Апробация способа измерений импеданса антенн для выделения почвенно-грунтового слоя над углеводородами

DOI:

Актуальность разработки методов и аппаратуры по поиску углеводородных залежей (УВЗ) определяются повышением требований к уровню достоверности и точности их обнаружения [1 – 3]. При этом учитываются проявления физикохимических процессов, приводящих к возникновению свойств анизотропного характера в средах над углеводородами [4]. Применяется широкий спектр интерпретации радарограмм полученных данных для дифференциации среды [5]. Аномалии изменения естественного излучения залежей позволяют выделять нефтяные и газовые месторождения [6]. Методы вызванной поляризации позволяют исследовать вторичные электромагнитные поля и фиксировать уровень поляризации по сравнению с фоновыми значениями [7].

В последнее время широко применяется 3D-инверсия морских данных CSEM с использованием быстрого конечно-разностного кода во временной области и оптимизации на основе приближенного гессиана [8]. Применяются методы CSEM на основе обнаружения контраста сопротивления резистивной пластовой жидкости по отношению к ее проводящей окружающей среде и интеграцией с сейсмическими данными для работ на мелководье [9]. Методы контролируемого источника электромагнитного поля позволяют расширить возможности разведки [10]. Обнаружение углеводородных залежей в естественных условиях залегания методами сопротивлений повышает информативность методов поиска УВЗ [11]. С помощью повышения чувствительности измерений возможно определение геологических образований в структуре Земли, которые, как правило, являются анизотропными почвенно-грунтовыми слоями [12]. Комплексное применение методов разведки дает огромный толчок исследованиям в данном направлении и, естественно, создание высокоэффективных антенн [2, 4, 5, 6] для радиотехнических систем поиска и идентификации УВЗ и способов возбуждения электромагнитных волн играет важную роль в получении высокоэффективных методов поиска и идентификации углеводородов [13].

Цель работы заключается в разработке антенны для поиска и идентификации углеводородов на основе способа измерений импеданса антенн для выделения почвенно-грунтового слоя над углеводородами и оптимизации ее параметров, исходя из следующего технического задания:

• 1.    Диапазон рабочих частот 1700-3000 МГц;

• 2.    Входной импеданс 50 Ом;

• 3.    Коэффициент стоячей волны (КСВ) менее 2;

• 4.    Диаграмма направленности по вертикальной плоскости не менее 40⁰, в горизонтальной – не нормируется;

• 5.    Подавление боковых лепестков 30дБ;

• 6.    Диэлектрическая проницаемость среды в пределах 2,5-4.

Для выполнения требований технического задания выбрана линейная коническая щелевая антенна. Линейная коническая щелевая антенна входит в группу антенн, называемых концевыми коническими щелевыми антеннами. Концевые конические щелевые антенны включают антенны постоянной ширины, линейно конические и экспоненциально конические, также известные как антенны Вивальди. Характеристики производительности включают: широкую полосу пропускания, средний коэффициент усиления и низкие боковые лепестки.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Моделирование антенн является важным этапом в разработке и оптимизации антенн для различных приложений. В настоящий момент существует несколько методов и подходов к моделированию антенн, которые можно разделить на две основные категории: аналитические методы и методы численного моделирования.

К аналитическим методам относится метод изображений, метод моментных диаграмм и метод интегральных уравнений. Эти методы позволяют рассчитывать основные параметры антенн, такие как распределение токов и напряжений, диаграммы направленности и коэффициенты стоячей волны.

Методы численного моделирования служат для более сложных задач, или задач, где применение аналитических методов невозможно. К методам численного моделирования относят:

• 1.    Метод конечных разностей во временной области (FDTD).

• 2.    Метод моментов (MoM).

• 3.    Метод конечных элементов (FEM).

Принцип метода заключается в разбиении пространства на ячейки и применении уравнений Максвелла. Обеспечивает высокую точность при моделировании.

