Определение характеристик вмещающих пород над углеводородными залежами с помощью частотно-модулированных сигналов

DOI:

Эффективность и актуальность проведения геологоразведочных работ по поиску углеводородных залежей (УВЗ) определяются повышенными требованиями к точности их оконтуривания [1 – 3]. Методы разведки УВЗ реализуются на знании особенностей электрофизических явлений в средах анизотропного характера над углеводородами [4]. С помощью построения радарограмм и высокого уровня их интерпретации получаются неплохие результаты по установлению свойств и характеристик профиля поверхности [5]. Анализ поведения потенциалов поля над скоплениями УВЗ ведет к выделению аномальных эффектов, которые могут быть использованы в качестве инструмента для обнаружения нефти и газа [6]. Выполнены исследования с использованием закона Арчи со сведениями о насыщенности и пористости пластов, масштабирование модели поверхности по величине удельного сопротивления. [7].

Аппаратура с использованием сейсмоподобной архитектуры включает в себя регистрацию электромагнитных полей и микросейсмических сведений в одном цикле [8]. Метод морской съемки электромагнитных сигналов применен в комплексном подходе исследований с использованием буксируемой косы и источника [9]. Электромагнитные испытания с двумя вертикальными (один из них контролируемый источник) служат альтернативой другим методам формирования трехмерных изображений распределения удельного сопротивления геологического профиля [10]. Возможности разведки значительно возрастают при применении сигналов с расширенными возможностями [11]. Роль геофизических методов исследований актуальна для обнаружения широкого спектра полезных ископаемых [12]. Комплексное применение методов разведки дает огромный толчок исследованиям в данном направлении [13].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве исходных данных в данной работе использованы параметры среды над залежами углеводородов, полученные экспериментальным путем, а также выражения, описывающие компоненты тензоров диэлектрической проницаемости среды над углеводородами.

Методология проведения исследований включает проведение компьютерного моделирования. Для моделирования использованы математический пакет MathCAD14 и выводимые ниже соотношения.

Анализ воздействия в режиме частотно-модулированных волн

Режим частотно-модулированных (ЧМ) сигналов с модулирующей частотой щ, частотой несущего колебания ®2, индексом модуляции в = —, девиацией частоты Дю ω1

описывается выражениями [4]. Информативность приведенных исследований расширена в данной работе за счет полученных дополнительных характеристик исследуемых сред.

Частотная составляющая ЧМ режима имеет вид:

to₃ = to₂ [ 1 + в • k_to cos to, t ] ,

Для анализа используются компоненты тензора по осям x, y, z соответственно £

,   £ ,   £ ; частоты, определяющие режим ЧМ взаимодействия: плазменная to _ni;

гиротропная  tori; столкновений частиц vi; величина отношения несущей и модулирующей частот  kto, параметры профиля: относительная диэлектрическая проницаемость поверхности £; проводимость анизотропной среды ^ и значение диэлектрической постоянной £ .

2 ~            2    ~22

toni to3        toi -to3 -v i         _ :   °r.

2    2    -ZC ^22

^ =8_г (1 + р^ к _ю cos to_t t ) + ^

i =1

to2   (v/ +tori-to^ ) + 4togVzto

^^

. toПVI       to3 +V i +to ri to2  (v,2 + to2n - to2 )2 + 4to2v;2

6 2= z )

i =1

^to ni ^to ri to ₂

to²_n - to2 + v, ²                 2 j tovto ton

Гi       3       i                                       3 i Пi Гi

-----:--------ii:---

^(v , +to ri ^-to, ) + ^4to 3 ^v i    [ (v. 2 +to²,-to ²)² + 4<Ь^, ² ]to₂

£₃ =£_r (1 + ₽• k_to COS to! t ) + ^

i =1

to^to     ¹         :    °r , ^{to 2} 7i ^v i     ¹

j ⁺

Методика исследований заключается в определении компонент поверхностного

импеданса среды над УВЗ по формулам (3) и (4):

^Z 11 = ^Z 22

^“

^ ^ (V^R  V^L),

7 =7

Z 12 Z 21

2 V6 R 6

—(V^R"+V^L),

L

где

£ _R = £ + L = Re ^ , + j Im ^, R 12     R     R

Использовались характеристики экспериментальных данных для реальных месторождений газа и нефти [1]: диэлектрическая проницаемость слоя над породами 3. = 1 - 30 , изменение диапазона проводимостей на отрезке or = 1 - 10 — 5 - 1 См / м ; вариация концентрации ионов и электронов в диапазоне N е =N и = ^{( 10 - 10} ) ^м , с фиксированной частотой столкновения взаимодействующих частиц v = 2 - п - 10 9 рад / с .

