Методы измерения диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги и нефтесодержащих пород тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

004616316 На правах рукописи

Репин Андрей Владимирович

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРОНИЦАЕМОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ И НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ

ПОРОД

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

- 9 ДЕК 2010

Омск - 2010

004616316

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Омский государственный педагогический университет»

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Бобров Павел Петрович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Павлов Владимир Евгеньевич

Ведущая организация:

Отдел физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН, г. Улан-Удэ

Защита диссертации состоится « 20 » декабря 2010 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.005.03 при Алтайском государственном университете по адресу: 656049, Барнаул, пр. Ленина, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного университета.

Автореферат разослан «19» ноября 2010 г.

доктор физико-математических наук, профессор Седалищев Виктор Николаевич

Ученый секретарь диссертационного совета

Д. Д. Рудер

Общая характеристика работы Актуальность исследования.

Информация о диэлектрической проницаемости почв и горных пород и их зависимость от водо- и нефтенасыщенности крайне необходима при космическом дистанционном радиолокационном и радиометрическом зондировании влажных почв, при диэлектрическом каротаже.

Однако имеющиеся в литературе данные о комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) таких сред являются неполными, а в отдельных случаях неправильными.

Основной проблемой в решении таких задач является невысокая точность измерений. В большинстве работ, где приводят данные о КДП водо-и нефтенасыщенных смесей отсутствуют данные о погрешности измерений. В первую очередь это относится к измерениям в диапазоне частот 1100 МГц, где уже плохо работают методы измерения с использованием конденсаторов с сосредоточенными параметрами из-за сильного влияния паразитных элементов и еще плохо работают волноводные методы из-за малой длины образца в сравнении с длиной волны.

Поэтому исследование методов измерения КДП, обеспечивающих низкую погрешность в широком диапазоне частот (от единиц килогерц до единиц гигагерц) является актуальным.

Объектом исследования являются методы измерения КДП в широком частотном диапазоне.

Цель исследования заключалась в создании установки и усовершенствовании методов экспериментального исследования спектров КДП и создании моделей КДП дисперсных сред.

Задачи диссертационного исследования:

1. Разработать лабораторную установку для исследования в диапазоне частот 104-109 Гц и диапазоне температур 20-70°С сред, имеющих широкий диапазон значений действительной части КДП и проводимости. Усовершенствовать методику измерения с целью уменьшения погрешности измерений.

2. Исследовать КДП почв в зависимости от влажности и гранулометрического состава и горных пород в зависимости от водо- и нефтесодержания.

3. Разработать модели КДП почв с учетом найденных различий в диэлектрической проницаемости разных форм почвенной влаги и водо- нефтенасыщенных пород.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационном исследовании, заключается в следующем:

1. Разработан метод измерения КДП в диапазоне частот 0,3-100 МГц с использованием квазистационарной ячейки, для которой при использовании векторного измерителя параметров цепей достигнута минимальная погрешность.

2. Исследованы условия применения данного метода для сред с высокой и очень низкой проводимостью.

3. Найдены условия достижения минимальной погрешности измерения КДП волноводными методами при использовании в качестве измерителя векторного анализатора цепей.

4. Впервые обнаружены различия в диэлектрических характеристиках прочносвязанной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды в почвах. На основе экспериментальных измерений в широком диапазоне частот найдены параметры модели Дебая для этих форм воды в почве й смесях различного гранулометрического состава.

5. Впервые показано, что прочносвязанная вода в почвах не подчиняется модели Дебая. Вследствие межслойной поляризации на границе вода -твердая фаза наблюдается возрастание е' на низких частотах. Найдены параметры модели Коула-Коула для этой воды. Показано, что возрастание е' почв и глинистых смесей на низких частотах обусловлено дисперсией прочносвязанной воды.

6. Определены границы применимости простой рефракционной модели КДП почв, в рамках которой можно пренебречь частотной дисперсией прочносвязанной воды и различием в диэлектрических характеристиках пленочной, капиллярной и гравитационной воды.

7. В результате экспериментальных исследований КДП глинистых неф-те- водосодержащих смесей в диапазоне частот 10 кГц - 4 ГГц найдены две области релаксации, обусловленные межповерхностным взаимодействием компонентов смеси. Создана модель КДП, учитывающая влияние частоты, температуры и водонасыщенности.

Положения, выносимые на защиту

1. Методы измерения КДП с использованием квазистационарных ячеек в диапазоне частот 0,3-100 МГц и коаксиальных ячеек в диапазоне частот 30-4000 МГц, позволяющие получить минимальные погрешности измерений при использовании векторного анализатора цепей.

2. Модель КДП влажных почв, учитывающая различия в частотных зависимостях КДП различных форм почвенной влаги.

3. Модель КДП нефтенасыщенных смесей, учитывающая многочастотную релаксацию.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования разработанных методов и полученных с помощью их результатов для развития алгоритмов дистанционного восстановления гидрофизических характеристик почвогрунтов и повышения точности определения влагосодержания почв, что может найти применение в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии. Результаты исследования флюи-донасьпценных смесей могут быть использованы для совершенствования методов интерпретации данных подповерхностного зондирования пород электромагнитными импульсами и волнового диэлектрического каротажа,

что может найти применение в разведке полезных ископаемых, выявлению мест загрязнения почв нефтепродуктами.

Включенные в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ в рамках следующих ПИР: «Исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования в нефтегазовых скважинах» в 2006-2008 гг.; междисциплинарный интеграционный проект №6 «Теоретические основы принципиально новой технологии зондирования в нефтегазовых скважинах с использованием субнаносекундных электромагнитных импульсов", 20092011 гг. (ИФ СО РАН им. Л. В. Киренского); «Исследование радиофизических характеристик почв, загрязненных промышленными выбросами, в микроволновом и оптическом диапазонах длин волн», 2002-2007 гг., per. № 01.20.00 01819; «Разработка физических основ дистанционных и контактных радиофизических методов оценки гидрофизических характеристик почв», 2007-2012 гг., per. № 0 120. 0 802369, включенных в план Минобразования (ОмГПУ).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и подходов, подтверждается согласием измеренных значений различными методами и приборами, тщательным анализом погрешностей, совпадением ряда экспериментальных данных с данными, полученными другими исследователями.

Апробация работы

Результаты работы по теме диссертации докладывались на следующих конференциях: Всероссийские конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва 2007,2008), Международные научно-практические конференции «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск 2008, 2010), XIV Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Республика Бурятия 2007), XI Международная конференция «Решетневские чтения» (Красноярск 2007), XI Международная конференция «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008)» (Санкт-Петербург 2008), Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (Кемерово 2009), XLVII Международная студенческая конференция "Студент и научно - технический прогресс" (Новосибирск 2009), Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS'09), Moscow, Russia, 2009), Международная научно-практическая конференция «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск 2006), Российская научная конференции «Зоццирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой» (Улан-Удэ 2010), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'10, Honolulu, USA, 2010).

Личный вклад автора. Автор в составе коллектива совместной лаборатории ОмГПУ и Института физики им. JI. В. Киренского СО РАН принимал непосредственное участие в создании и тестировании измерительной установки. Автором самостоятельно выполнен большой объем измерений диэлектрической проницаемости почвенных смесей различного гранулометрического состава и нефте- и водонасыщенных пород. Основная часть расчётов и моделирования была выполнена соискателем самостоятельно.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ и 2 рукописных работы, в их числе 8 статей, 1 препринт, 7 тезисов докладов на конференциях. Из них четыре статьи опубликованы в изданиях, относящихся к перечню ВАК.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 118 наименований. Объём диссертации составляет 149 страниц, включая 60 рисунков и 12 таблиц.

Во Введении обосновывается актуальность работы, дан краткий анализ состояния по изучению проблемы, определяются цель и задачи исследования. Раскрывается научная новизна полученных результатов, формулируются положения, выносимые на защиту, и дается краткий обзор содержания работы.

В первой главе «Электрофизические и гидрофизические свойства почв и почвогрунтов» приводится обзор современных методов измерения диэлектрических параметров сред, а также обзор литературы по физическим, гидрофизическим и электрофизическим свсйлвампочвигрунгоа

В разделе 1.1 проведён обзор современных методов измерения КДП сред в различных частотных диапазонах. На частотах выше 1 МГц обычно применяются векторные анализаторы цепей, обладающие хорошей чувствительностью и малой погрешностью. В качестве измерительных ячеек для измерения КДП почв, чаще всего применяют отрезки коаксиальных линий. Применение датчиков с открытым концом неприемлемо для решения поставленных задач из-за высокой погрешности в диапазоне низких частот. Для измерения КДП сред в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах применяются обычно конденсаторы с плоскими и цилиндрическими обкладками. В качестве измерителей используют измерители импедансов.

В разделе 1.2 рассмотрены физические характеристики почв и грунтов, приведены классификации форм почвенной влаги, принятые в почвоведении и геологии, и описаны гидрологические характеристики почв. В разделе 1.3 приведены данные по диэлектрическим характеристикам почв и пород в дециметровом, метровом и СВЧ диапазонах. Дан обзор современных диэлектрических моделей почв. Показано, что на настоящее время проведено недостаточно исследований по определению

ских параметров в диапазоне частот ниже 1 ГГц. В единичных работах, посвященных этой проблеме, указывается, что в этой области частот наблюдается дисперсия, обусловленная процессами взаимодействия компонентов почвы. В опубликованных работах почти не приводится данных о погрешности измерений. Проведённый в разделе 1.4 обзор работ, посвященных исследованию КДП пород нефтегазовых коллекторов, показал, что на сегодняшний день есть лишь единичные исследования, которые описывают отдельные аспекты этой проблемы. В разделе 1.5 сформулированы задачи исследования на основании проведённого анализа литературных данных.

