Исследование процессов электромагнитного импульсного зондирования слоистых нефтенасыщенных пород и мерзлых грунтов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Музалевский Константин Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ НЕФТЕНАСЫЩЕКНЫХ ПОРОД И МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск - 2008

Работа выполнена на кафедре «Радиофизики и волнового зондирования» ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» и в лаборатории «Радиофизики дистанционного зондирования» Института физики им. Киренского Л.В. СО РАН.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Комаров С.А. (АлтГУ, г. Барнаул)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Черемисин А.А. (СФУ, г. Красноярск)

доктор физико-математических наук, профессор Архтгкин В.Г. (ИФ СО РАН, г. Красноярск)

Ведущая организация:

Томский государственный университет

Защита состоится: « » 2008 г. в часов на заседании

Диссертационного Совета Д 003.055.01 при Институте физики им. Л.В. Киренского по адресу: г. Красноярск, Академгородок, 50, строение 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики им. Л.В. Киренского по адресу: 660036 г. Красноярск, Академгородок, 50, строение 38.

Автореферат разослан « » февраля 2008 г.

Ученый секретарь

Втюрин А.Н.

т

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Электромагнитные методы зондирования являются эффективным инструментом полунения информации о приповерхностных слоях земных покровов (0-2 м) и находящихся в них локализованных объектах При этом для достижения пространственного разрешения широкое применение нашли сверхширокополосные импульсные сигналы Преимуществами сверхширокополосной (СШП) радиолокации является высокая разрешающая способность вследствие короткой длительности импульса и увеличение информативности рассеянного объектами сигнала благодаря большой ширины спектра

В настоящее время разработаны приборы подповерхностного зондирования — георадары, с чувствительностью порядка 100 мкВ, использующие импульсы различной формы, длительностью Юле-10не и амплитудой 10 51 кВ В качестве излучающих и принимающих элементов обычно используются широкополосные дипольные антенны с полосой пропускания от 0,35 до 2,5 ГГц и коэффициентом стоячей волны не хуже 2,0

Вместе с тем природные среды, благодаря частотной дисперсии их диэлектрической проницаемости, представляют собой частотные фильтры для электромагнитных волн Вследствие зависимости от частоты фазовой и групповой скоростей гармоник, а также их затухания в веществе, происходят изменение в фазовых и амплитудных соотношениях между спектральными компонентами, что приводит к изменению результата их интерференции -импульсный сигнал изменяет свою форму

Несмотря на интенсивное развитие сверхширокополосной радиолокации, одной из проблем является обработка и интерпретация отраженных сигналов в неоднородных диспергирующих средах, поскольку их спектр существенно искажается при распространении Кроме того, уровень принимаемого сигнала весьма мал и может восприниматься широкополосным приемником как шум

Для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования нефтегазовых скважин, приповерхностных слоев грунтов является актуальным исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в неоднородных средах с частотной дисперсией

В связи с этим создание математических моделей, описывающих электромагнитные импульсные процессы в природных полидисперсных неоднородных средах, обладающих частотной дисперсией, позволит при обработке сигналов априори учитывать влияния, вносимые средой и локализованными объектами

Состояние исследований. Существующие исследования направлены на анализ формы и оценки энергетических потерь при распространении импульсов, прогнозирование предела разрешающей способности и глубинности

обнаружения целей в различных модельных средах На основе численно-аналитических методов (метод интегральных уравнений, конечных элементов, конечных разностей, дискретных источников и др) в существующей литературе моделируется подповерхностное возбуждение короткими импульсами однородных полупространств с локализованными объектами

Вместе с тем в настоящее время недостаточно исследованы явления распространения, излучения, дифракции широкополосных импульсов, прогнозирование предела разрешающей способности и глубинности обнаружения целей в сложных полидисперсных, пространственно неоднородных средах с произвольной частотной дисперсией диэлектрической проницаемости

Цель диссертационной работы. Целью работы является численно-аналитическое исследование процессов распространения, излучения и рассеяния на локализованных ооьекгах СШП электромагнитных импульсов в слоисто-неоднородных средах, обладающих частотной дисперсией диэлектрической проницаемости

На^ащиту выносятся следующие положения

1 Полученное в работе обобщение метода дискрешых источников на случай слоисто-неоднородных, частотно-дисперсных, поглощающих сред в сочетании с использованием спектроскопической рефракционной модели комплексной диэлектрической проницаемости смеси позволяет проводить анализ процессов распространения и рассеяния широкополосных электромагнитных импульсов наносекундной длительности в средах флюидопасыщен-ных пород нефтегазового коллектора и активного слоя вечной мерзлоты

2 Вариации коэффициентов затухания спектральных компонент в частотно-дисперсной среде приводят к уменьшению среднего значения погонного затухания энергии в нефтеносном слое толщиной до 2,5 м с 61,6±2,4 дБ/м до 48,1 ±2,7 дБ/м, когда длительность зондирующего импульса возрастает с 0,3 не до 3,0 не, что определяет предельную дальность зондирования границы между нефтеносным и водоносным слоями в 1,5-2,0 м при динамическом диапазоне современных георадаров в 120 дБ