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от несущей частоты f2 приведены на рисунке 1 (а – модуль сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

а)

Рисунок 1 – Влияние частоты f ₂ на реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) модуль сопротивления; б) фаза сопротивления 1 - | z _h( f , )|,arg( Z _u( f 2 )) - для s r = 3, p = 1 ; 2 - | Z ₁₂ ( f , )|,arg( Z ₁₂ ( f 2» - для s r = 10, p = 1 ;

б)

Как видно из рисунка 1, существуют частоты резонансов рассматриваемой компоненты Z . Они находятся на отрезке (10 – 400) МГц и с ростом диэлектрической проницаемости наполнителя уменьшаются. Фаза Z скачкообразно увеличивается при частотах (20 – 200) МГц и с ростом диэлектрической проницаемости наполнителя уменьшается. В диапазоне частот10 кГц – 10 МГц фаза стабильна. После 200 МГц она постепенно уменьшается до нуля. Возможно увеличение частоты резонансов более 400 МГц в связи с влиянием концентрации электронов и ионов, зависящей от электрических свойств сред анизотропного характера над углеводородами.

Реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от несущей частоты f2 приведены на рисунке 2 (а - модуль сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

а)

б)

Рисунок 2 - Влияние частоты f ₂ на реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) модуль сопротивления; б) фаза сопротивления 1 - Z _м( f , )|,arg( Z ₂₁ ( f , )) - для s r = 3, в = 1 ; 2 - | Z ₂₂ ( f 2 )|,arg( Z ₂₂ ( f , )) - для s r = 10, 0 = 1 ;

3 - | Z 2з ( f , )|,arg( Z 2з ( f , )) - для s r = 20, p = 1

Figure 2 – The influence of frequency on the real and phase components of the impedance of the profile under study Z : a) resistance module; b) resistance phase

1 - | Z 21 ( f 2 )|,arg( Z 21 ( f , )) - for s r = 3, p = 1 ; 2 - | Z 22 ( f > )|,arg( Z 22 ( f , )) - for s r = 10, p = 1 ;

3 - | Z 2з ( f 2 )|,arg( Z ₂ з ( f 2 )) - for s r = 20, p = 1

Данная компонента имеет другой характер. Проявление резонансов выражено менее контрастно. Частоты (1 МГц – 1 ГГц) связаны с увеличением импеданса исследуемого профиля, оставшийся диапазон частот зондирования незначительно влияет на указанную характеристику. С ростом диэлектрической проницаемости среды над залежью величина максимума поверхностного импеданса уменьшается. Фазовые характеристики на участке (1 МГц – 1 ГГц) подвержены уменьшению поверхностного импеданса и при дальнейшем росте частоты зондирования характеристика меняется незначительно. С ростом диэлектрической проницаемости наполнителя частота уменьшения фазы также уменьшается. Перемещая передатчик и приемник по территории исследуемого профиля, можно получить дополнительную информацию по исследуемому геологическому профилю местности.

Реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от диэлектрической проницаемости наполнителя приведены на рисунке 3 (а – модуль сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

а)                                                 б)

Рисунок 3 – Влияние диэлектрической проницаемости на реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) модуль сопротивления; б) фаза сопротивления

1 - Z u ( 8 r )|, arg( Z _n( 8 r )) - дляf 2 = 10 4 Гц , 0 = 1 ;

2 - | Z 1 ₂ ( 8 r )|,arg( Z 1 ₂ ( 8 r )) - дляf 2 = 10 5 Гц , p = 1 ;

3 - | Z _n( f _t)|,arg( Z ₁₃( f , )) - для f 2 = 10 9 Гц , в = 1

• Figure 3    – The influence of dielectric constant on the real and phase components of the impedance of the profile under study Z : a) resistance modulus; b) resistance phase

1 - | ^ _H( e r )|, arg( Z _H( s _r )) - for f , = 10⁴ Hz , 0 = 1 ;

2 - | Z i ₂ ( e r )|,arg( Z ^e r )) - forf , = 10⁵ Hz , в = 1 ;

3 - | Z 1 ₃( f 2 )|,arg( Z _u( f 2 )) - for f 2 = 10⁹ Hz , в = 1

Реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от диэлектрической проницаемости наполнителя приведены на рисунке 3 (а – модуль сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

а)

Рисунок 4 – Влияние диэлектрической проницаемости на реальные и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) модуль сопротивления; б) фаза

б)

сопротивления

1 - | Z 21 ( ^ .)|,arg( Z 21 ( £ r )) — дляf 2 = 10⁴ Гц , в = 1 ;

2 - | Z₂₂ (s_r )|, arg( Z ₂₂ ( ^ )) - для f = 10⁵ Гц , в = 1 ;

3 - | Z ₂₃ ( ^ )|, arg( Z ₂₃ ( ^ )) - для f = 10⁹ Гц , в = 1

• Figure 4    – The influence of dielectric constant on the real and phase components of the impedance of the profile under study: a) resistance modulus; b) resistance phase

• 1    - | Z 21 ( £ _r )|,arg( Z 21 ( £ r )) - forf 2 = 10⁴ Hz , в = 1 ;

• 2    - | Z 22 ( ^ . )|,arg( Z 22 ( 8 r )) - forf 2 = 10⁵ Hz , в = 1 1;

• 3    - | Z 2₃ ( ^ r )|,arg( Z 2₃ ( £ r )) - forf 2 = 10⁹ Hz , в = 1 1

Закономерности поведения анализируемых характеристик те же, за исключением численных значений.