Во второй главе «Обоснование выбора состава аппаратуры и методика измерений» приведено описание экспериментальной установки и результаты ее тестирования с целью определения условий минимизации погрешностей измерения КДП сред с широким интервалом значений диэлектрической проницаемости и проводимости в диапазоне частот 10 кГц-4 ГГц в интерзале температур 20-65°С.

В разделе 2.1 приведено обоснование выбора в качестве основных приборов векторного анализатора цепей ZVRE фирмы Rohde & Schwarz и измерителя LCR 3532-50 HiTESTER. В разделе 2.2 описана конструкция, способы подключения и методика расчёта КДП среды с использованием измерительной ячейки в виде отрезка коаксиальной линии. Схема подключения коаксиальной ячейки к ZVRE показана на рис.1. Образец 2 в коаксиальной ячейке (рис. 16) размещался между двумя шайбами из фторопласта 1 и 3.

Network analyzer ZVRE

Su

Su

S„-

t- ЖШХ 3 4

-

II

d, „ ..d, .

Коаксиальная ячейка

а ----------------~~ 6

Рисунок 1 - Схема измерения КДП образцов (а) и схематический вид коаксиальной измерительной ячейки (б).

Комплексный коэффициент передачи (параметр определяется из вы-

ражения

М> Z(M) + Za(M)

Zi+Z^MMjM)

z,.

волновое число г-то слоя, г, - КДП j'-го слоя, i = 2, 3 (индекс слоя),

ко - волновое число в вакууме, Z, =Z0f^. Действительная и мнимая

части КДП образца определялись методом оптимизации

В разделе 2.3 описаны конструкции конденсаторных ячеек и схемы их подключения к измерителям ZVRE и LCR 3532-50 HiTESTER. Описана методика определения паразитных параметров.

Эквивалентная схема подключения измерительного конденсатора к ZVRE показана на рис. 2.

До

-и

С,

Рисунок 2 - Эквивалентная схема подключения измерительного конденсатора к входам 2ЛТ1Е (а) и схема его внутренней части (б)

Паразитные элементы учитываются конденсаторами С1=С2=С, индук-тивностями Ьг=Ь2=Ь. Д® - волновое сопротивление входов измерителя (50 Ом). Через 2ЛВ обозначен эквивалентный импеданс внутренней части конденсатора (рис. 26). При измерении комплексного коэффициента передачи Бп он находится из выражения

12

В разделе 2.4 дано описание экспериментальной установки (рис. 3). Приведены результаты тестирования методик, в результате которого показано, что для измерения КДП сред с малыми потерями в коаксиальной ячейке в диапазоне частот 0,1-4 ГГц наименьшую погрешность имеет метод расчёта КДП через измерение комплексного коэффициента передачи 5а. Обнаружено также, что вблизи частоты максимума коэффициента отражения реальная погрешность измерения может несколько превышать расчетную. Устранение ошибок в частотных областях вблизи максимумов отражения может быть достигнуто применением ячеек разной длины. Увеличение длины ячеек до 10-12 см позволяет уменьшить погрешность на частотах менее 100 МГц.

Если модуль коэффициента передачи ячейки с образцом превышает -5 дБ, то в измерительный тракт необходимо включать аттенюатор с затуханием -5-гб дБ, который позволяет перейти в диапазон значений -5-г-50 дБ, при котором приборная погрешность определения параметров минимальна.

2 3 4 5 6

Рисунок 3 - Вид экспериментальной установки: 1 - измеритель 3532-50 ЬСЛ НГГЕвТЕК, 2 - измерительный конденсатор, 3 - электронный регулятор температуры, 4 - термостат, 5 — система из двух последовательно включенных коаксиальных ячеек,

6 - измеритель гУКЕ Применение коаксиальных ячеек на частотах менее 50-60 МГц становится невозможным, так как уменьшение нижней границы рабочего диапазона в несколько раз требует такого же увеличения длины ячейки. При этом на высокочастотном краю диапазона появляется много максимумов отражения, а сама ячейка не помещается в термостат. Поэтому нами для измерения в диапазоне частот 1-70 МГц предложено использовать квазисосредоточенный конденсатор, включаемый в разрыв центрального проводника коаксиальной линии.

Емкость и размеры конденсатора подбираются такими, чтобы в верхней части диапазона удовлетворялось условие квазистационарности и обеспечивалась минимально возможная погрешность измерения во всем диапазоне. Для измерения КДП сред с низкими значениями г' и в" разработана конструкция коаксиального конденсатора с достаточно большой рабочей емкостью и минимальными паразитными параметрами, обеспечивающая проведение измерений на частотах от 0,3 МГц до 75-100 МГц.

Изменение погрешности измерений в рабочем диапазоне зависит от импеданса конденсатора, заполненного образцом. На рис. 4а показаны пределы погрешностей при измерении трансформаторного масла в конденсаторе с воздушной емкостью около 18 пФ. Погрешность измерения е' через 5)2 в диапазоне от 0,3 до 25 МГц составляет 0,4 - 0,6 %. Возрастание погрешности на краях этого диапазона связано с возрастанием модуля выше -5 дБ на верхней частоте и его уменьшением ниже -50 дБ на нижней. Кроме того, на частотах менее 0,3 МГц значительно возрастает приборная погрешность измерителя 2УШ1. Использование конденсатора с воздушной емкостью около 6 пФ позволило сдвинуть верхнюю границу возрастания погрешности до 75 МГц и уменьшить погрешность на часто-

тах 75-100 МГц. При этом погрешность в диапазоне 0,3 - 75 МГц выросла до 0,6 -2% (рис. 46).

е'

2,5 2,4 2,3 2,2 2,1 2,0

♦ 1

---з /

t /

!

/ ч

-- \ ■} -—- — "t.......... "1 1

0,1

10

100

/.МГц

Рисунок 4 - Результаты измерения действительной части КДП трансформаторного масла (а) и толуола (б) в конденсаторе с различными расстояниями между обкладками через 1 - измеренные значения, 2 и 3 - пределы погрешностей

При измерении сред с высокими значениями е' и малыми значениями а для того, чтобы попасть в диапазон минимальной погрешности, нужно применять конденсаторы с меньшей емкостью. В этих случаях мы использовали конструктивно более простые плоские конденсаторы с разньми размерами пластин и различными расстояниями между ними.

При измерении КДП сред с высокими значениями а, когда активная часть импеданса заполненного конденсатора много меньше его реактивной части, наименьшую погрешность обеспечивал метод измерения комплексного коэффициента отражения Бц при реализации на выходе конденсаторной ячейки режима короткого замыкания и подборе размеров конденсатора такими, чтобы его активный импеданс был бы близок к 50 Ом.

Конструкция конденсаторных ячеек позволяет измерять их импеданс на частотах ниже 1-5 МГц с помощью измерителей LCR без смены образца. Нами использовались измерители LCR Е7-20 и 3532-50 HiTESTER.

В разделе 2.5 продемонстрированы результаты определения параметров сред с различными значениями е' и а в диапазоне частот от 10 кГц до 4 ГГц с использованием различных ячеек и различных измерительных приборов с учётом рекомендаций по уменьшению погрешности, приведенных в разделе 2.4. Полученные значения погрешностей приведены в табл.1.

Таким образом, применение двух типов измерительных ячеек и двух приборов ZVRE и 3532-50 HiTESTER позволило получить для сред с невысокими проводимостами погрешность измерения е\ не превышающую

2%, а для сред с более высокими проводимостями (до 0,1 См/м) - не превышающую 6-8 %. В диапазоне частот 1- 100 МГц это меньшие значения, чем приводимые в литературе [1].

Таблица 1. Погрешности измерения е1 и а

Па1 эаметры сред Диапазон частот Погрешности

ё а, См/м Ае/е\ % До, См/м

1-2,4 ю^-кг4 10 кГц-100 МГц 0,4-2 Ю-10- 10"4

ю-Мо-3 100 МГц-4 ГГц 2-5 2-Ю"4-5-Ю"4

10,4 10^-3-КГ4 10 кГц-100 МГц 1-1,5 КГ'-ФКГ4

З-М^-Ю"2 100 МГц-4 ГГц 3-8 4-Ю"4-Ю-2

80 З-Ю'3 1 МГц-100 МГц 1-2 10"4- 10"3

310-3-10-' 100 МГц-4 ГГц 2-6 1-Ю-3-3-Ю-2

В третьей главе «Экспериментальное исследование и моделирование диэлектрических свойств почвенных смесей и почв различного гранулометрического состава» приведены результаты исследования почвенных смесей различного гранулометрического состава в диапазоне частот 0,1-4 ГГц.

В разделе 3.1 приведены результаты исследования КДП двух естественных почв (почва А с содержанием гумуса 6,6% и почва Б с содержанием гумуса 0,6%) и бентонитовой глины. Для этих почв наблюдается дисперсия КДП, причем она проявляется сильнее при увеличении содержания воды.

Измерения КДП влажных образцов с малым шагом изменения влажности показали, что зависимости от влажности IV действительной и мнимой частей комплексного показателя преломления (КПП) образцов и = и + = можно аппроксимировать кусочно-ломаными ли-

ниями. Параметры кусочно-ломаных зависимостей подбирались методом наименьших квадратов. На рис. 5 приведены такие зависимости п0У) и к(Щ для бентонита на двух частотах. Отметим, что изломы на характеристиках к(Щ выражены сильнее, чем на характеристиках п(\¥). Погрешность определения п оценивалась в 1-2,5% на частоте 3 ГГц и 2-4,5% на частоте 0,5 ГГц. Погрешность измерения к составляла 2-4% во всем диапазоне частот.

