基于卷积完全匹配层吸收边界的地—井瞬变电磁三维正演及异常体快速定位方法

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瞬变电磁法(TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的人工源电磁探测方法。瞬变电磁法向地下发射一次脉冲场并采集关断间歇产生的二次场,依据二次场的电性特征可以判断地下地质结构分布。瞬变电磁法最普遍的工作形式是地面瞬变电磁法,该方法在地面布设发射源并在地面进行接收。但是由于发射磁矩受限以及地表噪声干扰,地面瞬变电磁方法在进行小尺寸、大埋深异常体探测时,其探测分辨率往往无法满足探测需求。地-井瞬变电磁法是在地面瞬变电磁法的基础上发展起来的地面发射,井下接收信号的瞬变电磁方法。相比于地面瞬变电磁勘探方法,地-井瞬变电磁法的接收探头位于井下,距离探测目标体更近,获得的响应信号更强,可满足小尺寸异常体探测需求;同时,探头位于井下这也增加了探测深度可以满足大埋深探测需求。虽然地-井瞬变电磁法在大深度、小目标的精细探测中具有独特优势,但由于地-井瞬变电磁方法的接收点与发射源之间的相对距离是变化的,因此无法直接套用较为完善的地面瞬变电磁理论对地-井瞬变电磁数据进行解释。目前还未形成一套针对地-井瞬变电磁法的系统理论和解译方法。在地-井瞬变电磁正演领域,主要是通过对多测道响应曲线图进行定性分析来判定地下异常体所在的大致深度范围;但是,对于异常体的水平方位以及与钻孔间的水平距离等仍无法进行准确的判定,故无法实现对地下异常体的精确定位。针对上述问题,本文采取数值模拟与野外实验相结合的方式开展地-井瞬变电磁井旁异常体定位研究。首先,为满足大量三维正演计算需求,对原有Dirichlet边界的三维正演程序加以改进,以卷积完全匹配层吸收边界(CPML)代替Dirichlet边界,实现三维正演速度大幅提升。随后,采用改进的地-井瞬变电磁三维正演程序进行大量数值计算,分析模型响应曲线总结响应规律并在此基础上提出地-井瞬变电磁异常体快速定位方法,可准确定位异常体的深度并将其圈定于井周45°范围。最后,通过数值模型试验以及野外数据试验验证该方法的准确性及野外适用性。本研究可进一步提升地-井瞬变电磁方法对地下异常体定位的能力,实现对目标体的精细化探查,对保证施工安全有重要意义。
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