1、 收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目“基于井地激电电磁法的储层流体识别方法研究”（）；中国石油化工股份有限公司科技项目“全域电磁法储层含油气性检测技术及应用”（）。第一作者毛玉蓉（），女，博士，副教授，现主要从事时间域电磁法数值模拟及电磁勘探新技术方面的研究，。通信作者王新宇（），男，博士生，主要从事重磁电三维联合反演研究及应用方面的工作，。毛玉蓉，王新宇，周磊，等 电流波形对航空瞬变电磁法探测能力影响研究 长江大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：电流波形对航空瞬变电磁法探测能力影响研究毛玉蓉，王新宇，周磊，李昊锦油气资源与勘探技术教育部重点实验室（长江大学），湖北 武汉 非常规油
2、气省部共建协同创新中心（长江大学），湖北 武汉 中国地质大学（武汉）地球物理与空间信息学院，湖北 武汉 摘要航空瞬变电磁法是近年来发展起来的一种快速电磁油气勘探方法，该法具有飞行高度低，探测深度大等特点，广泛应用于森林、山地、戈壁、沼泽、湖区以及浅海等区域的油气勘查。该方法利用发射线圈在空中发射不同波形和功率的电流，接收线圈接收地下地质体感应涡流产生的二次场信息，通过分析和处理二次场信息，进而通过反演或者成像可获取地下地质体的电导率、磁导率的空间分布信息，最终实现对地质目标体的识别和探测。传统的航空瞬变电磁法主要采用单一波形进行供电，极大地影响了航空瞬变电磁法的适用性。通过对比阶跃波、锯齿波、
3、三角波、梯形波和正弦波等种发射波形激发的电磁响应特征，可知阶跃波和锯齿波的电磁响应最强，梯形波次之，但到了晚期，磁场的衰减均保持一致。在此基础上，提出利用梯形波和锯齿波进行组合发射，可实现航空瞬变电磁法对不同埋深地质目标体探测的目的。研究不同发射电流波形以及组合波的航空瞬变电磁响应特征，对于合理设计和优化航空瞬变系统具有重大意义。关键词发射电流；组合波形；地质目标体探测；航空瞬变电磁 中图分类号 ；文献标志码 文章编号 （），（），（），（），：（），：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.20230505.001时间域航空电磁
4、法又称航空瞬变电磁法，主要是利用飞机搭载电磁勘探设备，在空中由发射线圈发射电流，接收线圈接收地下地质体感应涡流产生的二次场，从而推测地下地质体电性结构，适用于地形条件比较复杂的区域。航空瞬变电磁法采用磁性源发射，对高阻层穿透力强，而且在不同的油气勘探环境下工作的装置可灵活多变。常用的发射波形有梯形波、三角波、方波及组合波，不同发射波形在不同时间段激发的响应特征因波形不同而不同，响应大小也不相同，最重要的是所反映的航空瞬变电磁法探测能力和分辨率等信息也不同。很多学者进行了航空瞬变电磁不同发射波形的研究，但在实际油气勘探过程中，不同的勘探仪器有着不同的发射波形，同时不同的野外勘探目标有着不同的埋深
5、和规模，合理选择一种合适的发射波形，使得野外勘探能够准确地获取地质体信息显得尤为重要。瞬变电磁测深法发射波形主要采用一定占空比的双极性方波，在发射电流关断时进行二次场观测，但对航空瞬变电磁法而言，在发射电流关断时感应的二次场很弱，加拿大 公司的 旋翼系统是这种观测方式的代表，该系统通过采用对?（其中，?为磁感应强度，；为时间，）数据进行积分的方法来提高分辨力和灵敏度。加拿大 公司的 和 固定翼系统发射波形为半正弦电流，加拿大 公司的 旋翼系统发射波形为三角波。国内嵇艳鞠等、陈曙东等、许洋铖等以及殷长春等 都对航空瞬变电磁不同发射波形的全波形响应特征进行了研究，重点研究了梯形波在 的响应。但不同