Метод используется для решения интегральных уравнений и моделирования антенн с проводящими элементами.

Используется для моделирования антенн сложной геометрической формы. Также, как и в методе конечных разностей во временной области применяются уравнения Максвелла.

В качестве метода моделирования будет выбран метод конечных разностей во временной области, так как данный метод полностью удовлетворяет требованиям: обеспечивает высокую точность измерений, учитывает нюансы конструкций, позволяет получить детализированные результаты.

Методология проведения исследований включает проведение компьютерного моделирования. Для моделирования использован пакет CST Microwave Studio.

Проектирование данной антенны предназначено для радиотехнических систем поиска и идентификации УВЗ. Методика исследований заключается в определении компонент поверхностного импеданса почвенногрунтового слоя над УВЗ по формулам (1) и (2):

^ 11 — ^ 22 =

^ 12 ^— ^ 21

(J R + J l ),

где

£ _r — £ 1 + £₂ — Re s_R + j Im s_R

Ёь — Ё1-ё2 — Re £l +j Im el.

Для моделирования применены характеристики экспериментальных данных для реальных месторождений      углеводородов       [2]:

диэлектрическая проницаемость вмещающего слоя над скоплениями УВЗ sr = 1 - 30 , диапазон проводимостей   анизотропной   среды над углеводородами        аг — 1 ■ 10-5 — 1 См /м;

концентрации электронов и ионов Ne—N и — (1016 — 10'8) м-3,      частота     столкновения взаимодействующих электронов и ионов v — 2 ■ п ■ 109рад / с.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Микрополосковая    питаемая    линейная коническая щелевая антенна изготавливается из металлизированной диэлектрической подложки с линейно конической щелью, вытравленной в металлизации. Круглая щелевая полость соединена с узким концом конической щелевой линии (раструбом) с короткой длиной щелевой линии. На обратной стороне подложки находится микрополосковая линия, заканчивающаяся широкополосным               радиальным четвертьволновым шлейфом. Основание шлейфа перекрывает щелевую линию близко к круглой полости (Рисунок 1).

Рисунок 1. Внешний вид антенны (А) вид спереди; (Б) вид сзади. Figure 1. Antenna external view (a) front view; (b) rear view

Антенна изготовлена на диэлектрической подложке. Переход микрополосковой линии в щелевую линию реализуется путем травления щелевой линии на одной стороне подложки, которая пересекается под прямым углом микрополосковой линией на противоположной стороне подложки. Микрополосковая линия расширяется, образуя радиальный шлейф, который действует как широкополосное виртуальное короткое замыкание на пересечении микрополосковой линии и щелевой линии. Щелевая линия расширяется в круглую полость, чтобы действовать как широкополосная виртуальная открытая цепь. Преимущество этого метода питания заключается в том, что и антенна, и ее питание (которое также может включать секцию согласования импеданса) могут быть протравлены на одной подложке.

Использование измерений импеданса антенны для выделения анизотропных неоднородностей находит применение на практике [2]. Отличие отражательных характеристик почвенногрунтового слоя над углеводородами может быть применено для идентификации свойств подстилающей поверхности на основании изменения коэффициента стоячей волны антенн (КСВ) [4].

На основе проведенного моделирования для режима гармонического колебания было установлено, что на отрезке 1,7…3,0 ГГц происходит изменение составляющих поверхностного импеданса почвенно-грунтового слоя над углеводородами Ż 11 и Ż 21 . Это приводит к изменению отражательных характеристик среды над углеводородами, что в свою очередь отражается на изменении КСВ антенн. Проводились экспериментальные исследования микрополосковой антенны в диапазоне частот 1,7…3,0 ГГц с характеристикой КСВ, показанной на рисунке 2.

Антенна соответствует заданному диапазону 1700-3000 МГц. Рассчитана на импеданс 50 Ом. Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВ) на частоте 1700 МГц равен примерно 1,3. На частоте 3000 МГц составляет также 1,3. Данная характеристика полностью соответствует требованиям технического задания.

