非均质各向异性地层中方位随钻电磁测井响应三维有限体积法数值模拟算法

方位随钻电磁测井是一种能够实时探测地层边界、实现地质导向与井眼成像的新型测井技术. 本文根据方位随钻电磁测井仪器的典型线圈系结构, 首先引入柱坐标系下非均质完全各向异性地层中电流源并矢Green函数, 并利用电磁场叠加原理给出倾斜发射线圈激发的电场以及倾斜接收线圈上感应电动势的计算公式; 然后应用电流源电场并矢Green函数的混合势克服非均质地层中电磁数值模拟的低感应数问题, 通过ρ 和z方向上Lebedev网格设法降低网格节点个数, 并且利用标准化算法确定柱坐标系下非均质单元上的等效电导率. 在此基础上, 用三维有限体积法建立柱坐标系电场混合势的离散方法, 得到一个交错网格上电场矢势和标势大型代数方程, 并用不完全LU分解以及稳定双共轭梯度法确定数值解. 最后, 通过数据模拟结果对算法的有效性进行检验, 并考察钻铤、线圈倾斜角度以及地层各向异性等参数对仪器响应的影响. 数值结果表明: 在柱坐标系下用三维有限体积法的数值模拟算法处理非均质各向异性层中方位随钻电磁测井响应可以得到很好的结果. 钻铤、电导率各向异性、层边界均对方位随钻电磁波测井响应产生较大的影响; 在电阻率较大的地层, 幅度比和相位差响应越小; 发射线圈和接收线圈同时倾斜时, 幅度比和相位差响应受地层的影响更灵敏.     

声诱导电磁场的赫兹矢量表示与多极声电测井模拟

在假设声场不受电磁场影响的前提下，将Pride声电耦合方程组化为具有电流源的麦克斯韦方程组.与空间位置固定的电流源产生的电磁场不同，孔隙地层中声波诱导的电磁场是由空间波动的电流源产生的.通过引入赫兹矢量，将求解麦克斯韦方程组问题转化为求解关于赫兹矢量的非齐次矢量赫姆霍兹方程组.通过求解该方程组，得出电磁场表达式.利用此方法，针对声电效应测井，分别计算了由单极声源、偶极声源、四极声源激发的井内声场及其诱导电磁场的全波波形. 关键词： 孔隙介质 诱导电磁场 测井 多极声源     

电磁波导的辛分析与对偶棱边元

将电磁波导的控制方程导向了Hamilton体系、辛几何的形式.以电磁场的横向分量组成对偶向量并采用分离变量法，可以得到Hamilton算子矩阵的辛本征值问题.共轭辛正交归一关系、辛本征解展开定理等均可在此应用.对于复杂横截面和填充非均匀材料的电磁波导，提出对偶棱边元，对截面半解析离散后即可进行数值求解.对偶棱边元克服了结点基有限元求解电磁场问题的困难，与常规棱边元相比在某些方面具有一定的优势. 关键词： 电磁波导 Hamilton体系 对偶变量 棱边元     

用边有限元方法计算磁偶极子的三维电磁响应

用边有限元基函数导出了麦克斯韦(Maxwell)方程的有限元关系式,计算了地下三维介质中磁偶极子的电磁场响应.将场分量定义在有限单元的边上,解决了结点有限元方法中场切向分量不连续的矛盾,保证了源除外的所有单元内有旋无散的特性.将总场分离成背景场和二次场,使该方法适用于任何方向的磁偶极子源.通过模拟算例分析了7种Krylov子空间迭代算法以及不完全乔累斯基分解预处理手段在解大型线性代数方程组中的计算效率和收敛特性.对比结果表明,施加不完全乔累斯基分解作预处理的广义乘积型双共轭梯度算法GPBiCG (Pbicg)收敛最快,是三维复杂介质电磁响应数值模拟的首选算法.     

核磁共振测井仪探头设计中的数值方法

核磁共振测井仪探头的优化设计能够增强仪器的探测特性,提高仪器的信噪比, 而探头设计中的数值方法对设计结果至关重要.本文利用电磁场有限元方法对贴井壁型核磁共振测井仪探头静磁场和射频场进行了2D和3D的数值模拟,深入分析了数值模型形状、模型尺寸、 单元形状对数值模拟结果的影响,并将有限元数值模拟结果与实测数据做了对比. 结果显示:数值模拟结果与实测数据符合.在设计核磁共振测井仪探头结构时, 选取与井眼形状一致的圆形模型,模型尺寸范围在10—15倍探头外径, 并采用三角形单元可以有效提高数值模拟方法精度,增强优化设计结果的可靠性.     