В рамках рефракционной модели диэлектрической проницаемости влажных смесей [2] постоянство наклона зависимостей п(Ш) и к(\¥) в определенном интервале влажностей можно трактовать как постоянство диэлектрических свойств воды. Поэтому можно сделать вывод о том, что в образцах, содержащих глину, имеются четыре формы воды с разной диэлектрической проницаемостью.

В соответствии с энергетической концепцией физического состояния почв [3] при изменении содержания жидкой фазы термодинамическое

& 1 ♦ 2~ •■•3-

ХР1

. ''А А.'-4 м'

<»т «. л г

1 1

3,5 3 2,5 2

1,5 1

0,5 0

д 1-♦ 2

• - -3"

" * ♦

состояние почв проходит через ряд предельно равновесных или критических состояний. п

7 6

5 4 3 2

1 0

0

0,1

0,2 1W,

0,3 0,4 Wn

0,5 W,3

0,6

0,1

0,2 W„

0,3 0,4 Wt2

W, см3/см3 Wß

Рисунок 5 - Зависимости действительной n и мнимой к частей показателя преломления бентонита на частотах 3,1 ГГц (1) и 0,5 ГГц (2), результаты расчета по модели (3)

Они связаны с изменением соотношений между силами, действующими на воду в почве. Поскольку именно изменение природы и характера сил, действующих на молекулы воды в почве, приводит к изменению наклона зависимостей n(W) и KfW), разумно предположить, что точки перегиба на этих зависимостях близки к почвенным энергетическим константам. Сравнение с энергетическими характеристиками почвенной влаги близких по типу почв, описанных в литературе, показывает, что точка Wtl, близка по своему значению к энергетической почвенной константе "молекулярная абсорбционная влагоемкость" (MAB). Следующие порции воды слабо связаны с поверхностью почвенных частиц и образуют так называемую пленочную, или рыхлосвязанную влагу. Влажность W,2 соответствует границе перехода от пленочной воды к капиллярной воде. Эта константа называется "максимальной молекулярной влагоемкостью" (ММВ). Следующая точка перегиба - Wt3. Эта влажность близка по своему значению "максимальной капиллярно-сорбционной влагоемкости" (МКСВ), которая, в свою очередь, практически равна гидрологической константе -наименьшей влагоемкости (HB) - максимальному количеству воды, которое может удержать почва капиллярными силами после стекания всей гравитационной воды, т.е. воды при влажности, большей, чем Wl3.

Простая рефракционная модель [2] учитывает наличие только двух типов воды: связанной и свободной. Для описания КДП различных форм воды мы применили более сложную рефракционную модель. В соответствии с этой моделью зависимость показателя преломления образца от его влажности W можно выразить следующим образом:

\п = пл+(щ- 1>Р 1Г <

[п = п,+(п1-1Уп+(п2-1Х^ -Жп) Ж12>Ж >1¥п к = к, + лг,^ Г <(Г„ (2)

АГ = АГ^ + + к 2(№ - > ^ > IV п

где Ид; пи пг, и К], к2 - значения действительной и мнимой частей показателей преломления. Индексы 4 1, и 2 в (1) и (2) относятся к сухой почве и двум формам воды в образцах (прочносвязанной и пленочной), соответственно. При влажности, превышающей IVа, в формулы (1) и (2) нужно аналогичным образом ввести дополнительные члены, содержащие действительные и мнимые части показателей преломления капиллярной и гравитационной воды.

После определения действительной и мнимой частей показателей преломления на каждой из 8-12 выбранных частот находились действительная и мнимая части КДП форм почвенной влаги:

= 2 -к",2и = (3)

где / = 1,2,3,4. Частотные зависимости КДП прочносвязанной воды могут быть представлены в виде модели Коула-Коула для проводящих жидкостей:

е = е + *«'-*-_+ ' (4)

1 + \]шт , } сое г

где ¿.— КДП различных форм почвенной влаги: ¡= 1 при \¥<\Уц, ¿ = 2 при

1¥,£'1¥>1У,! и т. д.; е0; и г- статические диэлектрические проницаемости и времена релаксации, ех = 4,9 - высокочастотная диэлектрическая проницаемость, со -циклическая частота, а — коэффициент распределения времен релаксации, ег = 8.854-10"12Ф/м - диэлектрическая постоянная, а, -ионная удельная проводимость. Частотная зависимость других форм воды удовлетворительно описывается моделью Дебая (при аг = 0 в формуле (4)).

На рис. 6 приведены графики зависимостей ё и е" для разных форм воды в бентоните. Погрешность определения ё составляет 2-5%, а е" - 13%. Видно, что прочносвязанная вода имеет значения ё, меньшие, чем у свободной воды, лишь на частотах выше 0,5 ГГц и в отличие от других форм имеет сильную дисперсию. Основной причиной возрастания & прочносвязанной воды является межслойная поляризация. У других форм воды дисперсия в низкочастотной области практически не проявляется, так как молекулы находятся на большем расстоянии от поверхности почвенных частиц, чем молекулы прочносвязанной воды. Также можно сделать вывод о том, что простая рефракционная модель, в которой учитывается наличие только двух типов воды и не учитывается низкочастотная дисперсия связанной воды, не применима для частот ниже 0,5-1,5 ГГц.

20

0

о

2

3

4

О

1

2 з / ГГц

а

б

Рисунок 6 - Зависимости действительной е' (в) и мнимой е" (б) частей КДП для прочносвязанной (1), пленочной (2), капиллярной (3) и гравитационной (4) форм влаги в бентонитовой глине, 5 ~ расчет по моделям

Пленочная вода имеет значения ё меньшие, чем у свободной воды, и мало изменяющиеся в диапазоне частот 0,1-4 ГГц. Уменьшение диэлектрической проницаемости обусловлено как слабой связью с молекулами прочносвязанной воды, так и с тем, что часть пленочной воды заполняет стыки между почвенными частицами и имеет границу вода-воздух в виде мениска с отрицательной кривизной. В этом случае лалласово давление уменьшает плотность воды и, соответственно, диэлектрическую проницаемость.

Диэлектрическая проницаемость капиллярной и гравитационной форм влаги несколько выше, чем у свободной воды, что, возможно, обусловлено положительной кривизной поверхности воды.

У почвы А значения действительной части КДП капиллярной и гравитационной форм воды достигают величин 120-200. Точнее их определить не удается из-за небольшого количества этих форм воды в данной почве и большой погрешности определения наклонов показателя преломления. Такие большие значения связаны с наличием мелких пор в веществе гумуса, часть которого обладает гидрофобными свойствами, и в которых вода находится в мелкокапельной форме с положительными радиусами кривизны поверхности.

В разделе 3.2 приведены результаты исследования кварцевых порошков из сферических гранул с различными размерами частиц, речного песка и порошка сополимера СТ-10. В этих порошках из-за малой удельной поверхности прочносвязанная вода находится в весьма небольшом количестве. На зависимости п(Щ и к(}¥) для этих образцов можно выделить

лишь две формы воды: пленочную и капиллярную, так как гравитационная вода стекает очень быстро и измерения образцов, содержащих гравитационную воду, нами не проводились. Как и в почвах, значения диэлектрической проницаемости у капиллярной воды, больше, чем у пленочной воды. У порошка СТ-10 из-за сильно выраженных гидрофобных свойств вода при малых ее количествах находится не в пленочной, а мелкокапельной форме, поэтому значения г'этой воды, больше, чем у воды при большей влажности.

В разделе 3.3 приведены результаты исследования искусственных почвенных смесей из кварцевых гранул с размерами 15-36 мкм, 40-70 мкм и 100-200 мкм и бентонитовой глины в соотношении (по массе) 70/30 и 50/50.

Измерение диэлектрических характеристик и моделирование подтвердили наличие нескольких форм воды и в этих образцах. При увеличении количества глины в смеси дисперсия КДП становится сильнее. Значения действительной и мнимой частей для каждой формы воды в этих смесях имеют тот же порядок, что и для естественных почв (кроме почвы А).

Раздел 3.4 посвящен анализу параметров моделей Коула-Коула и Де-бая для различных типов воды. Значения действительной и мнимой частей КПП находились с помощью формул (1,2), затем, используя формулы (3,4), находились параметры моделей в частотном диапазоне от 0,1 до 4 ГГц методом наименьших квадратов. В табл. 2 приведены найденные параметры модели Коула-Коула для прочносвязанной воды. Погрешность определения вычислялась с использованием методов Монте-Карло. Проч-носвязанная вода имеет большие значения статической проницаемости е0 и значения времени релаксации г на 3-4 порядка большие, чем у свободной воды. Относительно большие значения коэффициента распределения времен релаксации свидетельствуют о множестве времен релаксации.

Корреляционный анализ показал, что статическая проницаемость этого типа воды е0 в смесях и грунтах, не содержащих гумуса, статистически связана с относительным содержанием глины и частиц размером менее 0,05 мм. По мере увеличения доли глины е0 уменьшается. Проводимость а также статистически связана с относительным содержанием глины и частиц размером менее 0,05 мм. При увеличении доли глины её значения растут.

Значения е0 пленочной воды не обнаруживают корреляционной связи с количеством глины в смеси. Значения т имеют устойчивую корреляционную связь с относительным содержанием глины и частиц размером менее 0,05 мм. При увеличении доли глины значения т увеличиваются. Увеличение количества глины приводит к повышению значений с.

Значения е0 капиллярной воды статистически не связаны с содержанием фракций в смеси. Значения т и а имеют слабую корреляционную связь с относительным содержанием глины, при увеличении доли глины их значения увеличиваются.