Рисунок 2. Коэффициент стоячей волны по напряжению.

Figure 2. Voltage standing wave ratio.

Диаграмма направленности (ДН) микрополосковой питаемой линейной конической щелевой антенны на частоте 1700

МГц имеет усиление 4,37 dBi, а на частоте 3000 МГц – 9,72 dBi (Рисунок 3). Диаграмма направленности соответствует требованиям.

Рисунок 3. Диаграмма направленности антенны.

Figure 3. Antenna radiation pattern.

Эффективность микрополосковой питаемой линейной конической щелевой антенны полностью соответствует ожиданиям. Средняя эффективность составляет примерно 0,94

(Рисунок 4).

Рисунок 4. Эффективность антенны.

Figure 4. Antenna efficiency.

Импеданс антенны изменяется в более широких пределах: ± 50 Ом. Микрополосковая питаемая линейная коническая щелевая антенна имеет размеры 236 мм · 140 · 1,16 мм.

Предлагаемый способ был опробован на Осиповичском подземном хранилище газа Могилевской области. При реализации способа использовался измеритель КСВ с данной антенной. Электромагнитный сигнал с выхода измерителя КСВ поступает на исследуемую антенну. Измерения проводились на частотах f1 = 1,7 ГГц, f2 = 2,5 ГГц, f3 = 3,0 ГГц. Высоту подъема антенны выбирали из соображений проведения измерений (на расстоянии 1м от поверхности земли). Антенна располагалась таким образом, чтобы излучение направлялось антенной перпендикулярно поверхности земли с целью получения максимального отклика от области предполагаемой залежи. Отраженное излучение принимается антенной, поступает в измеритель КСВ. В точках измерения исследуемого профиля определяли КСВ. Аномальное изменение его величины свидетельствует о наличии УВЗ. Задавалась опорная точка, относительно которой измеряли КСВ вдоль исследуемого профиля. Данные измерений представлены в таблице 1. Изменения значений КСВ указаны в процентах относительно значений в точке 150 м (границе залежи соответствует точка 170 м), которые приняты за основу (уровень 0 %). Знак – указывает на то, что значения КСВ уменьшаются на указанную величину в процентах относительно точки 150 м, которая находится вне залежи.

Т аблица 1. Э кспериментальные значения КСВ антенны на территории О сиповичского подземного хранилища газа .

T able 1. E xperimental values of the antenna SWR on the territory of the O sipovich underground gas storage facility .

R, м		150	160	170	180	190	200	210	220	230
КСВ,	f = 1,7 ГГц	0	-5,5	-50	-45	-50	-42	-47	-48	-50
%	f = 2,5 ГГц	0	-6,0	-38	-45	-50	-44	-41	-49	-39
	f = 3,0 ГГц	0	-3,0	-45	-50	-50	-43	-41	-50	-42

Таким образом, на границе залежи (точка 170 м) установлено существенное уменьшение КСВ антенны по сравнению с околозалежным пространством (-50 % на частоте f = 1,7 ГГц, -38 % на частоте f = 2,5 ГГц, -45 % на частоте f = 3,0 ГГц). Применяя калибровку антенн на тестовых территориях, данный способ может быть использован для поиска и идентификации углеводородов. Если использовать измерения КСВ двух и более антенн, можно повысить уровень достоверности поиска и идентификации углеводородов за счет высокой разрешающей способности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Преимуществами предлагаемого способа по сравнению с существующими аналогами являются:

• •    повышение точности определения границ залежи за счет измерения КСВ в широком диапазоне частот;

• •    повышение разрешающей способности определения местоположения залежей за счет измерения КСВ двух и более антенн;

• •    лучшие масса-габаритные показатели антенн;

• •    повышение           производительности

геологоразведочных работ.