电磁发射复合型结构拦截弹的3维电磁场有限元建模与仿真

为了达到拦截弹的连续发射、提高拦截效果和加固驱动线圈的目的,提出了一种复合型结构的拦截弹.在建立数学模型时,基于麦克斯韦方程组,对非铁磁材料区域、铁磁材料区域、空间区域等求解区采用矢量磁位和标量磁位来描述3维电磁场,并采用Ansoft有限元分析软件中的MAXWELL3D模块对新型结构拦截弹的电磁场和涡流场分布情况进行了...     

斯特林制冷机直线电机磁性材料模拟分析与应用

直线电机磁性材料的选择对斯特林制冷机的性能具有重要影响。应用电机电磁场理论和有限元分析方法,建立动磁式直线电机的电磁场模型,基于Ansoft Maxwell软件对几种常用磁性材料的电磁场进行有限元分析,得到了相应的电磁推力和磁感应强度分布。经过分析比较,选择铷铁硼、铁钴钒和硅钢作为电机磁性材料,研制的斯特林制冷机应用于5L深冷冰箱,获得了-150℃的低温环境,对应温度的制冷量为7W。     

Simulation of electromagnetic scattering by random discrete particles using a hybrid FE-BI-CBFM technique

A hybrid finite element–boundary integral–characteristic basis function method (FE-BI-CBFM) is proposed for an efficient simulation of electromagnetic scattering by random discrete particles. Specifically, the finite element method (FEM) is used to obtain the solution of the vector wave equation inside each particle and the boundary integral equation (BIE) using Green's functions is applied on the surfaces of all the particles as a global boundary condition. The coupling system of equations is solved by employing the characteristic basis function method (CBFM) based on the use of macro-basis functions constructed according to the Foldy–Lax multiple scattering equations. Due to the flexibility of FEM, the proposed hybrid technique can easily deal with the problems of multiple scattering by randomly distributed inhomogeneous particles that are often beyond the scope of traditional numerical methods. Some numerical examples are presented to demonstrate the validity and capability of the proposed method.     

Vector Preisach hysteresis modeling: Measurement, identification and application

The paper presents a Preisach model to simulate the vector hysteresis properties of ferromagnetic materials. The vector behavior has been studied using a single sheet tester with a disk-shaped specimen at low frequency. The locus of the magnetic flux density vector has been controlled by a digital measurement system. An inverse vector Preisach hysteresis model has been developed and identified by applying the measured data. Finally, the inverse model has been inserted into a finite element procedure through the fixed point technique and the reduced magnetic scalar potential formulation to simulate the measurement system. The applicability of the measurement system as well as the developed model has been proven by comparing measured and simulated results.     

倾斜井眼中感应测井正演模拟与响应特征

感应测井仪器的发射源可简化为一系列磁偶极子,其在层状地层中产生的电磁场可分解成彼此独立的TE波和TM波叠加,且TE波和TM波完全由两个标量方程确定.首先研究倾斜井眼中磁偶极子场的TE波和TM波分解,推导多层介质中电磁场振幅以及地层界面上广义反射和透射系数的递推公式,给出层状地层电磁场解析解.然后利用数值结果分析考察砂泥岩薄交互层中,地层层厚、井眼倾角变化等对感应测井响应的影响.     