Образец So г, с а, См/м а

Кв.гранулы/глина 70/30 (100-220 мкм) 5501±2230 0,27±0,16 0,64±0,01

Кв. гранулы/га ина 70/30 (40-70 мкм) 1835±744 0,34±0Д1 0,66±0,01

Кв.гранулы/глина 70/30 (15-36 мкм) 60&Й45 1,04±0,64 0,81±0,02

Кв.гранулы/глина 50/50 (100-220 мкм) 1239±138 4,89-10"7 1,24±0,12 0,73±0,06

Кв.гранулы/глина 50/50 (40-70 мкм) 852±95 0,б8±0,07 0,51±0,04

Кв.гранулы/глина 50/50 (15-36 мкм) 298±33 2,43*0,24 0,б5±0,05

Бентонитовая глина 3456±372 1,35±0,05 0,53±0,01

Почва А 133±15 1,2 3-Ю"5 0,54±0,05 0,79±0,02

Почва Б 770±86 6^1-Ю"8 2,7±0,67 0,68±0,01

Значения е0 гравитационной воды выше, чем для свободной воды. Времена релаксации определены с большой погрешностью, поэтому проводить какой-либо анализ сложно. Этот тип воды обладает малыми значениями проводимости.

Диэлектрические свойства почвы В, содержащей незначительное количество гумуса, очень близки к свойствам искусственных смесей, содержащих 50% глины, свойства же почвы А сильно отличаются от других образцов, что, скорее всего, связано с физическими процессами, происходящими при взаимодействии гумуса, воды и частиц почвы.

В четвертой главе «Исследование диэлектрических свойств неф-тенасыщенных пород» приведены результаты исследования нефте- во-донасыщенных смесей в диапазоне частот 10 кГц-4 ГГц. В разделе 4.1 приведены данные диэлектрических измерений смесей бентонитовой глины с нефтью и солевым раствором концентрацией 17 г/л при различных температурах. На рис. 7 приведены частотные зависимости действительной части КДП б' и эквивалентной удельной проводимости <тэ = сое" ег

для смесей, содержащих 80% бентонита и 20% насыщающего флюида (нефть и солевой раствор концентрацией 17 г/л) при значениях водона-сыщенносги (объемной доли воды в насыщающем флюиде) 0 и 33,3%.

Измерения производились при температурах 25, 35,45 и 60°С, но данные приведены лишь для крайних значений температуры. Для измеряемых образцов расчетная погрешность определения е' с помощью 2УКЕ составила от 3 % на высокочастотном краю диапазона до 6 % на

частоте 5 МГц. Для образца с большой водонасьцценностью (66,7%) из-за высокой проводимости погрешность на частотах 1+50 МГц возрастала до 25-г-ЗО На этих же рисунках приведены результаты расчетов по модели, описанной ниже. Значения ё и стэ при промежуточных температурах находятся между значениями, соответствующими этим крайним значениям температуры.

10"

ю-

10"

гэ, См/м л Экспер им. при 25 °С при 25 °С им. при 60°С ь при 60°С

ё "-О 2 ° Экспер 1 Модел

: ______ X

__»---в--»--»■--■»•— ,---в---а—ш—а*---л —

л—

2 1

СГЭ

104

106

108

¿Гц

Рисунок 7 - Зависимость от частоты действительной части диэлектрической проницаемости и эквивалентной удельной проводимости смеси, содержащей 80% бентонита при температурах 25 и 60°С, 1 - водонасыщенность 0%; 2 - водонасыщенность 33,3 %

Наблюдается значительное возрастание ё на частотах менее 1 ГГц. Изменяющиеся наклоны частотной зависимости е1 свидетельствуют о наличии нескольких частот релаксации. При возрастании температуры на частотах выше 1 ГГц, где основную роль играет диэлектрическая релаксация молекул воды, ё и эквивалентная удельная проводимость <тэ уменьшаются, а на частотах менее 1 ГГц, где основную роль играет межслойная поляризация, наблюдается возрастание е1 и сг Аналогичные измерения были проведены для водонасыщенности 10% и 66,7%. Установлено, что температурные зависимости г* наиболее сильно выражены при водонасыщенности 33,3%. Диэлектрическая проницаемость наиболее резко возрастает при увеличении водонасыщенности от 10 до 30% (рис. 8) и на низких частотах.

Рисунок 8 - Зависимость * действительной части диэлектрической проницаемости смесиот водонасыщенности ,пря температуре 25°С на разных частотах.

В разделе 4.2 дано.описание модели. Анализ частотных зависимостей КДП ¿т смеси показал, что в высокочастотной области (выше 1 ГГц) экспериментальные данныехорошо-описьгеаются.рефракциошюй моделью:

, . р ............ ...

где Ур - объемная доля р -го компонента смеси, ¿р- комплексная диэлектрическая проницаемость р -го компонента, смесь в рассматриваемом случае включает бентонит, нефть и солевой раствор. КДП бентонита не зависит от частоты,, частотная зависимость КДП солевого раствора определялась по обобщенной на случай проводящих жидкостей релаксационной модели,Дебая. Нефть имеет,с^абуде .зависимость от частоты, которую мы не учишвали, и полагали диэлектрическую проницаемость нефти, констан-трй, равной 2,2. ..................

Возрастание измеренной диэлектрической проницаемости на низких частотах, а также, вид частотной зависимости ¿■' и и3 (см. рис. 7) свидетельствует о наличии, дополнительных релаксационных процерсов с перерывающимися частотными, областями их проявления. Можно предполо-. жить, что общая поляризованность смеси аддитивно складывается из по. ляризованностей, соответствующих кредому. низкочастотному: релаксационному процессу и поляризованности гетерогешюй смеси,, диэлектрическая проницаемость которой, при отсутствии низкочастотной релаксации хорошо описывается формулой (5).. .......

Для лучшего согласования с результатами эксперимента описание низкочастотных процессов релаксации нами производилось эмпирической формулой Коула-Коула (4), учитывающей распределение времен релаксации.

На частотах выше 1 ГГц низкочастотная релаксация практически не проявляется,, поэтому, в формуле (4) высокочастотные диэлектрические константы пршшмались равными нулю ( е^ = О).

Так™ образом; итоговая формула для расчета КДП имеет вид:

¿ = (у_£и_/гТ+7—' (6)

[Ь ¡ [У'"1') '

в которой суммируются два члена, описывающие низкочастотную релаксацию (параметры, описывающие эти области, обозначены индексом г). Следующий член описывает высокочастотную релаксацию, описываемую формулой (5) (диэлектрические проницаемости и объемные доли этих компонент обозначены индексом р). Член, дополняющий мнимую часть КДП, обусловлен удельной проводимостью образца а.

Константы формулы Коула-Коула подбирались путем минимизации невязки с экспериментальными данными вначале методом наименьших квадратов и окончательно минимаксным методом. Задача минимизации решалась многократно при различающихся начальных значениях параметров. После определения параметров модели смеси для разных значений температуры составлялись регрессионные уравнения зависимости параметров модели от температуры, затем вновь решалась задача минимизации невязки с начальными значениями параметров, найденными из регрессионных уравнений. За счет этого удавалось снизить отклонение расчетных данных от экспериментальных, которое составило в среднем по ё 10-12%, и 5-8% - по

Найденное значение времени релаксации в первой (начиная с верхних частот) области релаксации составило (1^3)-10~8 с. Время релаксации возрастает в 1,5-2 раза при повышении температуры от 25 до 60°С и примерно в 1,5 раза при увеличении водонасыщенности от 0 до 66,7%. Вторая область релаксации характеризуется временем релаксации Ю^-Ю'5 с. При возрастании температуры от от 25 до 60°С время релаксации уменьшается в 1,5-2 раза и увеличивается в 3-4 раза при увеличении водонасыщенности в тех же пределах.

Статические диэлектрические константы образцов с разной водона-сыщенностью в первой и второй областях релаксации изменяются с температурой так, как показано на рис.9. Коэффициенты распределения времен релаксации а в первой области имеют значения от 0,4 до 0,7, во второй области - от 0 до 0,6.

В Заключении сформулированы основные результаты работы, сделаны выводы:

Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить диэлектрические измерения КДП сред с широким диапазоном значений действительной части КДП и проводимости в диапазоне частот от 104 до 109 Гц с относительной погрешностью измерения ё от 0,4 до 5% и абсолютной погрешностью измерения а до Ю"10 См/м.

- Усовершенствована методика экспериментальных измерений. Показано, что минимальные значения погрешности при измерении сред в диа-

пазоне частот 0,3-4000 МГц в коаксиальной ячейке и измерительном конденсаторе с помощью векторного анализатора достигаются при использовании для расчета комплексного коэффициента передачи. Найдены условия минимизации погрешностей.

О -I-1-1-1-1-1 1,06+01 -1-1---1-1

20 30 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70

Температура, "С

а б

Рисунок 9 - Температурная зависимость статических диэлектрических констант модели Коула-Коула при различной водонасыщенности образцов; а - первая и б—вторая области релаксации

-Показано, что минимальная погрешность измерения КДП сред с высокими потерями достигается при использовании комплексного коэффициента отражения при реализации на выходе ячейки режима короткого замыкания.

-Создана модель КДП почв, учитывающая различия в диэлектрических характеристиках прочносвязанной, пленочной и капиллярной и гравитационной воды. Определены параметры моделей Коула-Коула и Дебая для этих форм воды, найдены зависимости этих параметров от гранулометрического состава.

-Впервые показано, что прочносвязанная вода в почвах не подчиняется модели Дебая. Продемонстрировано, что возрастание в' почв и глинистых смесей обусловлено именно дисперсией прочносвязанной воды.

-Показано, что рефракционная модель КДП почв, в рамках которой можно пренебречь частотной дисперсией прочносвязанной воды и различием в диэлектрических характеристиках пленочной, капиллярной и гравитационной воды справедлива на частотах выше 0,5-1,5 ГГц.