3 Процесс распространения наносекундного импульса длительностью 0,3 и 3,0 не при зондировании границы между нефтеносным и водоносным слоями на расстояниях от 0,2 м до 1,5 м сопровождается низкочастотной фильтрацией спектра зондирующего импульса и уменьшением погонного затухания энергии импульса в среднем в 2,5 и 1,7 раз, однако возникающее при этом уменьшение ширины спектра импульса в 8 и 2 раза приводит в итоге к уменьшению пространственного разрешения границы, определяемого по времени задержки зондирующего импульса, с 0,01 и 0,03 м до 0,49 и 1,4 м

4 Объединение обобщенного метода дискретных источников и спектроскопической модели комплексной диэлектрической проницаемости Смеси, которая учитывает процессы диэлектрической релаксации в незамерзшей почвенной влаге, позволяет анализировать процессы подповерхностного зон-

дирования объектов в условиях замерзания и оттаивания активного слоя вечной мерзлоты, в частности, определять предельные глубины зондирования в зависимости от сезона года и учитывать маскирующее и искажающее влияние границы между мерзлым и талым слоями

Достоверность результатов работы обеспечивается:

а) полученные аналитические выражения удовлетворяют уравнениям Максвелла, граничным условиям, условию излучения на бесконечности,

б) совпадением результатов расчетов в частных случаях с данными известными в литературе и полученных другими методами,

в) контролем точности вычислений

Научная новизна и практическая значимость

Развито применение метода дискретных источников для решения импульсных задач дифракции на импедансных цилиндрах и возбуждения импульсов тонким линейным вибратором Рассмотрение производится в произвольной плоскослоистой среде с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости

Впервые проведено численное моделирование процессов отражения и рассеяния СШП - импульсного сигнала от приповерхностного слоя почвы зоны вечной мерзлоты, содержащего заглубленный локализованный объект Комплексная диэлектрическая проницаемость грунта рассчитывалась на основе рефракционной модели и реальных данных о его физических свойствах (профили температуры, объемного содержания влаги, песка и глины, величины проводимости)

Впервые проведено численное моделирование распространения широкополосных импульсов, излучаемых линейным вибратором в нефтесодержа-щей среде в присутствии водонефтяного контакта Для описания среды использованы реальные данные о содержании различных компонент в области нефтяного коллектора (объемные доли песка, бентонита, водною раствора соли, нефти и метана)

Впервые получены численные оценки затухания потока энергии электромагнитных импульсов наносекундной (3 не) и пикосекундной (0,3 не) длительности, распространяющихся в реальной нефтенасыщенной среде коллектора и отраженных от границы водонефтяного контакта

Результаты диссертационной работы могут быть использованы

для:

а) изучения распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде нефтяного коллектора при создании фундаментальных основ принципиально новых технологий сверхширокополосного зондирования нефтегазовых скважин,

б) проведения оценок энергетического потенциала и пространственной точности обнаружения водонефтяного контакта в среде нефтегазового коллектора,

в) создания баз данных импульсных откликов, отраженных подповерхностными объектами при вариациях профилей температур и влажностей почвы, что необходимо для обработки данных георадарного зондирования в зоне вечной мерзлоты

Связь с плановыми работами. Работа была выполнена в рамках программы Президиума РАН «Изучение процессов в земной коре и ее структуры для прогноза природных опасных явлений с использованием геофизических методов и бурения» проект «Разработка моделей и алгоритмов аэрокосмического радарного и радиометрического зондирования активного слоя вечной мерзлоты» 2004-2005гг, междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН «Исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования в нефтегазовых скважинах» 2006-2008 гг, программы РАН «Радиофизические методы диагностики окружающей среды» базовый научный проект СО РАН «Диэлектрическая спектроскопия природных сред в радиоволновом диапазоне частот» 20072009 гг, поддержана грантом РФФИ+ККФН №07-05-96804-р_енисей_а «Исследование наноимпульсных методов электрофизической разведки природного органического сырья» 2007-2008 г

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XXXI Научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов ( г Барнаул, 2004), III Всероссийской открытой конференции, «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г Москва, 2005), Международной научно-практической конференции, «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (г Новосибирск, 2005), Конкурс-конференция молодых ученых Красноярского научного центра СО РАН, (г Красноярск, 2006), XXV и XXVII Международных симпозиумах IGARSS'05 (Korea, Seoul, 2005) и IGARSS'07 (Spain, Barcelona, 2007)

Публикации по теме диссертации. Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати в 10 работах, в том числе, в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК (2), препринтах (1), прочих журналах (1), трудах конференций (3), тезисах конференций (3)