电磁流量计磁场仿真研究

一种集流型电磁流量计广泛的应用于井下流量测量等特殊场合,运用有限元软件ansys对这种集流型电磁流量计建立的磁场仿真模型,并建立了这种集流型电磁流量计中流体中含有导磁率高的颗粒状物体时的磁场仿真模型.     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

相关固井质量的声波测井仪器刻度和标定*

目前,中海油服已经建成了一批用于固井质量和套损检测的刻度井,刻度井群可以物理模拟不同的套管规格、水泥密度以及不同的水泥胶结状况等,可用于实现对固井质量和套损检测的声波测井仪器进行系统的标定和测试。以刻度井群中用于标定仪器在高密度和中密度水泥套管井中测量性能的应用为例,介绍了依据高精度的超声扫描、数值模拟和实际仪器的测试结果,初步实现对固井质量检测中常用的声幅-变密度测井(CBL/VDL)和扇区水泥胶结测井(SBT)仪器进行定量刻度和标定的步骤和方法。研究工作表明,质量测试可以掌握刻度井中各组成部分的声学物理参数以及胶结质量,在此基础上结合数值模拟和实际仪器的测量响应,可基本实现待测仪器工作性能的标定。     

A finite element approach for scattering from inhomogeneous media with a rough interface

Electromagnetic scattering from an inhomogeneous medium with a one-dimensional rough interface is analysed. The proposed procedure combines the finite element method (FEM), to model the electromagnetic field in the inhomogeneous region, with a perturbative technique to account for the contributions due to the rough interface. Backscattering and bistatic scattering coefficients are computed and plotted for both plane wave and Gaussian beam incident fields in the case of TM_z polarization.     

中子测井问题中输运方程的谱有限元方法

讨论了谱有限元方法在中子测井数值模拟中的应用,用球谐函数谱展开和有限元耦合方法求解Boltzmann中子输运方程,得到了这种耦合方法的收敛性。研制了三维有限元程序,实现了中子测井问题数值模拟的正演计算,实际算例表明此方法是有效的。     

Design of electromagnetic cloaks and concentrators using form-invariant coordinate transformations of Maxwell’s equations

The technique of applying form-invariant, spatial coordinate transformations of Maxwell’s equations can facilitate the design of structures with unique electromagnetic or optical functionality. Here, we illustrate the transformation-optical approach in the designs of a square electromagnetic cloak and an omni-directional electromagnetic field concentrator. The transformation equations are described and the functionality of the devices is numerically confirmed by two-dimensional finite element simulations. The two devices presented demonstrate that the transformation optic approach leads to the specification of complex, anisotropic and inhomogeneous materials with well directed and distinct electromagnetic behavior.     

二维非均匀介质中大地电磁响应的计算

在二维埋均匀介质中,将大地电磁问题可看作电磁波在有耗开放波导中的传播问题,借用研究波导问题的数值模式匹配法予以解决,在计算Ex型问题时,使用Hermite基函数和非均匀无素;在计算Hx型问题时,使用变型Hermite基函数,并与有限元法进行了比较。     

Preisach-type hysteresis models in magnetic field computation

The paper illustrates the evolution of Preisach-type models of hysteresis, involving mean field effect, dynamic effect and vector behaviour and their capability to be included into finite element electromagnetic field computation. The study makes reference to 1D and 2D formulations developed under different simplifying assumptions. Particular attention is devoted to the use of fixed point technique which is found to be very advantageous for the solution of hysteretic problems. Some examples of the analysis of magnetic field problems with hysteresis are finally presented.     

Influence of a magnetically permeable surface layer on transient electromagnetic field of a vertical magnetic dipole on a two-layer conducting earth

The transient electromagnetic field, in the frequency domain, on a two-layered conducting earth is reexamined when the usually neglected magnetic permeability contrast is considered. It is shown that for two-layered earth model, where the upper is permeable, the electromagnetic induction response is modified over the nonpermeable case. It is obtained as a summation of waveguide modes plus contributions from branch-cuts in the complex plane of the longitudinal wave number. The results from this paper can be used to evaluate numerical solution of other more complicated forward modeling algorithms. It can also be used in developing fast and simple interpretation tools, which can deliver quick estimation of the earth structure at the field.     

一种基于磁通和电磁能流的磁扩散问题求解格式

针对一维磁场扩散问题设计一种显式的有限体积离散格式。格式的第一个特征是不仅将磁场的扩散表达为单元边界上的磁通流, 同时将能量方程中的欧姆加热也表达为单元边界上的电磁能量流, 该特征能够更好地保证磁场能与内能的总量守恒。格式的第二个特征是将单元边界上的磁通量和电磁能通量进行截断, 在极端电阻率存在的磁扩散问题求解过程中, 该特征能够一定程度上放宽稳定性条件对显式格式时间步长的限制。