-На основании экспериментальных исследований глинистых флюидо-насыщенных смесей установлено, что в диапазоне частот 10 кГц-4 ГГц кроме области дебаевской релаксации воды существуют еще две области релаксации, обусловленные межповерхностным взаимодействием компонентов смеси.

-Создана модель КДП глинистых флюидонасыщенных смесей, учитывающая влияние частоты, температуры и водонасыщенности.

Список используемой литературы:

1. Folgero, К. A. Broad-band and high-sensitivity dielectric spectroscopy measurement system for quality determination of low-permittivity fluids //Meas. Sci. Tech-nol. 1995, -N. 6. - P. 995-1008.

2. Комаров C.A., Миронов B.JI. Микроволновое зондирование почв. - Новосибирск: Наука, 2000. - 259 С.

3. Вороний А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв //Почвоведение. - 1990, № 5. - С. 7-19.

Список публикаций:

Статьи в журналах из перечня ВАК.

1. Репин А. В., Бобров П. П., Миронов В. Л., Терентьев С. А. Зависимость диэлектрической проницаемости водно-песчаных смесей от размеров твёрдых частиц, частоты и температуры. //Известия высших учебных заведений. Физика. № 9/2.2008 г, С. 120-123, (авторских - 25%).

2. Epov МЛ., Mironov V.L., Bobrov P.P., Savin I.V. and Repin A.V. Dielectric spectroscopy of oil-bearing rocks at 0.05-1 б GHz // Russian Geology and Geophysics, Volume 50, Issue 5, May 2009, P. 462-466, (авторских - 20%).

3. Эпов М.И., Миронов В.Л., Бобров ГШ., Савин И.В, Репин А.В. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0.05-16 ГГц // Геология и геофизика, Том 50, №5,2009, С. 613-618, (авторских-20%).

4. Бобров П. П., Кондратьева О.В., Репин А. В. Методы измерения диэлектрической проницаемости диэлектриков с высокой и очень низкой проводимостью в диапазоне частот от 103 до 10* Гц //Известия высших учебных заведений. Физика. №9/2. 2010 г, С. 168-169, (авторских - 33%).

Преприиты

5. Эпов М.И., Бобров П.П., Миронов В.Л., Репин А.В. Диэлектрическая проницаемость нефтесодержащих глинистых пород в диапазоне частот 100 Гц-4 ГГц / ЦирягИнашуи физики им. Л. В. Киренского СО РАН № 837Ф, 2009. - 17 с. (авторских - 25%).

Прочие статьи и тезисы докладов.

6. Бобров П.П., Репин А.В. Диэлектрическая релаксация почвенных коллоидов и ее влияние на глубину подповерхностного зондирования / Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона: Материалы международной научно-практической конференции. - Омск: «Издательский дом «Наука»», 2006, С. 148150, (авторских-50%).

7. Bobrov P.P., Repin А. V. Low-frequency of dielectric permeability of moist soils and humus contents influence on it / XIV International Symposium. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics: Abstracts. - Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2007. -P. 212-213, (авторских-50%).

8. Savin, I. V., Mironov, V. L., Repin, A. V., Bobrov, P. P. Studies of the impact of oil pollution in top-soil on its dielectric parameters /Proceed, of XI biternation. Confer. Reshetnevskie Chteniya, Krasnoyarsk, 2007. p. 98, (авторских - 25%).

9. Бобров П.П., Миронов В.Л., Репин А.В., Савин И.В. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в зависимости от частоты и температуры /Пятая Юбилейная Открытая Всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ

РАН, 12-16 ноября 2007 г. Сборник тезисов конференции 2007, С. 205, (авторских -25%).

10. Эпов М. И., Миронов В. Л., Бобров П. П., Савин И. В., Репин А. В. Рефракционная спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости нефте-содержащих пород /Физика диэлектриков (Диэлектрики -2008): Материалы XI Международной конференции, Санкт-Петербург, 3-7 июня 2008 г. Т. 1. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2008. С. 276-278, (авторских - 20%).

11. Бобров П.П., Миронов В.Л., Кондратьева О.В., Репин А.В. Диэлектрические характеристики "свободной" воды как параметра рефракционной модели диэлектрической проницаемости почв / Шестая открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» Москва, ИКИ РАН, 10-14 ноября 2008 г. Сборник тезисов конференции. 2008, С. 241, (авторских - 25%).

12. Бобров П. П., Репин А. В., Кондратьева О.В. Температурные и частотные характеристики диэлектрической проницаемости почвенных смесей / Пятнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных Кемерово-Томск, 26 марта - 2 апреля 2009 г., Сборник тезисов конференции. 2009, С. 219-220, (авторских - 33%).

13. Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Влияние гранулометрического состава почв на диэлектрические характеристики свободной воды./ Материалы XLVII Международной студенческой конференции "Студент и научно - технический прогресс": Физика Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2009. - С. 150, (авторских-33%).

14. Bobrov P.P., Mironov V.L., Kondratieva O.V., Repin A.V. Frequency Dependence of Permittivity of Free and Bound Water in Soils for Different Textures. / Proceedings of "Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS)", Moscow, Russia, on 18-21 August, 2009. On-line publication. Vol 5, №5, P.426-430, (авторских -25%).

15. Миронов В.Л., Бобров П.П., Кондратьева О.В., Репин А.В. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости различных форм почвенной влаги в микроволновом диапазоне //Российская научная конференция «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой», Улан-Удэ, 06.0910.09.2010, Электронный сборник докладов, С. 344-355, (авторских - 25%).

16. Bobrov P.P., Mironov V.L., Kondratieva O.V., Repin A.V The effect of clay and organic matter content on the dielectric permittivity of soils and grounds at the frequency range from 10 MHz to 1 GHz. / Proceedings of the 2010 IEEE International Geos-cience and Remote Sensing Symposium, Honolulu, USA, on 25-30 July, P. 4433-4435, (авторских - 25%).

Научно-технические отчёты:

17. Отчёт по НИР ОмГПУ «Исследование радиофизических характеристик почв, загрязненных промышленными выбросами, в микроволновом и оптическом диапазонах длин волн (заключительный)»: Отчёт по НИР ОмГПУ № гос. регистрации 01.20.00 01819 /Сост. Бобров П.П., Беляева Т.А., Дмитриев В. В., Репин А В., Ященко А.С. и др. - Омск, 2007,111 с.

18. «Исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования в нефтегазовых скважинах»: Отчёт по НИР ИФ СО РАН им. Л. В. Киренского - Красноярск 2008,24 с.

Подписано в печать 15.11.10 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 213

Отпечатано в «Полиграфическом центре КАН» тел. (3812) 24-70-79 644122, г. Омск, ул. Красный Путь, 30 E-mail: pc_kan@mail.ru Лицензия ПЛД № 58-47 от 21.04.97

Введение.

Глава 1. Электрофизические и гидрофизические свойства почв и почвогрунтов.

1.1. Обзор современных методов исследования электрофизических параметров сред.

1.1.1. Неразрушающие методы.

1.1.2. Использование направленных структур.

1.1.3. Измерения диэлектрической проницаемости и проводимости сред на низких частотах.

1.2. Характеристики воды в почвах и породах.

1.2.1. Физические характеристики почв и горных пород.

1.2.2. Классификация форм почвенной влаги.

1.2.3. Поведение воды в почве.

1.2.4. Гидрологические константы.

1.3. Диэлектрические свойства почв.

1.3.1. Диэлектрические свойства почв в СВЧ диапазоне.

1.3.2. Диэлектрические свойства почв в дециметровом и метровом диапазонах.

1.4. Диэлектрические свойства пород нефтегазовых коллекторов.

1.4.1. Диэлектрическая проницаемость насыщенных пород нефтегазового коллектора.

1.4.2. Влияние солености и температуры на электрофизические характеристики пород нефтегазовых коллекторов.

1.5. Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Обоснование выбора состава аппаратуры и методика измерений.

2.1. Обоснование выбора аппаратуры.

2.2. Ячейка в виде отрезка коаксиальной линии.

2.3. Измерительный конденсатор.

2.3.1. Конструкция конденсатора.

2.3.2. Измерение с помощью

2.3.3. Измерение с помощью измерителя ЬСЯ.

2.4. Тестирование измерительного комплекса и минимизация погрешностей измерения.

2.4.1. Коаксиальные ячейки.

2.4.2. Конденсатор, подключаемый к измерителю гУЛЕ.

2.4.3. Измерение с помощью ЬСЫ-метра.

2.4.4. Измерение КДП сред с высокими значениями действительной части ДП и различной удельной проводимостью.

2.5. Сопоставление результатов измерений, полученных разными методами.

Глава 3. Экспериментальное исследование и моделирование диэлектрических свойств почвенных смесей и почв различного гранулометрического состава.

3.1. Диэлектрическая проницаемость прочносвязанной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды в бентоните и глинистых почвах.

3.2. Диэлектрическая проницаемость капиллярной и пленочной воды в увлажненных смесях, не содержащих глину.

3.3. Диэлектрическая проницаемость прочносвязанной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды в смесях кварцевых порошков и бентонитовой глины.

3.4. Зависимость диэлектрических параметров типов почвенной влаги от гранулометрического состава.

Глава 4. Исследование диэлектрических свойств нефтенасыщенных пород

4.1. Состав и физические свойства образцов.

4.2. Моделирование электрофизических характеристик смесей.

Актуальность исследования.

Информация о диэлектрической проницаемости почв и горных пород и её зависимости от водо- и нефтенасыщенности крайне необходима при космическом дистанционном радиолокационном и радиометрическом зондировании влажных почв, а также при диэлектрическом каротаже.