Мнимые и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от проводимости наполнителя приведены на рисунке 5 (а – мнимая составляющая сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

									2
													3
O'5				< o-4					. O"3				0,01

а)                                                 б)

Рисунок 5 – Влияние проводимости на мнимые и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) мнимая часть; б) фаза сопротивления

• 1    - Im( Z_x fo r )), arg( Z_x ^G r )) - для E r = 3, в = ¹;

• 2 - Im( Z_xl(a_r )),arg( Z_XT(a_r )) - для е_г = 10, в = X

• 3    - Im( Z_X 3 ( G _r )),arg( Z x3 (a_r )) - для E r = 20, в = X

Figure 5 – The influence of conductivity on the imaginary and phase components of the impedance of the profile under study Z : a) imaginary part; b) resistance phase

• i ^{- Im(} Zf ^ r ^)),arg^{( Z} xi⁽ ^ r )) ^- for £ r = ^{3 в} = ¹;

• 2    - Im⁽ Z x2 ( a _r X^a^ Z x2⁽ a _r )) ^- for e _r = ^{X0, в} = ^x

• 3 ^- Im⁽ Z_X 3⁽ G r ^)),arg⁽ Z x3⁽ G _r )) ^- for E r = ^{20, в} = ^x

На модуль Z проводимость среды оказывает влияние при низких значениях диэлектрической проницаемости. Это характерно для диапазона (0.001 – 1) См/м.

Проводимость среды определяется структурой пород, их процентным содержанием, количеством слоев и т.д. На фазу данной компоненты особое влияние оказывает отрезок (0.01 – 1) См/м, когда фаза скачкообразно уменьшается. Рост диэлектрической проницаемости приводит к уменьшению значений точек скачка.

Мнимые и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z от проводимости наполнителя приведены на рисунке 6 (а – мнимая составляющая сопротивления исследуемого профиля, б – фаза сопротивления исследуемого профиля).

Рисунок 6 – Влияние проводимости на мнимые и фазовые составляющие импеданса исследуемого профиля Z : а) мнимая часть; б) фаза сопротивления

1 - Im( Z ^a r )),arg( Z ₂ 1 ( y r )) - для е _г = 3, в = 1

2 - Im( Z 22 (a_r )), arg( Z ₂₂ ( a,. )) - для s . = 10, в = 1

3 - Im( Z ₂₃ ( y r )), arg( Z ₂₃ ( y r )) - для s r = 20, P = 1

Figure 6 – The influence of conductivity on the imaginary and phase components of the impedance of the profile under study Z : a) imaginary part; b) resistance phase

1 - Im⁽ Z 21 ⁽ y r ^)),arg⁽ Z 21 ⁽ y .)) ^- for S r = ³ Д = ¹

2 ^- Im⁽ Z ₂ 2 ( У . )), ^arg^{( Z} ₂ 2 ( У . )) ^- for S r = ^{10, в} = ¹

3 - Im^{( Z} ₂ 3 ⁽ ^ r ^)),arg^{( Z} 23⁽ Q r )) ^- for s _r = 2^0, P = ¹

На модуль Z проводимость среды оказывает большее влияние при низких значениях диэлектрической проницаемости, когда наблюдается точка положительного экстремума. Это характерно для диапазона (0.001 – 1) См/м. На фазу данной компоненты особое влияние оказывает отрезок (0.01 – 1) См/м, когда фаза резко увеличивается. С ростом диэлектрической проницаемости характеристика смещается ниже по оси ординат.

Режим ЧМ сигналов оказывает значительное влияние на поверхностный импеданс и характеризуется рядом аномальных эффектов, которые можно применить для разработки методов электроразведки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования в режиме ЧМ сигналов показали, что:

• –    существуют частоты аномального поведения компоненты Z поверхностного импеданса (10 – 400) МГц, которые с ростом диэлектрической проницаемости наполнителя уменьшаются;

• –    фаза Z поверхностного импеданса скачкообразно увеличивается в диапазоне (20 – 200) МГц и с ростом диэлектрической проницаемости наполнителя уменьшается;

• –    резонансные свойства составляющей поверхностного импеданса Z выражены не так контрастно, для поиска углеводородов можно рекомендовать диапазон несущих частот (1 МГц – 1 ГГц);

• –    фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса Z на участке (1 МГц – 1 ГГц) подвержены уменьшению и с ростом диэлектрической проницаемости наполнителя значение данных частот уменьшается;

• –    на модули Z и Z проводимость среды оказывает влияние при низких значениях диэлектрической проницаемости и это характерно для диапазона (0.001 – 1) См / м.