Личный вклад автора Совместно с научным руководителем работы обсуждены и определены направления исследований Автором диссертации проведено построение решений, написаны программы, реализующие алгоритмы расчетов Приведенные в диссертации численные результаты получены и проанализированы соискателем самостоятельно Автор выражает глубокую благодарность академику М И Эпову за постановку проблемы и члену-

корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук, профессору Миронову В JT за постоянное внимание и помощь в работе по данной теме

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы Работа содержит 150 - страниц, 50 - рисунков, 4 - таблицы, 1 - приложение Список литературы - 160 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследования, приведены защищаемые положения, достоверность, научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе проводится аналитический обзор литературных источников, посвященных математическим методам решения внешних краевых электромагнитных задач в диэлектрических средах, рассмотрены существующие модели для расчета комплексной диэлектрической проницаемости гетерогенных сред

Для моделирования электромагнитных процессов в задачах георадарного зондирования применяют широкий класс математических методов Методами интегральных уравнений, конечных разностей, конечных элементов в литературе проводится моделирование подповерхностного возбуждения короткими импульсами однородных полупространств с локализованным объектом В роли среды выступают диэлектрики с омической проводимостью, диспергирующие среды с релаксацией Дебая, Лорентца Локализованный объект может быть диэлектрическим, идеально проводящим либо импедансным Источником поля обычно выступает нить с импульсным током, линейные и плоские вибраторы

К недостаткам данных методов относится искусственное ограничение области счёта, ошибки связанные с дискретизацией области счёта, большая размерность получаемой системы линейных уравнений и сложность представления ее матричных элементов

Для моделирования задач излучения и дифракции широкое распространение находит также метод дискретных источников (МДИ) В литературе доказана полнота системы фундаментальных решений уравнений Максвелла данным методом для двумерных и трехмерных граничных задач с гладкими телами, показана взаимосвязь МДИ с аналитическим продолжением полей внутрь рассеивателя Предложен алгоритм аналитического продолжения поля внутрь рассеивателя для локализации сингулярности дифрагированного поля, на основе которого возможно решение обратных задач электродинамики Изучена область сходимости метода, которая определяется геометрическим множеством точек расположения особенностей, создающих данное поле, оп-

ределено местоположение особенностей волнового поля для ряда конкретных рассеивателей В рассмотренной литературе показана значительная вычислительная эффективность МДИ в сравнении с методом интегрального уравнения Отсутствует необходимость в дискретизации и ограничении области расчета, уменьшается кратность интегралов в элементах матрицы уравнений, введение фиктивных источников избавляет задачу от сингулярностей при расчете токов на физической поверхности В связи с этим целесообразно использовать именно МДИ для моделирования дифракции на структурах, помещенных в сложные (неоднородные и диспергирующие) среды

При моделировании электромагнитных процессов георадарного импульсного зондировании почв, фунтов, нефтенасыщенных пород, необходимо опираться на адекватную модель комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) среды В литературе нет принятой модели для описания диэлектрических свойств почв, представляющих собой многофазную полидисперсную систему, состоящую из твердой фазы — минеральных частиц, глины, песка, бентонита, жидкой - почвенный раствор, содержащий соли, газообразной - почвенный воздух Модели диэлектрических проницаемостей выведены в предположениях, когда частицам смеси приписана правильная форма (сфера, эллипсоида) и принята система сложения частиц (кубическая, тетраэдри-ческая) В гетерогенных системах матричного типа характерной является общая фаза-матрица, в которую вкраплены несвязанные между собой частицы, составляющие вторую фазу К матричным системам относят модели Максвелла-Вагнера, Ландау-Лившица, Де Лура Различают статистические гетерогенные системы, представляющие собой смесь разграниченных между собой, геометрически подобных фаз Почвогрунты, нефтеносные породы могут быть рассмотрены как класс таких систем К статистическим системам относят модели Винера, Клаузиуса-Мосотти-Лорентца-Лоренца, Одолевкого, степенные (Брауна, Лоэнга) Большое число моделей не позволяет описать полный состав полидисперсных смесей, кроме того могут приводить к значительным расхождениям с экспериментальными данными В литературе показано, что для описания диэлектрических свойств влажных засоленных поч-вогрунтов при отрицательных и положительных температурах лучше всего интерпретирует экспериментальные данные рефракционная модель, где для расчёта частотной зависимости диэлектрической проницаемости почвенного раствора применяются формулы Дебая

В литературе на данный момент не существует модели, описывающей диэлектрические свойства нефтенасыщенных пород, однако разработаны методы интерпретации экспериментальных диэлектрических спектров смесей в широком частотном диапазоне с использованием комплекса диэлектрических характеристик (время релаксации, статическая, высокочастотная диэлектрическая проницаемость) На основании проведенного обзора можно заключить следующее

а) наблюдается возросшее внимание к численному моделированию задач широкополосного электромагнитного зондирования природных сред,