Однако имеющиеся в литературе данные о комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) таких сред являются неполными, а в отдельных случаях неправильными.

Основной проблемой в решении таких задач является невысокая точность измерений. В большинстве работ, где приводятся данные о КДП водо-и нефтенасыщенных смесей отсутствуют данные о погрешности измерений. В первую очередь это относится к измерениям в диапазоне частот 1-100 МГц, где уже плохо работают методы измерения с использованием конденсаторов с сосредоточенными параметрами из-за сильного влияния паразитных элементов, и еще плохо работают волноводные методы из-за малой длины образца в сравнении с длиной волны.

Поэтому исследование методов измерения КДП, обеспечивающих низкую погрешность в широком диапазоне частот (от единиц килогерц до единиц гигагерц), является актуальным.

Объектом исследования являются методы измерения КДП в широком частотном диапазоне.

Цель исследования заключалась в создании установки и усовершенствовании методов экспериментального исследования спектров КДП, и создании моделей КДП дисперсных сред.

Задачи диссертационного исследования: 1. Разработать лабораторную установку для исследования в диапазоне частот 104-109 Гц и диапазоне температур 20-70°С сред, имеющих широкий диапазон значений действительной части КДП и проводимости. Усовершенствовать методику измерения с целью уменьшения погрешности измерений.

2. Исследовать КДП почв в зависимости от влажности и гранулометрического состава и горных пород в зависимости от водо- и нефтесодержания.

3. Разработать модели КДП почв с учетом найденных различий в диэлектрической проницаемости разных форм почвенной влаги и водо- нефтенасы-щенных пород.

Научная новизна результатов« полученных в диссертационном'исследовании, заключается в следующем:

1. Разработан метод измерения КДП' в диапазоне частот 0,3-100 МГц с использованием квазистационарной ячейки, для которой при использовании векторного измерителя параметров цепей достигнута минимальная погрешность.

2. Исследованы условия применения данного метода для сред с высокой и очень низкой проводимостью.

3. Найдены условия достижения минимальной погрешности измерения КДП волноводными методами при использовании в качестве измерителя векторного анализатора цепей.

4. Впервые обнаружены различия в диэлектрических характеристиках прочносвязанной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды в почвах. На основе экспериментальных измерений в широком диапазоне частот найдены параметры модели Дебая для этих форм воды в почве и смесях различного гранулометрического состава.

5. Впервые показано, что прочносвязанная вода в почвах не подчиняется модели Дебая. Вследствие межслойной поляризации на границе вода - твердая фаза наблюдается возрастание е'на низких частотах. Найдены параметры модели Коула-Коула для этой воды. Показано, что возрастание е' почв и глинистых смесей на низких частотах обусловлено дисперсией прочносвязанной воды.

6. Определены границы применимости простой рефракционной модели КДП почв, в рамках которой можно пренебречь частотной дисперсией проч-носвязанной воды и различием в диэлектрических характеристиках пленочной, капиллярной и гравитационной воды.

7. В результате экспериментальных исследований КДП глинистых нефте-водосодержащих смесей в диапазоне частот 10-кГц - 4 ГГц найдены две области релаксации, обусловленные межповерхностным взаимодействием компонентов смеси. Создана модель КДП, учитывающая влияние частоты, температуры и водонасыщенности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы измерения КДП с использованием квазистационарных ячеек в диапазоне частот 0,3-100 МГц, и коаксиальных ячеек в диапазоне частот 304000 МГц, позволяющие получить минимальные погрешности измерений при использовании векторного анализатора цепей.

2. Модель КДП влажных почв, учитывающая различия в частотных зависимостях КДП различных форм почвенной'влаги.

3. Модель КДП нефтенасыщенных смесей, учитывающая многочастотную релаксацию.

Практическая значимость работы заключается в возможности'использования разработанных методов и полученных с помощью их результатов для развития алгоритмов дистанционного восстановления гидрофизических характеристик почвогрунтов и повышения точности определения влагосо-держания почв, что может найти применение в сельском хозяйстве, метеорологии, климатологии. Результаты исследования флюидонасыгценных смесей могут быть использованы для совершенствования методов интерпретации данных подповерхностного зондирования пород электромагнитными импульсами и волнового диэлектрического каротажа, что может найти применение в разведке полезных ископаемых, выявлении мест загрязнения почв нефтепродуктами.

Включенные в диссертацию результаты получены автором при выполнении работ в рамках следующих НИР: «Исследование распространения на-носекундных электромагнитных импульсов в геологической среде для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования в нефтегазовых скважинах» в 2006-2008 гг.; междисциплинарный интеграционный проект №6 «Теоретические основы принципиально новой технологии зондирования в нефтегазовых скважинах с использованием субнаносе-кундных электромагнитных импульсов», 2009-2011 гг. (ИФ СО РАН им. JI. В. Киренского); «Исследование радиофизических характеристик почв, загрязненных промышленными выбросами, в микроволновом и оптическом диапазонах длин волн», 2002-2007 гг., per. № 01.20.00 01819; «Разработка физических основ дистанционных и контактных, радио физических^ методов оценки гидрофизических характеристик почв»,- 2007-2012'гг., per. № 0 120. 0 802369, включенных в план Минобразования (ОмГПУ).

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированных методов и подходов, подтверждается совпадением измеренных значений различными методами и приборами, тщательным анализом погрешностей, совпадением ряда экспериментальных данных с результатами, полученными другими исследователями.

В первой главе «Электрофизические и гидрофизические свойства почв и почвогрунтов» приводится обзор литературы по физическим, гидрофизическим и электрофизическим свойствам почв и грунтов; а также обзор современных методов измерения диэлектрических параметров сред.

В разделе 1.1 проведён обзор современных методов измерения КДП сред с применением векторных анализаторов цепей и различных измерителей ад-митансов (импедансов), обладающих хорошей чувствительностью и малой погрешностью. Проведен анализ основных типов измерительных ячеек.

В разделе 1.2 рассмотрены физические характеристики почв и грунтов, приведены классификации форм почвенной влаги, принятые в геологии и почвоведении, и описаны гидрологические характеристики почв.

В разделе 1.3 приведены данные о диэлектрических характеристиках почв в дециметровом, метровом и СВЧ диапазонах. Дан обзор современных диэлектрических моделей почв.

В разделе 1.4 сделан обзор работ, посвященных исследованию КДП пород нефтегазовых коллекторов. Рассмотрены основные проблемы, которые можно решить при совершенствовании методов дистанционного зондирования в этой области.

В разделе 1.5 сформулированы задачи исследования на основании проведённого анализа литературы.

Вторая глава «Обоснование выбора состава аппаратуры и методика измерений» посвящена созданию и тестированию измерительной установки с целью определения условий для минимизации погрешностей измерения для сред с широким интервалом значений диэлектрической проницаемости и проводимости в диапазоне частот 10 кГц-4 ГГц в интервале температур 20-70°С.

В разделе 2.1 приведено обоснование выбора измерительной аппаратуры и типов измерительных ячеек для решения поставленных задач.

В разделе 2.2 описана конструкция, способы подключении и методика расчёта КДП среды в измерительной ячейке в виде отрезка коаксиальной линии.

В разделе 2.3 описаны конструкции конденсаторных ячеек. Приведены схемы включения и методы расчёта КДП сред для конденсатора, включенного в разрыв коаксиальной линии, с плоскими и цилиндрическими обкладками при подключении к выбранным измерителям. Описана методика определения паразитных параметров при использовании сред с известными параметрами.

В разделе 2.4 дано описание экспериментальной установки. Приведены результаты тестирования методик. Показаны результаты усовершенствования методики измерения, позволяющей минимизировать погрешности.

В разделе 2.5 продемонстрированы результаты определения параметров сред с различными электрофизическими характеристиками в широком диапазоне частот с использованием различных измерительных ячеек и различных приборов с учётом рекомендаций по уменьшению погрешности, описанных в разделе 2.4.

В третьей главе «Исследование диэлектрических свойств почвенных смесей и почв различного гранулометрического состава» приведены результаты исследования естественных почв и искусственных смесей различного гранулометрического состава в диапазоне частот 0,1-4 ГГц.

В разделе 3.1 приведены экспериментальные данные по измерению КДП естественных почв. Показано наличие четырех форм почвенной влаги. Создана модель КДП почвы, учитывающая различия в диэлектрических характеристиках различных форм воды. Приведены параметры моделей Коула-Коула и Дебая для этих типов влаги.

В разделе 3.2 приведены результаты исследования КДП искусственных смесей различного гранулометрического состава, не содержащих глину. Приведены результаты моделирования КДП различных форм воды в этих смесях.

В разделе 3.3 рассмотрены результаты исследования КДП искусственных смесей различного гранулометрического состава, содержащих различное количество глины. Приведены параметры моделей Коула-Коула и Дебая для различных форм воды в зависимости от гранулометрического состава.

В разделе 3.4 проведен анализ параметров моделей Коула-Коула и Дебая для четырех типов воды в зависимости от гранулометрического состава и содержания глины и органического вещества.

В четвертой главе «Исследование диэлектрических свойств нефтена-сыщенных смесей» приведены результаты исследования флюидонасыщен-ных смесей, имитирующих породы нефтегазового коллектора.

В разделе 4.1 приведены характеристики измеряемых смесей и результаты диэлектрических измерений глинистых образцов в зависимости от водо-насыщенности и температуры в частотном диапазоне 10 кГц-4 ГГц.

В разделе 4.2, рассмотрена' созданная «низкочастотная модель глинистой; флюидонасыщенной смесщ учитывающая? влияние частоты, температуры и водонасыщенности. Проведен анализ параметров этой модели в зависимости? от частоты, температуры и водонасыщенности.