6、发射波形对电磁响应的影响，特别是全波形的电磁响应特征研究较少。为此，笔者研究了不同发射电流波形对航空瞬变电磁响应的规律，对于合理设计和优化航空瞬变电磁勘探参数具有重大的意义。基本理论航空瞬变电磁法属于瞬变电磁测深法，该方法将回线源的电流密度直接代入到麦克斯韦方程组中，直接从时间域麦克斯韦方程出发计算瞬变电磁场响应。在磁准静态条件下，即各向同性、线性、均匀媒质，忽略位移电流的时间域电磁场满足的麦克斯韦方程组以及本构方程为：?（）?（）?（）?（）?（）?（）?（）式中：?表示电场强度，；?表示磁场强度，；?表示电位移矢量，；?为电流密度，；为电导率，；为磁导率，；为介电常数，。动态位函数?和标量
7、位函数可以唯一地确定矢量场?和?：?（）?（）对于磁性源瞬变电磁场，导电介质中的电流密度既表征由外源施加的电流密度?，又表征媒质内感生的涡流密度?，即：?（）代入式（）得：?（）（）长江大学学报（自然科学版）年月静态极限情况下（）式变为：?（）从而时变涡流密度为：?（）依据式（），结合关系式（）、（）、（），可得描述磁准静态场的动态位方程为：（?）?（）由?、?、（其中，为线圈的电导率，；?为线圈的速度，；?为线圈电场强度，；为线圈的半径，；为真空中的磁导率（）；为相对磁导率，）。代入式（）得：（?）?（）在此考虑各向同性的介质，式（）可简化为：?（）为了唯一确定电磁场，在无源区域两种介质的分
8、界面，电磁场必须满足下面的个表达式：?（?）（）?（?）（）?（?）（）?（?）（）式中：?为两种介质分界面法线方向的单位矢量；?（，），?（，），?（，），?（，）均表示两种介质的场矢量。采用狄利克雷边界条件：?（）?（）航空瞬变电磁法三维正演计算问题都是通过有限元求解以上定解问题，首先将计算区域进行网格剖分，然后选取合适的插值基函数，通过插值函数，可以建立节点上的未知量方程，从而获得大型稀疏矩阵。一般采用直接法或者迭代法求解此大型稀疏矩阵，直接法计算精度高，但需要大量的计算机内存，迭代法需要的计算机内存较小，但需要的计算时间往往较长。因此在计算时应根据实际问题合理选择求解方法。本文研究不同
9、发射波形或者组合波形的电磁响应特征，并进行了对比分析。不同发射波形航空瞬变电磁响应特征研究航空瞬变电磁法发射常用波形主要有阶跃波、矩形波、半正弦波、三角波和梯形波等，典型发射电流波形如图所示，各种发射波形的电磁响应可基于阶跃波来进行计算，在获取系统的冲激响应函数后，不同波形的时间域响应由谐变场的电磁波响应（）与激励源信号的频谱（）乘积的反傅里叶变换求得。图（）中阶跃电流的表达式为：（）（）（）式中：为阶跃电流峰值大小，；（）为阶跃电流函数。在计算阶跃电流响应时将阶跃电流作为源项代入有限元方程即可，其他发射电流波形也是如此。第 卷 第期毛玉蓉 等：电流波形对航空瞬变电磁法探测能力影响研究注：为电
10、流。图典型发射电流波形示意图 算例验证为了验证计算的正确性，首先选用简单的均匀半空间模型进行验证，与磁偶源的时间域垂直磁场分量（）解析解（式（）作对比。（）（）（）（）（）式中：（）为余误差函数；为介质电阻率，；为介质电导率，。设计中心回线观测方式，采用阶跃波发射，发射线圈距地表，共 匝，线圈半径，发射电流 ，分别用均匀半空间、型地层、型地层模型进行数值模拟计算，其中均匀半空间电阻率为 ，模型参数如表所示，（，）表示层厚（），表示层电阻率（）。表模型参数表 模型（）（）（）型 型 图一维模型验证 图（）、（）、（）分别是均匀 半空 间、型地层、型地层数值解与解析解的对比，图（）是三种地电模型模
11、拟的相对误差曲线，可以看出在 前，误 差 基 本 维 持 在以内，可以有效进行正演模拟，在 后误差急剧上升，主要由于使用的是狄利克雷边界条件，而模型本身大小不能满足无限远的条件，因此在后期导致磁场场值有较大的计算误差；由图（）、图（）可以看出对于层状介质，随时间迅速衰减，当遇到低阻层时，曲线呈现上凸趋势，衰减变慢，当遇到高阻层时，曲线呈现下凹趋势，衰减变快，而且长江大学学报（自然科学版）年月图均匀半空间响应 型地层的畸变比 型地层畸变更严重，这也说明了航空瞬变电磁法对低阻反映更为灵敏的特点。由图可知，数值解和解析解拟合较好，说明航空瞬变电磁法三维正演模拟计算是可行的。一维模型通过设计不同深度的