б) в литературе показаны вычислительные преимущества метода дискретных источников при решении внешних краевых электромагнитных, стационарных задач,

в) нет результатов по моделированию распространения СШП импульсов в реалистичных полидисперсных, неоднородных средах (нефтенасыщен-ное околоскважинное пространство, активный слой зоны вечной мерзлоты) с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости

Вторая глава посвящена решению задачи импульсного возбуждения нитевидным током двумерных импедансных объектов, помещенных в диспергирующую плоскослоистую среду методом дискретных источников Геометрия задачи представлена на рис 1. В плоскослоистой среде с комплексной диэлектрической проницаемостью е(~) сосредоточено Р импедансных цилиндров с гладкой произвольной образующей Гр центр которых совпадает с точкой Ор, р-1,. ,Р Введем декартову систему координат, ось г которой перпендикулярна плоским границам среды, начало координат совмещено с точкой О! Через точку 5к=(хь 2к) параллельно оси оу проходит нить электрического или магнитного импульсного тока, аналитически его объемная плотность задаётся в виде дельта-функции Дирака Поле, рассеянное цилиндрами в Рис 1 Геометрия задачи

исследуемой области, строится в виде суперпозиции полей элементарных нитевидных источников, расположенных внутри каждого тела на вспомогательном контуре Ур=Кр Гр с коэффициентом подобия 0<Кр <1 и излучающих в окружающую среду Поле элементарных нитевидных источников отыскивается путем построения функции Грина для точечного источника, расположенного в плоскослоистой среде Интегральная форма решения представляет собой суперпозицию по пространственному и временному спектрам плоских волн Подынтегральные функции содержат коэффициенты отражения Френеля от плоских границ между отдельными слоями, которые находятся численно методом инвариантного погружения. Для определения амплитуд токов фиктивных источников из граничных условий Леонтовича на образующих

ец ^ 7.

Ф-) К

гу А, VI *

)

4(2) А. К

Ь. к г/ \ V" о„ Л

цилиндров Гр в точках коллокаций получена система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ). Для решения переопределенной СЛАУ использовался рк метод, позволяющий получить псевдорешение, минимизирующее функционал задачи к минимуму. Контроль точности решения осуществлялся на основе критерия невязки граничных условий.

Выводы второй главы послужили основой для формулировки защищаемого положения 1 и 4.

Третья глава посвящена решению задачи импульсного возбуждения линейного вибратора, помещенного в диспергирующую плоскослоистую нефтенасыщенную породу, методом дискретных источников. Геометрия задачи представлена рис.2. В декартовой системе координат ось г перпендикулярна плоским границам слоистого нефтяного коллектора. Начало координат

находится на нижней границе нефтеносного слоя 0<г<ъц (водонефтяной контакт (ВНК) коллектора). В нефте-насыщенном слое размещены тонкие цилиндрические антенны радиуса а, длиной Ь на высоте О над границей ВНК. В точке (¿-=0, у= 0, г=£>), совпадающей с центром диполя, активная антенна возбуждается синусоидальным импульсом тока длительностью Т. Пассивный вибратор отнесен параллельно по координате у на расстояние АЬ.

Отправной точкой в построе--нии метода служит интегральное уравнение Халлена, решение которого строиться, основываясь на идее о дискретных источниках. Принимается физическая модель полого цилиндрического тонкого проводника, в которой ток на поверхности вибратора определяется суперпозицией токов вспомогательных дискретных источников: электрических диполей ориентированных вдоль ех, имеющих длину Дх и расположенных на оси проводника. Аналогично двумерному случаю, поле источников отыскивается путем построения функции Грина для точечного диполя, расположенного в слоисто-неоднородной среде. Интегральная форма решения задачи строится в виде суперпозиции волн электрического (Е) и магнитного (Н) типов и представляет собой суперпозицию по пространственному и временному спектрам плоских волн. Подынтегральные функции содержат коэффициенты отражения

Рис. 2. Слоистая структура в зоне нефтяного коллектора

Френеля от плоских границ между отдельными слоями, которые находятся численно методом инвариантного погружения.

Для определения амплитуд токов фиктивных источников получим СЛАУ, удовлетворяя граничным условиям на поверхности идеально проводящих вибраторов в точках коллокаций Ьр. Расположение точек коллокаций выберем таким образом, что на каждый элемент тока приходится по одному сечению расположения точек коллокаций, проведенному по краям элемента тока. В поперечном сечении будем размещать 4 точки коллокаций. Для решения переопределенной СЛАУ как и в двумерном случае используем метод. На основании третьей главы сформулирован первый пункт защищаемого положения.

Четвёртая глава посвящена получению численных результатов моделирования электромагнитных процессов импульсного зондирования на основе подхода, развитого в предыдущих главах.