В Заключении описаны .основные; результаты, полученные в. работе, и сформулированы выводы. • • , ,

Апробация работы

Результаты работы по теме диссертации, докладывались, на следующих конференциях: Всероссийские конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва. 2007, 2008), Международные научно-практические конфере1Щии «Актуальные проблемы радиофизики» (Томск, 2008, 2010), XIV Международныйs симпозиум- «Оптика атмосферы и;океана.; Физика атмосферы» (Республика Буря тия, 2007), XI Международная .конференция; «Решетневские чтения» (Красноярск, 2007), XI Международная конференция «Физика диэлектриков (Диэлектрики-2008)» (Санкт-Петербург, 2008), Пятнадцатая Всероссийская8; научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (Кемерово, 2009). XLVII Международная .студенческая конференция «Студент и научно - технический прогресс» (Новосибирск, 2009), Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS'09), Moscow, Russia, 2009), Международная научно-практическая-конференция- «Эколого-экономическая эффективность- природопользования на современном этапе развития Западпо-Сибирского региона» (Омск,. 2006), Российская научная конференции «Зондирование земных покровов радарами с синтезированной апертурой» (Улан-Удэ. 2010), International? Geosciencc and Remote Sensing Symposium (IGARSS'lO, Honolulu, USA, 2010).

Публикации.

По теме диссертации: опубликовано 16 печатных работ и 2 рукописных работы, в том числе 8 статей, 1 препринт, 7 .тезисов докладов на. конференциях. Из них; четыре статьи опубликованы, в изданиях, входящих, в; перечень ВАК. .

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 118 наименований. Объём диссертации составляет 149 страниц, включая 60 рисунков и 12 таблиц.

Основные результаты и выводы работы можно кратко сформулировать следующим образом:

• Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить диэлектрические измерения КДП сред с широким диапазоном значений дейст

Л. О вительной части КДП и проводимости в диапазоне частот от 10 до 10 Гц относительной погрешностью измерения £/от 0,4 до 5% и абсолютной погрешностью измерения сгдо 10"9 См/м.

• Усовершенствована методика экспериментальных измерений. Показано, что минимальные значения погрешности при измерении сред в диапазоне частот 0,3-4000 МГц в коаксиальной ячейке и измерительном конденсаторе с помощью векторного анализатора достигаются при использовании для расчета комплексного коэффициента передачи. Найдены условия минимизации погрешностей.

• Показано, что минимальная погрешность измерения КДП сред с высокими потерями достигается при использовании комплексного коэффициента отражения при реализации на выходе ячейки режима короткого замыкания.

• Создана модель КДП почв, учитывающая различия в диэлектрических характеристиках прочносвязанной, пленочной, капиллярной и гравитационной воды. Определены параметры моделей Коула-Коула для этих форм воды, найдены зависимости этих параметров от гранулометрического состава.

• Впервые показано, что прочносвязанная вода в почвах не подчиняется модели Дебая. Продемонстрировано, что возрастание б' почв и глинистых смесей обусловлено именно дисперсией прочносвязанной воды.

• Показано, что рефракционная модель КДП почв, в рамках которой можно пренебречь частотной дисперсией прочносвязанной воды и различием в диэлектрических характеристиках пленочной, капиллярной и гравитационной воды, справедлива на частотах выше 0,5-1,5 ГГц.

• На основании экспериментальных исследований глинистых флюидона-сыщенных смесей установлено, что в диапазоне частот 10 кГц-4 ГГц кроме области дебаевской релаксации воды существуют еще две области релаксации, обусловленные межповерхностным взаимодействием компонентов смеси.

• Создана модель КДП глинистых флюидонасыщенных смесей, учитывающая влияние частоты, температуры и водонасыщенности.

Заключение

1. Публикации автора:

2. Статьи в журналах из перечня ВАК:

3. А1. Репин А. В., Бобров П. П., Миронов В. Л., Терентьев С. А. Зависимость диэлектрической проницаемости водно-песчаных смесей от размеров твёрдых частиц, частоты и температуры. //Известия высших учебных заведений. Физика. №9/2. 2008 г, С. 120-123.

4. А2. Epov M.I., Mironov V.L., Bobrov P.P., Savin I.V. and Repin A.V. Dielectric spectroscopy of oil-bearing rocks at 0.05-16 GHz // Russian Geology and Geophysics, Volume 50, Issue 5, May 2009, P. 462-466

5. A3. Эпов М.И., Миронов В.Л., Бобров П.П., Савин И. В, Репин А.В. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0.05-16 ГГц // Геология и геофизика, Том 50, №5, 2009, С. 613618

6. А5. Эпов М.И., Бобров П.П., Миронов В.Л., Репин А.В. Диэлектрическая проницаемость нефтесодержащих глинистых пород в диапазоне частот 100 Гц 4 ГГц / Препринт Института физики им. Л. В. Киренского СО РАН № 837Ф, 2009. - 17 с.

7. Прочие статьи и тезисы докладов:

8. A8. Savin; li V., Mironov, V. L., Repin, A. V., Bobrov, P. P; Studies of the impact- of oil pollution ia top-soil on its dielectric parameters./ Proceed- of XI Internation. Confer. Reshetnevskie Chteniya, Krasnoyarsk, 2007. p. 98.

9. Abdulla S. A., Mohammed А.-К. A., Al-Rizzo Н. М. The complex dielectric constant of Iraqi soils as a function of water content and texture. //IEEE 1 Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1988. - V.26. - N.6. - P.882-885.

10. BirchakJ. R., Gardner G. G., Hipp J. E., Victor J. M. High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture. //Proceeding IEEE. 1974. -V.62. N.l. - P.93-98:

11. Blackham D. V., Pollard R. D. An improved technique for permittivity measurement using a coaxial probe. //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1997. - V.46. -N.5. - P. 1093-1099.

12. Bobrov P.P., Galeyev O. W. Observed Effects of Soil Humus & Salt Contents on the Microwave Emissivity of Soils. //Proceed, of IGARSS 2000, Honolulu, Hawaii, USA. 2001.

13. Bringhnrst S., Iskander M. F. Open-ended metallized ceramic coaxial probe for high-temperature dielectric properties measurements. //IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 1996. - V.44. - N.6. - P.926-935.

14. Buff P. M., Steer M. В., and Lazzi G. Cole-Cokr dispersion, models for aqueous gelatin-syrup dielectric composites. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2006. - V.44. - N.2. - P.351-355.

15. Burdette E. C., Cain F. L., Seals J. In vivo probe measurement technique for determining dielectric properties at VHF through microwave frequencies. //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980. - V.MTT-28.1. N.4. -P.414-427.

16. Cametti C., Sciortino F., Tartaglia P., Rouch J., Chen S. H. Complex electrical conductivity of water-in-oil microemulsions. //Physical Review Letters. -1995. V.75. - N.3. - P.569-572.

17. Campbell J. E. Dielectric properties and influence of conductivity in soils at one to fifty megahertz. // Soil Science Society of America Journal. 1990.- V.54.-P.332-341.

18. Curtis J. O., Charles A. W. Jr., Everett J. B. Effect of soil composition on complex dielectric properties. /Technical Report EL-95-34. 1995.

19. Curtis J. O. Moist effect on the dielectric properties of soils. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V.39. - N.l. -P.125-128.

20. Dobson M. C., Kouyate F., Ulaby F. T. A reexamination of soil textural effects on microwave emission and backscattering. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1984. - V.GE-22. -N.6. -P.530-535.

21. Flaschke Т., Trankler H.-R. Dielectric soil water content measurements independent of soil properties //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1999. -V.48. -N.l. - P.37-41.

22. Folgero K. A broad-band and high-sensitivity dielectric spectroscopy measurement system for quality determination of low-permittivity fluids. //Measurement Science and Technology. 1995. V.6. - P.995-1008.

23. Folgero K. Bilinear calibration of coaxial transmission/reflection cells for permittivity measurement of low-loss liquids. //Measurement Science and Technology. 1996. V.7. - P.1260-1269.

24. Folgero K. Broad-band dielectric spectroscopy of low-permittivity fluids using one measurement cell. //IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1998. - V.47. -N.4. - P.881-885.

25. Folgero K, Tjomsland T. Permittivity measurement of thin liquid layers using open-ended coaxial probes. //Measurement Science and Technology. 1996. V.7. -P.1164-1173.

26. Hallikainen M. T., Dobson M. C., Ulaby F. T., El-Rayes M. A. Microwave dielectric behavior of wet soil part II: dielectric mixing models. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 1985. - V.GE-23. - N.l. -P.35-45.

27. Hilland J. Simple sensor system for measuring the dielectric properties of saline solutions. //Measurement Science and Technology. 1997. V.8. - P.901-910.

28. Hipp J.E. Soil electromagnetic parameters as function of frequency, foil density, and soil moisture. //Proceedings of the IEEE. 1974. - V.62. - N.l. -P.98-103.

29. Hu Q., Shao Y., Guo H. Microwave Dielectric Behavior of Moist Salt Soil Experimental Observations and Impruved Dielectric Models // Proceedings of the IGARSS'2003.

30. Klein L. A., Swift C. T. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies. //IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1977. - V.AP-25. - N. 1. - P. 104-111.

31. Knight R. J., Nur A. The dielectric constant of sandstones, 60 kHz to 4 MHz. //Geophysics. 1987. - V.52. - N.5. - P.644-654.

32. Knang W., Nelson S. O. Low-frequency dielectric properties of biological tissues: a review with some new insights. //American Society of Agricultural Engineers. 1998. - V.41. N.l. -P.173-184.

33. Levitskaya T. M. and Sternberg B. K. Polarization processes in rocks //Radio Science. 1996. - V.31. - N.4. - P.755-779.

