Особенности распространения радиоимпульсных сигналов в анизотропной среде над углеводородными залежами

Актуальность рассматриваемых в настоящей работе задач заключается в усовершенствовании существующих электромагнитных методов (ЭММ) георазведки и разработке новых методов поиска, идентификации месторождений нефти и газа (углеводородов) на основе анализа электрофизических и электрохимических процессов в анизотропных средах (АС) над залежами углеводородов и отклика данных процессов на воздействие зондирующего сигнала. Аналогия исследуемой среды над залежью нефти и газа с плазмоподобным образованием позволяет использовать для изучения взаимодействия электромагнитных волн (ЭМВ) с УВЗ полученные решения при изучении плазмы и плазмоподобных сред на основе квазигидродинамического подхода с использованием многочастичных электронно-ионных токов и феноменологически заданных частот столкновений [1].

Результаты анализа взаимодействия ЭМВ с УВЗ и его экспериментального исследования представлены во многих работах. В статье [2] выведен тензор диэлектрической проницаемости анизотропной среды над залежью в режиме гармонических сигналов. Обнаружение углеводородов осуществляется по изменению поверхностного импеданса среды над залежами [3]. В работе [4] показано, что система уравнений классической электродинамики при анализе рас- пространения плоской гармонической электромагнитной волны в устройствах радиоэлектроники с однородной анизотропной проводящей рабочей средой должна быть «полной», возможность исключения из рассмотрения дивергентных уравнений является частным случаем и в каждой конкретной ситуации должна быть обоснована. Особенности расчета элементов тензора для частного случая – использования силице-на – показывает, что для каждого конкретного применения вида анизотропной среды возможны свои оригинальные решения [5]. Для обнаружения углеводородов применяются методы элек-трорезонансного зондирования [6]. В работе [7] проведен анализ поверхностного импеданса среды над УВЗ с учетом влияния всех ниже расположенных слоев на верхний слой. Результаты исследования затухания радиоимпульсных сигналов в среде над залежью приведены в работе [8]. Способ поиска УВЗ [9] позволяет обнаруживать месторождения нефти и газа по измерениям величины напряженности электрического поля отраженных радиоимпульсных сигналов на глубинах до 200 м. Исследование процессов распространения ЭМВ вблизи точки перехода диэлектрической проницаемости через нуль связано с аномальным поведением напряженности электрического поля, различными резонансными эффектами и может быть применено для поиска и идентификации УВЗ [10].

Целью настоящей работы является качественное повышение уровня достоверности поиска и идентификации УВЗ при использовании радиоимпульсных сигналов на основе анализа амплитудных и фазовых характеристик комбинационных составляющих компонентов диэлектрической проницаемости среды над углеводородами для ЭМВ с правой и левой круговыми поляризациями, идентификации среды над залежами по характеру и величине суммарной и разностной компонент диэлектрической проницаемости анизотропного слоя. Новизна исследований, приведенных в данной статье заключается в том, что полученные результаты способствуют определению анизотропных сред по определению отличий сигналов двухканальной схемы на основе полученных величин отраженных сигналов.

емость вакуума; E – напряженность электрического поля ЭМВ; H — о — напряженность магнитного поля Земли. Заряд электрона равен элементарному заряду e = 1.6 ■ 10 ^{- 19} Кл.

Найдем плотность полного тока в немагнитной анизотропной среде ( ц r — магнитная проницаемость исследуемой среды не отличается от Ц о)

N j Z = jCM + jnP = i tos0s rE + ^ qiNiУ i,         (4)

i = 1

которая определяется токами в диэлектриче-

1. Взаимодействие АС с УВЗ в режиме радиоимпульсных сигналов

Рассмотрим процесс взаимодействия ЭМВ с

УВЗ в режиме импульсного сигнала вида:

sin ( "-« 0 ^{) T} и

E ( f ) = —^ и -----2----

2     ( to-to g ) T и

sin(to + too)T и

(to + too)T и

где to = 2 п f — частота; to o — несущая частота; т и — длительность радиоимпульса. Положим

—т_{и 1} амплитуду радиоимпульса и = 1.

Выведем тензор диэлектрической проницаемости АС над УВЗ в режиме радиоимпульсных сигналов, представляющий собой матрицу [11]:

ском наполнителе среды с проницаемостью s _т ( s o = 8,85 ■ 10 ^{- 12} Ф ■ м ^{- 1} — диэлектрическая проницаемость вакуума) и включает ток проводимости 5 пр с известной концентрацией электронов N_e .

Расчет компонентов тензоров диэлектрической проницаемости осуществлен на основании экспериментально полученных параметров среды над залежами углеводородов [2]: удельная электрическая проводимость 5 r = 10 ⁵ См/м; концентрация частиц N_e = N u = 10 ¹⁶ м 3 ; частота столкновения частиц v = 2 п ■ 10 9 рад/с. Значение n выбрано равным 5. Диэлектрическая проницаемость среды исследовалась в диапазоне от 1 до 27.