Импульсное возбуждение активного слоя в зоне вечной мерзлоты. В средних географических широтах формируется сезонно мёрзлый почвенный слой. В активном слое грунта температура и влажность имеет вариативный сезонный профиль, что влияет на характер взаимодействия электромагнитного радиоизлучения с толщей грунта. Результаты экспериментальных измерений профилей влажности и температуры в процессе оттаивания/замерзания приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Профиль температур активного слоя вечной мерзлоты в области Franklin Bluffs, Alaska:

1 — лето, 2 - весна,

3 - полиномиальная регрессия: с

профиль 1 - Г=4,9-54.4 х+165,3 х2- ° 270,2 х1+209,7 х4-6 I,6 х5, профиль 2 - 7=-8,7-53.7 х+286,1 х2-820,5 х'+1340,7 х4-123 7,9 х5+ 595,1 х6-113,9 х7, х-глубина

-12

■ 1

а 2

---3

■ -А- -А- -А- А----Ar- ■

0.0 0,2 0,4 0,6 0.< Глубина, м

1,0

Для описания КДП грунта в зоне вечной мерзлоты в работе принята модифицированная рефракционная модель, обобщенная для описания экспериментальных данных по измерению КДП засоленных грунтов при отрицательных и положительных температурах с учетом связанной воды. Результаты расчётов КДП соответствующих двум профилям (рис. 3, 4) представлены на рис. 5.

0,30

0,45

Рис. 4. Профиль влажности активно- 0,40 го слоя вечной мерзлоты в области Franklin Bluffs, Alaska: 0,35

1 - лето, 2 - весна, 3 - полиномиальная регрессия: профиль I - WMja=0,43+ 0,02-х+ J

0,03-^-3,52*45,72oc4-2,58*5, 0,25

профиль 2 - WIiraa=0,25-l,69-x+ Q 2Q

7,68*41,10^ х-глубина 015

0,10 0,

■ 1

* 2

---3

4 A

\

^ ^ I

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Глубина, M

Рис. 5. Профиль диэлектрической проницаемости г', мнимой чати КДП е" активного слоя вечной мерзлоты в области Franklin Bluffs, Alaska.

1 - Частотаf= 2 ГГц, 2 - Частота /"=10 ГГц, проводимость о=0,09 См/м

Рассмотрим возбуждение цилиндрической волной мёрзлого фунта с сезонными профилями КДП, изображенными на рис. 5. Источником волны выступает электрическая нить, на которую подается широкополосный импульс тока. Амплитуда электрического тока в нити выбрана равной 1,0 А. Форма импульсов задавалась в виде оконной функции Вксктеп-НагпБ, длительность импульсов Г определялась на уровне 0,1. Данные численного моделирования отраженных импульсов длительностью Тр =1,5 не, Тр=0,1 не и Тр =0,3 не представлено на рис. 6, 7.

0,2

0.1

£

Й 0.0

-0,1

-0,2

ил

---2

.....3

£ В

-о 1

ш 0

' I

'• и

• и > I

•I л

ЧГ

Ч: Ч:

л ■

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5.5 6,0 5,5 1 не

8 10 12 14 16 18 20 22 24 1, не

Рис. 6. Отраженное поле вблизи активного слоя вечной мерзлоты. Профиль «лето», число разбиений в алгоритме инвариантного погружения N,^,=160. Длительность импульсов: 1 -7=0,3 не, 2 - Т=0,7 не, 3 - Г=1,5 не. Источник и приёмник локализованы в воздушной среде на высоте 0,2 м над грунтом и разнесены между собой на 1,0 м. 0,3

-1

.....2

---3

б

0,2

2

а„ 0,1

0,0

-0,1

-0,2

I

Рис. 7. Отраженное поле вблизи активного слоя вечной мерзлоты. Профиль «зима». Длительность импульсов: 1 - Г=03 "с, 2 - 74),7 не, 3-7Н,5 не.

14

16

18

20

1, не

Рассмотрим возбуждение сферической волной мёрзлого грунта, содержащего локализованный цилиндр с диэлектрической проницаемостью ец=27,0 и проводимостью ац=0,8 См/м. Цилиндр погружен на глубину 1,5 м, излучающая нить с током и точка приёма расположена аналогично вышеописанному случаю результаты расчетов изображены на рис. 8, 9. Более короткий импульс обладая большей разрешающей способностью затухает в почве (которая является фильтром нижних частот), сильнее, в отличии от более продолжительного импульса (см. рис. 6, 7).

В летний период, оттаявшая мерзлота является эффективным экраном маскирующим локализованный объект, помещенный под слой в зимний же период влага связывается в лёд обладающий большей прозрачностью в диапазоне СВЧ, что позволяет обнаруживать подповерхностные объекты на больших глубинах.

м, м м, м

Рис. 8. Профиль КДП «зима». Рис. 9. ПпоЛиль КЛП «лето».

Временные диафаммы отраженного поля, возбуждаемого импульсной нитью тока мёрзлого грунта с погруженным цилиндром. Длительностью импульса 1,5 не.

