地—井瞬變電磁三維各向異性響應(yīng)特征研究

摘要： 地—井瞬變電磁法由于抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)信號(hào)明顯等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用廣泛。在深部礦產(chǎn)資源調(diào)查和地質(zhì)構(gòu)造勘查等任務(wù)中，多個(gè)油氣儲(chǔ)存在層理發(fā)育的沉積巖地區(qū)大多數(shù)情況下表現(xiàn)為電各向異性，但是目前地—井瞬變電磁反演算法均基于各向同性模型，傳統(tǒng)反演成像技術(shù)不再適用。為了分析地層電導(dǎo)率各向異性對(duì)地—井瞬變電磁勘探結(jié)果的影響，對(duì)各向異性介質(zhì)模型研究其電磁響應(yīng)特性?；诟飨虍愋越橘|(zhì)的電導(dǎo)率張量，提出了一種基于有限元方法的三維分析模型，采用PARDISO 求解器進(jìn)行求解。針對(duì)多個(gè)各向異性角度的情況模擬了各向異性介質(zhì)的瞬變電磁響應(yīng)，分析介質(zhì)各向異性對(duì)電磁波傳播規(guī)律的影響，探討了各向異性瞬變電磁響應(yīng)特征。研究結(jié)果表明：在垂直各向異性介質(zhì)中，電磁波傳播方向垂直于電導(dǎo)率最大的方向時(shí)，電磁響應(yīng)變化最明顯； 電磁波傳播方向平行于電導(dǎo)率最大的方向時(shí)，電磁響應(yīng)變化最弱。在水平各向異性介質(zhì)中，電磁波垂直于電導(dǎo)率最小的方向時(shí)，電磁響應(yīng)變化最明顯； 電磁波平行于電導(dǎo)率最小的方向時(shí)，響應(yīng)變化較弱。最后，針對(duì)地—井瞬變電磁方位測(cè)井，分析了發(fā)射源沿不同方向條件下各向異性地層和異常體模型的電磁響應(yīng)，結(jié)果表明其瞬變電磁響應(yīng)特征與發(fā)射源的方向有關(guān)，且對(duì)于主軸各向異性異常體，發(fā)射源方向的選擇直接影響對(duì)異常體各向異性方向的判斷。該研究結(jié)論對(duì)油氣開發(fā)地球物理勘探方法的研究具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 電導(dǎo)率各向異性，有限元，電磁場(chǎng)三維正演，二階后退歐拉差分法

中圖分類號(hào)：P631 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000‐7210. 2024. 05. 024

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瞬變電磁法（TEM）是一種時(shí)間域人工源電磁法，廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘探。該方法利用不接地回線源或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，通過觀測(cè)地下介質(zhì)感應(yīng)產(chǎn)生的二次場(chǎng)分析地層的電性特征[1]。與頻域方法相比，瞬變電磁法理論上具有受低阻層影響小、體積效應(yīng)小、分辨率高、旁側(cè)影響小及測(cè)量快速、高效等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。地—井瞬變電磁法是近年來發(fā)展較快、地質(zhì)找礦效果較好的一種電法勘探方法，主要應(yīng)用于金屬礦的勘查、構(gòu)造填圖及油氣田、煤田、地下水、地?zé)?、凍土帶、海洋地質(zhì)等領(lǐng)域的研究[4]。在金屬礦勘查方面，該方法主要應(yīng)用于井旁、井底盲礦體的勘察，尤其目標(biāo)礦體深度太大、受電性干擾因素（如導(dǎo)電覆蓋層、淺部硫化物、地表礦化地層等）影響的地區(qū)，應(yīng)用地面電磁法進(jìn)行勘探更能體現(xiàn)其優(yōu)越性[5]。在加拿大、澳大利亞等國(guó)家，地—井TEM 法已成為常規(guī)勘查方法，有很多成功的深部找礦實(shí)例。1995 年利用地—井TEM 法在加拿大Falconbridge Lindsley 銅鎳礦區(qū)發(fā)現(xiàn)深1280 m、厚28 m 的富礦[6-7]。野外數(shù)據(jù)采集時(shí)，將發(fā)射回線裝置布置在鉆孔上方或附近地面，向地下發(fā)送雙極性脈沖，將探頭沿鉆孔或井眼逐點(diǎn)下沉，測(cè)量地質(zhì)體感應(yīng)產(chǎn)生的瞬變電磁響應(yīng)[8]。該方法具有受地面電磁場(chǎng)或人文干擾小、電磁信號(hào)強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在深部找礦、地質(zhì)構(gòu)造研究等方面得到了廣泛應(yīng)用，尤其對(duì)金屬礦的開發(fā)具有不可替代的作用。