Учитывая, что w_пi – плазменная частота, 5 r — удельная проводимость среды,

да

F = n=-да

sin ( п пГ 1 т ) п nF 1 T

	" S 11	• s 12	S 13 "		[ S 1	- j S 2	0 "
s =	S 21	• s 22	S 23	=	j S 2	• S 1	0	.               (2)
	_S 31	• s 32	S 33 ]		_ 0	0	S 3 ]

Процесс взаимодействия ЭМВ с локальным

T , F ₁, n – период, частота импульса и номер гармоники, Q 1 = 2 п F _, i = 1 для электронов, i = 2 для ионов, w_Гi – гиротропная частота, можно записать:

jX

= i toso Ex

nQi) . 5rF ---11 - i—— w J wSo

включением на трассе распространения радио-

волн можно представить в виде режима наклонного падения плоской волны с вертикальной поляризацией в среде с параметрами S o, Ц о, ^ 0 на безграничную поверхность с анизотропным импедансом. В рамках квазигидродинамическо-го приближения уравнение движения электрона

i w П f    i (w + n Q 1) + v w   [ i (w + n Q 1) + v]2 + w Гч

.w^w^F

+ ^iw S o ^Ey i ^{ni r} i w

—*

jY = itosoEY x

[ i ( w + n Q 1 ) + v ] ² + w ² ri

,

имеет вид:

—

™ d ^У , ,,™—*    г

m — + vm У = qE + q ц0 dt

[У , H H о ] ,

x

w ² пi Fw Гi w

+

где m , q , У — масса, заряд и скорость движения частиц; v — частота столкновений электрона с

+ ^{iw s} o E x

s _rF (1 +

тяжелыми частицами; Ц о — магнитная проница-

nqk . 5rF ----) -i-^- w    wSo

-

Рис. 1. Зависимости Re S l — v ( f ): i — для S r — 3; 2 — для

S r — i7; 3 — для S r — 27

5      6

Частота Гц

9      10

x 104

20 -

15 -

10 -

Re er.

25 -----

Рис. 2. Зависимости Re S r — v ( f ): i — для S r — 3; 2 — для

^S r ^{— i7; 3 - для S} r ^{— 27}

Fi ( w + n Q i ) + v

i wпi w Гi(w + nQi) + vj + wi

x

[^v i ^{2 + w} rt

v i + wn — ( w + n Q i )

— ( w + n Q i ) J + 4( w + n Q i ) v i   (6)

*

^jZ = i ^to 2 ^S 0 E Z

n Q _i s r F (i +--)

w

2 i— п- Fw ri v i x w

— i

w пi F w

5 r F

i ( w + n Q i ) + v   w S o

Координатное разложение электрического поля с учетом писать компоненты тензора проницаемости в виде:

напряженности (5) позволяет за-диэлектрической

x

[^v i ² + ^w 2n ^—

2 I

S 3 =1A f (1 + i = 1 I

x

S r —

w 2 _пi

w + n Q i

n Q

-----^ ) x

w

I + 4( w + n Q i ) ² v i ²

w ( w + n Q _i) ² + v i ²

n Q ¹           w пi

Si — srF I i +--I + / i------- ww y    i—i

x

" 2

i w^F v i w

( w + n Q i ) ² + v i ²

5 F

+ -^— w S o

( w + n Q i ) Г w 'i - ( w + n Q i ) ² - v ² 1 x------------------"----------- 2--------------- "-----

^Гv i + wn — ( w + n Q i ) J + 4( w + n Q i ) v i

Представляет интерес анализ частотных характеристик комбинационных составляющих

— iF

w ²

— v i w

( w + n Q i ) + v i + wn

S r ( to ) — S i + = 2 — Re S r + j Im S r — — Re S r + j Arg S r ,

S l ( to ) — S i — S 2 — Re S l + j Im S l — — Re S l + j Im S l .

[^v i ² + wn^i ^{— (} w + n

+ 4( w + n Q i ) ² v ²

2. Результаты исследований

5F + w S o

2 II w 2

^S 2 ^— S i   '" w ^x

w i =i

Проведен частотный анализ амплитудных характеристик (вещественные части выражений (7)), представленных на рис. 1, 2 и фазовых характеристик (мнимые части выражений (7)), показанных на рис. 3.

Во всем исследуемом диапазоне частот свойственны отрицательные значения разностной

Arg el. рад

Рис. 3. Зависимости Arg s l = ^ ( f ): 1 — для ⁶ r = 3; 2 — для s _r = 17; 3 — для s _r = 27

Рис. 4. Зависимости Re s r = v ( f ): 1 — для s _r = 2; 2 — для s _r = 3; 3 — для s _r = 4

компоненты Re s _L . При увеличении диэлектрической проницаемости среды амплитудная характеристика стремится к нулю. Компонента Re s r имеет положительную величину на всем отрезке частот и противоположный характер по сравнению с комбинационной составляющей Re s l . Влияние диэлектрической проницаемости среды наиболее ощутимо на низких частотах зондирующих сигналов. Вариация частоты радиоимпульсных сигналов позволит повысить информативность методов поиска углеводородов.

Фазовые характеристики комбинационных составляющих тензоров диэлектрической проницаемости среды над УВЗ для правой и левой круговых поляризаций не несут информационной значимости. Различия характеристик не существенны при вариации параметров зондирующих сигналов.

Был проведен анализ идентификации сред с диэлектрическими проницаемостями s _r = 2, 3, 4 (рис. 4). Установлено, что применение радиоимпульсных сигналов с данными параметрами дает возможность различения данных сред.

Двухканальная схема определения комбинационных составляющих ЭМВ в режимах с правой и левой круговыми поляризациями позволяет повысить производительность методов электроразведки, поскольку полученные результаты дают возможность выделения АС на фоне других сред.

Заключение

В результате исследований следует отметить: – проведенный анализ взаимодействия импульсных сигналов со средой над УВЗ показал, что в компонентах тензоров диэлектрической проницаемости появляются дополнительные составляющие, зависящие от параметров сигналов. Все это приводит к расширению функциональных зависимостей компонентов тензоров от режимов зондирования, что позволяет повысить точность разрабатываемых методов поиска УВЗ;

– исследования могут быть применены для определения характеристик среды над залежью при распространении ЭМВ с правой и левой круговыми поляризациями, что повышает информативность методов оконтуривания и выделения УВЗ;

– рассчитанные зависимости амплитудных характеристик комбинационных составляющих тензора при изменении диэлектрической проницаемости среды могут быть использованы для идентификации УВЗ.