Распространение сверхширокополосных электромагнитных импульсов в средах флюидонасыщепиого слоистого коллектора. Представим среду в области горизонтальной нефтяной скважины в виде плоскослоистой структуры (глинистая покрышка, газовая шапка, нефтенасыщенный слой, водоносный слой). Диэлектрические свойства плоскослоистой среды в области коллектора определяются составом горных пород и входящих в них флюидов - газа, нефти, водных растворов солей. Объёмное содержание каждой компоненты в смеси указан в таблице. Комплексная диэлектрическая проницаемость в каждом из слоев определялась на основе рефракционной модели диэлектрической проницаемости для дисперсных смесей. Предположим, что флюидонасьпценная часть среды представлена песчаниками. Диэлектрическая проницаемость в' и фактор потерь е" для сухого песчаника были оценены по рефракционной формуле и составила е' = 3,22; е"=0,00. Ойенка комплексной диэлектрической проницаемости бентонитовой глины (е'= 2,5; е"=0,00) проводилась с использованием литературных данных. Расчёт КДП водного раствора хлористого натрия проводился на основе формулы Дебая для электролитов. Для расчета КДП нефти были использованы экспериментальные спектры КДП, которые апроксимировались моделью Дебая со следующими релаксационными параметрами: т5=0,6 не; ею=1,1; е50=2,7.

На основе исходных данных о составе смесей в слоях (см. таблицу) для каждого из слоёв коллектора были найдены частотные зависимости € и г" при температуре 40°С.

Таблица. Объёмное содержание компонент в смеси

Слой W растоора Wбентонита W '' песчаника Wнефти wMemam 8,г/л

глинистая покрышка 0,03 0,97 0,00 0,00 0,00 17,0

газовая шапка 0,045 0,00 0,85 0,00 0,105 17,0

нефтенасыщенный 0,06 0,00 0,85 0,09 0,00 17,0

водо-носный 0,15 0,00 0,85 0,00 0,00 17,0

Результаты расчетов представлены на рис. 10. Видно, что контраст по в' между глинистой покрышкой, газовой шапкой и нефтенасыщенной областью незначителен, тогда как на ВНК е' увеличивается примерно в 1,5-2 раза. Для понимания процессов затухания и искажения формы импульсов рассмотрено возбуждение импульсом Дирака сред коллектора. Характерной особенностью отклика среды является уменьшение крутизны переднего фронта и возникновение экспоненциального следа импульса. В среде без омической проводимости, с учетом лишь релаксации КДП, след практически исчезает. Кроме того, за счет проводимости максимум импульса по мере распространения оказывается сдвинутым на некоторое время относительно максимума импульса в среде без омической проводимости.

102

аЮ1

10

10'

в ю

ю7

ю'

10"

/. Гц /. ГЦ

Рис. 10. Спектр е', г".

1 - скважина; 2 - нефтенасыщенный слой; 3 - водонасыщенный слой;

4 - газовая шапка; 5 - р-линистая покрышка

Однородная нефтеносная среда. Рассмотрим возбуждение однород-

ной нефтесодержащей среды дипольными антеннами двух длин ¿!=0,12.'И,

L2-0,06m, радиусов а-0,002 м. На зажимы активного вибратора подается широкополосный импульс напряжения амплитудой F0=10,0 В. Форма импульсов задавалась в виде оконной функции Blackmen-Harris, длительностью

Т1=0,5 нс, Т1=0,1 не. Формы импульсов тока на зажимах вибратора представлены на рис.11.

50

3-25

-50

-75

0,4

0,2

< 0,0

-0,2

-.0,4

I < I 1 I I

| I

- -2

| I I I

I I

I 1

I <

I I

II

10

0,0

1,0 ^ нс

1.5

2,0

Рис. 11. Форма импульсов тока: ! -Т=3,0 нс, 2 -Т=0,3 нс

Результаты численного моделирования распространения импульсов длительностью Т=3,0 нс, и Т — 0,3 нс. представлены на рис. 12. 1,5 г

Г, НС

15

20

25 30 Г, нс

35

Рис.12. Форма импульса длительности 7=3,0 с при прохождении в однородной нефтенасыщенной среде расстояния Д£: а) 0,2 м, б) 0,6 м, в) 1,2 м, г) 1,6 м, д) 2,0.«, е) 2,4 л/, ё) 2,8 м, нормирующий множитель а)4,7; 6)0,7; в)0,06; г)0,015

Нормированные кривые построены для продольной составляющей электрического поля Ех и характеризуют изменение формы импульса и его спектра при различных трассах распространения АЬ. Для оценки затухания энергии импульсов рассмотрим полный поток энергии импульса через единичную площадку. Данная характеристика, нормированная на полный поток энергии импульса, прошедшего 0,2 м в однородной нефтеносной среде, представлена в логарифмическом масштабе на рис.13

-40

. «5

а

^-60

-80

-100

-120 I— 0,0

NN \\ оск

□ 1 о 2 ---3

"Ъ.