早期的鉆井一般都是豎直井，瞬變電磁法測(cè)井儀器只能進(jìn)行單一方向的測(cè)量，因而無法研究地層電性各向異性的影響。隨著科技的進(jìn)步，開始鉆探水平井和大斜度井。由于地層電性各向異性會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精確性，給各向異性儲(chǔ)層的解釋和評(píng)價(jià)帶來困難[9]。O’Brien 等[10]推導(dǎo)了層狀各向異性介質(zhì)中電磁場(chǎng)的遞推公式； Weiss 等[11]通過數(shù)值模擬研究了電性源在各向異性介質(zhì)中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)分布特征； Pek 等[12]較全面和完善地闡述了一維各向異性地層的正演問題。之后，地球物理學(xué)家們對(duì)地層各向異性及矢量電磁場(chǎng)的研究取得了初步進(jìn)展[13-14]，多分量和方向感應(yīng)測(cè)井技術(shù)相繼出現(xiàn)，其方法也逐步成熟[15]。徐世浙等[16]采用有限元法計(jì)算了二維電性各向異性地電斷面的大地電磁場(chǎng)； Yu 等[17]分析了三維各向異性海底對(duì)TEM 響應(yīng)的影響； 王昌學(xué)等[18]使用交錯(cuò)網(wǎng)格有限差分法模擬了電性各向異性地層的頻率域電磁響應(yīng)； 孫向陽等[19]采用矢量有限元法研究了傾斜各向異性地層中隨鉆測(cè)井電磁響應(yīng)的分布特征； 陳桂波等[20]使用積分方程法模擬研究了三維電性異常體在各向異性地層中的電磁響應(yīng)； Dennis 等[21]研究了電各向異性介質(zhì)在近地表的瞬變電磁響應(yīng)特征； 嚴(yán)良俊等[22]研究了一維油氣儲(chǔ)層電各向異性對(duì)瞬變電磁響應(yīng)中視電阻率的影響；王煜翔[23]實(shí)現(xiàn)了電性源瞬變電磁法一維各向異性模型的正、反演； 周建美等[24]和劉亞軍等[25]采用有限體積法研究了不同方向的電導(dǎo)率各向異性對(duì)電磁場(chǎng)分量的影響； 劉亞軍[26]采用有限體積法實(shí)現(xiàn)了回線源和長(zhǎng)偏移距瞬變電磁法的三維各向異性介質(zhì)的正演； 郭建磊等[27-28] 采用有限差分法研究了軸向各向異性地—井和巷—孔瞬變電磁響應(yīng)隨深度變化的特征。關(guān)于瞬變電磁法在各向異性介質(zhì)地—井測(cè)井中時(shí)間域的研究鮮有報(bào)道?；诘亍沧冸姶欧ㄔ诟飨虍愋越橘|(zhì)中的響應(yīng)規(guī)律的初步研究[29]，本文在時(shí)間域各向異性介質(zhì)響應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用具有靈活性和適應(yīng)性、能夠較好地貼合地形變化、多適用于復(fù)雜地質(zhì)模型計(jì)算的有限元數(shù)值模擬方法，針對(duì)地—井瞬變電磁方位測(cè)井中發(fā)射源沿井孔不同方向布置的情況，研究并分析了時(shí)間域瞬變電磁響應(yīng)特征。本文研究結(jié)果能對(duì)地—井瞬變電磁法的各向異性解釋提供指導(dǎo)，也為地—井瞬變電磁勘探的多方位測(cè)井和各向異性反演提供參考。