12、高、低电阻率层来研究不同种类发射波形对电磁响应的影响。在这些模型中，发射线圈距离地面，线圈半径为，发射波形分别为阶跃波、锯齿波、三角波、梯形波和正弦波等五种波形。图是在均匀半空间模型各种波形的电磁响应，可以看出，阶跃波与锯齿波的响应基本一致，并且这两种波形的响应最剧烈，接下来依次是三角波、梯形波和正弦波。阶跃波和锯齿波在 电磁响应呈缓慢下降趋势，从 电磁响应迅速衰减，其余种波形 响应基本不变，从 开始下降，但下降的速度不如阶跃波与锯齿波；并且在 时，种波形基本接近。表型地层模型数据 埋深第层电阻率（）第层厚度第层电阻率（）第层厚度第层电阻率（）第层厚度 型地层模型如表所示。图（）是种波形在一个
13、埋深 的型地层的响应特征曲线，可以看出种波形都出现了不同程度的突起，其中阶跃波与锯齿波响应最剧烈，突起的程度也最大，并且这两种波的响应特征曲线基本重合。三角波、梯形波和正弦波响应程度依次递减，并且这三种波的突起程度基本一致。由于都是埋深 的地层，所以种波几乎在 曲线出现了突起。同时因为低阻层的厚度都相同，凸起的延续时间也基本一致，在 之后，种波形的响应特征曲线与均匀半空间的特征曲线基本重合。图（）是低阻层在埋深 时的响应特征曲线，响应的强度与前面的一样，均是阶跃波与锯齿波响应最剧烈，其余三种波形次之，与低阻层埋深 时的情况相比，由于两种情况低阻层的厚度与电导率一致，所以埋深 时，凸起的程度较埋
14、深 时较小，并且凸起的时间也延后，在 与 之间开始出现凸起，在 附近与均匀半空间的特征曲线重合，由此可知，在设置的地层模型中，随着时间的增加，最后都会趋于均匀半空间的响应特征曲线。图（）是低阻层在埋深 时的响应特征曲线，由于埋藏深度较深，所以在靠前的时间中种波形的曲线与均匀半空间的特征曲线基本重合，在后期出现凸起，并且种波形的凸起程度相差不大。由于在这个模型中低阻层设置的厚度较厚，所以种波形的凸起延续的时间较长。型地层模型如表所示。图（）是高阻层埋深 时的特征曲线图，响应依旧是阶跃波与锯齿波最强，三角波、梯形波和正弦波次之。但是相对于埋深 时的低阻层，高阻层的凸起不是很明显，造成这种现象的原因
15、是航空瞬变电磁法对高阻不敏感，但是通过差值仍能了解到型地层与均匀半空间有微小的差别，在 时出现微小的凸起，随着时间的增加，逐渐与均匀半空间的特征曲线重合。图（）是电导率为 的高阻层在埋深 时的特征曲线，随着埋藏深度的增加，种波形的凸起程度变得更小，甚至与均匀半空间的特征曲线几乎完全重合。图（）是高阻层在埋深 时种波形的特征曲线图，种波形中，依旧是阶跃波与锯齿波的的响应最强，其余三种波的第 卷 第期毛玉蓉 等：电流波形对航空瞬变电磁法探测能力影响研究响应较弱。尽管埋深 时设置的高阻层较厚，但是凸起依旧不是很明显。图型地层不同埋深的响应特征曲线 表型地层数据 埋深第层电阻率（）第层厚度第层电阻率（
16、）第层厚度第层电阻率（）第层厚度 图型地层不同埋深的响应特征曲线 三维模型表异常体数据 异常体类型埋深电阻率（）低阻 高阻 在均匀半空间中设置一个高 ，半径为 的柱状异常体，进行三维正演计算，发射线圈距离地面 ，线圈半径为，发射阶跃波、锯齿波、三角波、梯形波和正弦波，模型具体参数如表所示。由图可知，响应最强的两种波是阶跃波与锯齿波，并且两种波几乎重合，其余三种波响应强度相差不是很大。而且三种波的凸起程度几乎一致，并且随着时间的增加，与均匀半空间的响应曲线特征一致。图是高阻异常的响应特征曲线图，可以看出高阻的响应特征不是很明显，接近均匀半空间的响应。图（）和图（）分别为阶跃波与锯齿波的电磁响应剖面图，这两张图磁场强度的最大值都长江大学学报（自然科学版）年月图低阻异常体响应图高阻异常体响应 是 ，最小值为 ，并且最大值比其余三种波形的最大值都要大，这是由于在时阶跃波与锯齿波发射电流突然关断，电流没有衰减，二次场也没有衰减，所以测得的值最大。图（）为梯形波的电磁响应剖面图，它的响应较强，这是梯形波在波形激励开始下降的时候，磁场也开始衰减，但是衰减的时间比较短，所以测得的磁场值较大。图（）和图