-а.

Рис.13. Нормированный поток энергии импульсов в зависимости от пройденного расстояния ДЬ. Импульсы длительностью'.

1 -Т=3,0 не, линии регрессии

За) Р= (7,4±2,9)-(48, \±2,1)-АЬ, 36 )Р= -(27,2±3,1)-(27,9±1,2)Д£,

2 - Т=0,3 не, линии регрессии

За) />=(9,4±2,6)-(61,6±2,4) М, 36 ) Р= -(49,9±5,5) -(25,6±2,7)-Аг,

0,5 1,0

1,5 2,0 ДЬ, м

2,5

3.0

Как видно (см. рис. 13), импульсы затухают с расстоянием по экспоненциальному закону. При этом на некотором расстоянии Ь наблюдается изменение коэффициента затухания, что выражается в изменении наклона прямых регрессии. Кроме того можно заметить, что более короткий импульс 0,3 не затухает сильней на 13 дБ/.м по сравнению с импульсом 3,0 нс, т.к. спектр последнего сосредоточен в более низкочастотной области, где затухание меньше.

Отражение импульсов от водонефтяного контакта. Рассмотрим распространение импульсов в полу бесконечной нефтеносной среде, имеющей границу с водонасыщенным полупространством. Пусть излучающий диполь и точка приема располагаются на высоте О над водонефтяным контактом. Результаты расчета для продольной компоненты электрического поля представлены на рис. 14, 15.

1,0

0.5

0,0

0.5

Рис.14. Форма отраженного от ВНК импульса длительности Г =3,0 не в точке приема на расстоянии £>(£-,ф) от границы:

а) 0,2(0,45) а/, 6) 0,6(1,21)л;, в) 0,8(1,61) л/, г) ш 1,0(2,00) л/, д) 1,2(2,41) л«, нормирующий множитель а) 1,3; 6)0,06; в)0,014; г)0,004; д) 0,001 Л 0

-1,5

I 1 I I ( I

12

16 и не

20

-----г

-----д

28

Рис.15. Форма отраженного от ВНК реального импульса длительности 7=0,3 не в точке приема на расстоянии D(L^) от границы:

а) 0,2(0,45) м, б) 0,4(0,82) м, а)

0,6( 1,22) м, г) 0.8(1,61) лг, д) 0,9( 1,8 ! ) м,

е) 1,0(2,0)7«,

нормирующий множитель

а)0,61; 6)0,045; в)0,003; 04,7-10^; д)

1,7-10"4

1.0

0,5

'-0,5

И

I

s ii ¡i ii.'l ii!i

¡¡¡".V 'f-

----г

-----Д

10 12 14 16 18 20 22 î, не

Рассчитаем полный поток энергии импульса отраженного от границы ВНК длительностей 0,3 не, 3,0 не и произведем нормировку поля на энергию опорного импульса, распространяющегося от антенны к приемнику в однородной нефтеносной среде на расстояние 0,2 м, как показано на рис. 16.

Рис.16. Полный по времени поток энергии импульсов, отраженных от ВНК в зависимости от пройденного эффективного расстояния в сравнении с данными рис.13 для двух длительностей. 1,2-однородная нефтеносная среда рис.14. 3,4-среда с границей ВНК. Длительности импульсов:

3 -Т=3,0 не,

линии регрессии: 5а)/>=-(7,7±2,1)-(47,6± 1,9) 56) />=-(33,9±1,8)-(30,7*0,8) Ц„

4 -Т=0,3 не,

линии регрсссии:5а)Р=-(5,4±2,8)-

(63,7*2,9)^, 56) /3=-(54,9±4,2)-(29,4*2,3)1^,,

-20

-60

-100

-120 — 0,0

-Р

а,4

■ 1

• 2

о 3 о 4

■ - - 5

SL

Y

9 ^

!

4

0,4 0,8

1,2 L

1,6 2,0 2,4

В присутствии фаницы ВНК полный поток энергии отраженных импульсов в среднем на 15 дБ меньше, чем при прямолинейном распространении в однородной нефтеносной среде (см. рис. 13, 16). В связи с тем, что коэффициент отражения можно рассматривать как фильтр нижних частот, при отражении от границы водонефтяного контакта импульс испытывает подавление высокочастотных составляющих. Выводы четвёртой главы послужили основой для формулировки защищаемого положения 2 и 3.

