特征打下了良好基础。

[1]王若,王妙月,底青云,等.源和勘探区间导电体对有源电磁勘探影响的2D数值模拟研究[D].2009.

[2]李斯睿,翁爱华,李大俊,等.电性可控源导线长度对深部三维异常体响应的影响[J].地球物理学进展,2015(4):1734-1742.

[3]李貅,刘文韬,智庆全,等.核磁共振与瞬变电磁三维联合解释方法[J].地球物理学报,2015,58(8):2730-274.

[4]李斯睿,翁爱华,杨悦,等.可控源导线长度对深部三维异常体响应的影响[J].2014 年中国地球科学联合学术年会,2014:2824-2826.

[5]Guan H,Qian H,Kong H,et al.Simulation calculation for total electric field of three-phase power cable[C]//High Voltage Engineering and Application(ICHVE),2016 IEEE International Conference on.IEEE,2016:1-4.

[6]Yu L,Xiong W,Zhang H,et al.Paramatic design of transranial magnetic stimulation coil based on VB and Ansoft Maxwell[C]//Chinese Automation Congress(CAC),2017.IEEE,2017:4484-4488.