В заключении изложены основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Развито применение метода дискретных источников для решения задач возбуждения широкополосных волновых пакетов тонким линейным вибратором в плоскослоистой частотно-дисперсной поглощающей среде и дифракции волновых пакетов на присутствующих в среде импедансных объектах

2 Разработана модель комплексной диэлектрической проницаемости смесей, содержащих солевые растворы и нефть, на основе которой рассчитаны амплитудно-частотные характеристики различных сред, составляющих слои нефтегазового коллектора Показано, что каждый из слоев имеет свойства низкочастотного фильтра с частотами среза 1) водонасыщенный слой 7гЛ5=14,2 МГц, 2) нефтенасыщенный слой Уо 5=93,6 МГц, 3) слой-газовая шапка Уо,5= 188,7 МГц, 4) слой-глинистая покрышка/0>5=632,2 МГц

3 Показано, что вследствие низкочастотной фильтрации спектров исходных волновых пакетов, обладающих различным частотным наполнением, и вариаций коэффициентов затухания спектральных компонент, погонное поглощение энергии импульса уменьшается по мере распространения волнового пакета Установлено, что коэффициент погонного затухания энергии в нефтеносном слое толщиной до 2,5 м уменьшается с 61,6±2,4 дЫм до 48,1±2,7 дБ/м, когда длительность зондирующего импульса возрастает с 0,3 не до 3,0 не, что определяет предельную дальность зондирования границы между нефтеносным и водоносным слоями в 1,0-1,5 м при динамическом диапазоне современных георадаров в 120 дБ.

4 Установлено, что при зондировании границы между нефтеносным и водоносным слоями на расстояниях от 0,2 м до 1,5 м низкочастотная фильтрация спектра зондирующего импульса длительностью 0,3 не и 3,0 не вызывает уменьшение погонного затухания энергии в 2,5 и 1,7 раз, однако возникающее при этом сужение спектра импульса в 2 раза приводит в итоге к уменьшению пространственного разрешения границы, определяемого по времени задержки зондирующего импульса, с 0,01.« и 0,03 м до 0,49 м и 1,4 м Показано, что полный поток энергии отраженных импульсов от границы ВНК в среднем на 15 дБ меньше, чем при распространении в однородной нефтеносной среде

5 Показана принципиальная возможность регистрации наносекундных электромагнитных импульсов во флюидонасыщенных слоистых породах нефтегазового коллектора, что открывает новые перспективы для создания принципиально новых технологий каротажа нефтегазовых скважин

6 Разработана методика учета процессов диэлектрической релаксации в незамерзшей почвенной влаге при подповерхностном георадарном зондировании объектов в активном слое вечной мерзлоты в условиях замерзания и оттаивания, определены предельные глубины зондирования в зависимости от

сезона года и изучено маскирующее и искажающее влияние границы между мерзлым и талым слоями на обнаружение зондируемых объектов

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Комаров С А., Музалевский К.В , Импульсное зондирование неоднородной среды //Изветия АлтГУ, 2005 - вып 1 -№ 1 -С 103-105

2 Эпов M И , Миронов В Л, Комаров С А, Музалевский К В Электромагнитное зондирование флюидонасыщенного слоистого коллектора на-носекундными импульсами //Препринт 836Ф, Институт физики им Л В Киренского СО РАН -Красноярск, 2006 - 24 с

3 Эпов M И . Миронов В Л, Комаров С А, Музалевский К В Электромагнитное зондирование флюидонасыщенного слоистого коллектора на-носекундными импульсами //Геология и геофизика, 2007,-т 48- №12-С 1357-1365

4 Комаров С.А , Музалевский К В Метод дискретных источников в

задаче импульсного возбуждения вибратора в слоистой среде// Известия вузов Физика, 2007 - № 10 - С 95 -96

5 Музалевский К В Дифракция электромагнитного импульса на объекте в неоднородной среде/ Музалевский К В //Тридцать первая научная конференция студентов, аспирантов - Барнаул Изд-во АлтГУ, 2004 -С 34-35

6 Mironov V L, Komarov S А , Muzalevskiy К V GPR signal simulations m the course of freeze/thaw process for a permafrost area // Proc IEEE Geosc and Remote Sens Symp, 2005 - Seoul, Korea - vol VII

7 Моделирование подповерхностного радарного зондирования активного слоя вечной мерзлоты/Миронов В Л , Комаров С А, Музалевский К В //Сб тез Всероссийской открытой конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» -Москва, 2005 -14-17 ноября

8 Импульсное электромагнитное возбуждение нефтесодержащей слоистой среды /Музалевский К В //Тез докл на конкурс-конференции молодых ученых Красноярского научного центра СО РАН, март, 2006, г Красноярск

9 Импульсное электромагнитное возбуждение нефтесодержащей слоистой среды/ Миронов В Л , Комаров С А , Музалевский К В //Тез' докл на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» -Новосибирск, 2005 -30 ноября-I декабря

10 Pulse Electromagnetic Sounding of the Petroleum-Containing Layered Medium /EhpovM I, Komarov S A, Mironov V L , Muzalevsky К V //Proc IEEE Geosc and Remote Sens Symp - Barcelona, Spam -2007 - vol VII

Подписано к печати 08.02.2008 г. Формат 60x84/16 Тираж 70 экз., 0,9 усл. печ. л. Заказ №4 Отпечатано на ротапринте ИФ СО РАН 660036, Красноярск, Академгородок