34. Lundien J. R. Terrain analysis by electromagnetic means. /Technical report 3-727, U. S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS, -1971.

35. Nakhkash M., Huang Y., Al-Nuaimy W., and Fang M. T. C. An improved calibration technique for free-space measurement of complex permittivity. // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. - V.39 - N.2. -P.453-455.

36. Newton R. W. Microwave remote sensing and its application to soil moisture detection. / Technical report RSC-81, Texas A&M University, College Station, TX, 1977.

37. Mehran M., Arulanandan K. Low frequency conductivity dispersion in clay-water-electrolyte systems. //Clays and Clay Minerals. 1977. - V.25. - P.39-48.

38. Meshkatoddini M. R. Aging Study and Lifetime Estimation of Transformer Mineral Oil. // American Journal of Engineering and Applied Sciences. 2008. -N.1(4). -P.384-388.

39. Mironov V. L., Bobrov P. P., Ivchenko O. A., Krivaltsevitsh S. V., Jaschenko A. S. Dynamic radiobrightness for drying soils as a function of humus • content. //Proceeding of IGARSS'2005. Seoul, Korea, 2005. V.2. - P.l 127-1130.

40. Mironov V.L., Bobrov P.P., Mandrygina V.N. Bound water spectroscopy for the soils with varying mineralogy. //Proceeding of the IGARSS'04, Anchorage, USA.-2004.

41. Mironov VL., Bobrov P.P. Soil dielectric spectroscopic parameters dependence on humus content. // Proceeding of the IGARSS'03. Toulouse, France, 2003.-V.2. -P.l 106-1108.i

42. Mironov V. L., Dobson M. C., Kaupp V. H, Komarov S. A., V. N. Kleshchenko Generalized refractive mixing dielectric model for moist soils. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing 2004.- V.42.- N.4. - P.773-785.

43. Mironov V. L, Kosolapova L. G, Fomin S. V Physically and miner-alogically based'spectroscopic dielectric model* for moist soils. //IEEE Transactions on Geosciencc and Remote Sensing. 2009. - V.47. - N.7. - P.2059-2070.

44. Mironov V. L, Kosolapova L. G, Fomin S. V Soil dielectric model accounting for contribution of bound water spectra through clay content. //PIERS Onlain. 2008. - V.4. -N.l. -P.31-35.

45. Peplinski N.R., Ulaby F. T., Dobson M. C. Dielectric properties of soils in the 0,3-1,3 GHz range. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1995. - V.33. - N.3. - P. 803-807.

46. Takashima S., Casaleggio A:, Giuliano F., Morando M., Arrigo P., Ridella S. Study of bound water of poly-adenine using high frequency dielectric measurements. //Biophysical Journal. 1986. -V.49. - P. 1003-1008.

47. Sabburg J., Ball J. A. R., Hancock N. H. Dielectric behavior of moist swelling clay soils at microwave frequencies. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1997. - V.35. - N.3. - P. 784-787.

48. Shutko, A. M, Reutov, E. M. Mixture formulas applied in estimation of dielectric and radiative characteristics of soils and grounds at microwave frequencies. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1982. - V.20. -N.l. - P.29-32.

49. Sihvola A. H., Kong J. A. Effective permittivity dielectric mixtures. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing- 1988.- V.26.- N.4. -P.420-429.

50. Sihvola A. H. Self-consistency aspect of dielectric mixing theories. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing- 1989.- V.27.- N.4. -P.403-415.

51. Somaraju R., Trumpf J. Frequency, temperature and salinity variation of the permittivity of sea-water. //IEEE Transactions on Antennas and Propagation.- 2006. V.54. N. 11. - P.3441-3448.

52. Stogryn A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water. //IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1971. - V.19.- P.733-736.

53. Wang J. R., Schmugge T. J. An empirical model for the complex dielectric permittivity of soils as a function of water content. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980. - V.GE-18. -N.4. -P.288-295.

54. Wang J., Schmugge Т., Williams D. Dielectric constants of soils at microwave frequencies -II. /Technical report 1238, National Administration, NASA, -1978.

55. Wobschall D. A theory of the complex dielectric permittivity of soil containing water: the semidisperse model. //IEEE on Geoscience Electronics. -1977. V.GE-15. -N.l. - P.49-57.

56. Алексеева А. А., Солоугин H. Г., Ягудин Г. X. Измерение диэлектриков на СВЧ. М.: ИНИИ «Электроника», 1975. - С. 68.

57. Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. М.: Изд-во стандартов, 1972. - 412 С.

58. Бобров П. II. Микроволновое зондирование почв юга Западной Сибири: Диссертация на соискание учёной степени доктора физ. -мат. наук -Омск, 1999:-337 С:. . . ; . г

59. Бобров 11.П., Миронов В.Л., Ивченко O.A., Красноухова ВН. Спектроскопическая модель диэлектрической проницаемости ' почв, использующая стандартизованные агрофизические показатели. //Исследование Земли;из космоса. 2008; - № Г. - С.Г5-23., '

60. Богородицкий Н.П., Волокобинский Ю.М., Воробьев A.A., Тареев Б.М. Теория диэлектриков.- М*.: Энергия, 1965. 342 С.

61. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Изд-во физ.-мат. лит, 1963. - 404 С.

62. Брылкин Ю.Л., Дубман Л.И. О диэлектрической проницаемости влажных песчаных пород // Тр. СО АН СССР. -Новосибирск: Наука, 1979.-Вып. 442. С. 233-242.

63. Бреховскых В.Л. Волны в слоистых средах. М.: Наука. 1973. — 343 С.

64. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: МГУ. 1986. - 243 С.

65. Воронин А.Д. Энергетическая концепция физического состояния почв. //Почвоведение. 1990. - № 5. - С.7-19.

66. Воропаев В. И., Гаиин С. А., Костромин В. В., Попов М. Ф. Свойства диэлектриков на СВЧ. //Измерительная техника.- 2004. №9. - С. 16-318.

67. Всеволожский В А. Основы гидрогеологии: Учебник. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Изд-во МГУ, 2007. — 448 С, ил. — (Классический университетский учебник).

68. Глобус А.М. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэколо-гических математических моделей. JL: Гидрометеоиздат, 1987. - 427 С.

69. Губкин А. Н. Физика диэлектриков. М.: Высшая школа, 1971. -272 С.

70. Злочевская Р. И. Формы влаги в дисперсных системах. В кн. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. М.: МГУ, 1988. С.68-75.

71. Итенберг С. С. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин: Учебное пособие для вузов. 2-еизданиеб переработанное и дополненное. - М.: Недра, 1987. - 375 С.

72. Качннский H.A. Физика почвы. Часть 2. М.: Высшая школа, 1970. 358 С.

73. Квлквидзе В.PL, Краснушкин A.B., Злочевская Р.И. //Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. Под ред. Е.Д. Щукина. М.: Изд-во МГУ, 1988. - С.48-67.

74. Квливидзе В.И., Краснушкин A.B., Злочевская Р.И. Свойства поверхностных пленок и слоев воды. В кн. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. М.: МГУ, 1988. - С.48-67.

75. Квливидзе В.И. Структура поверхностных пленок и слоев воды. -В кн. Поверхностные пленки воды в дисперсных структурах. М.: МГУ, 1988.- С.32-47.

76. Кобранова В. Н. Петрофизика. Учебник для вузов. — 2-е издание, переработанное и дополненное. -М.: Недра, 1986. 392 С.

77. Комаров С.А., Миронов В.Л., Лукин Ю.И. Исследование диэлектрического спектра комплексной диэлектрической проницаемости влажных почвогрунтов. //Известия высших учебных заведений. Физика. 2006. - Т.49.- № 9. С.29-34.

78. Комаров С.А., Миронов В.Л. Микроволновое зондирование почв. -Новосибирск: Наука, 2000. 259 С.

79. Королёв В. А. Связанная вода в горных породах: новые факты и проблемы. //Соросовский образовательный журнал. 1996. - №9. - С.79- 85.

80. Короновский Н. В., Якушова А. Ф. Основы геологии. М.: Высшая школа, 1991.-416 С.

81. Краппов С. Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, 2004. - 677 С.

82. Легцанский Ю.И., Лебедева Г.Н., Шумилин В.Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунтов в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн. //Известия высших учебных заведений. Радиофизика. -1971. Т. 14. - № 4. - С.562-569.

83. Мандрыгина В. Н. Диэлектрическая проницаемость почв с различным содержанием гумуса и влияние на неё гидрофобных и гидрофильных загрязнителей: Дис. . канд. физ. мат. наук. Омск. 2004. - 165 С.

84. Матвейчук В. Ф., Сибирцев С. И., Карга H. М. Измерения электромагнитных свойств материалов с низкими потерями на СВЧ методом диэлектрического резонатора. //Измерительная техника.- 2004. №8. - С. 30-35.

85. Матей Д.Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1971. - 440 С.

86. Машкович М. Д. Электрические свойства неоднородных диэлектриков в диапазоне СВЧ. М.: Советское Радио, 1969. - 240 С.

87. Мельчимое В.П., Башкуев Ю.Б, Ангархаееа Л.Х., Буянова Д.Г. Электрические свойства криолитозоны востока России в радиодиапазоне. — Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2006. -258 с.

88. Миронов В.Л., Косолапова Л.Г., Фомин C.B. Метод создания спектроскопической базы данных диэлектрических свойств влажных почв в СВЧ-диапазоне. //Известия вузов. Радиофизика. 2007. Т.50. - №4. - С.339-349.

89. Миронов В.Л., Савин И.В. Метод калибровки полоскового резонатора при измерениях комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв и грунтов. //Приборы и техника эксперимента, 2006, №1. С. 128-134.

90. Морозова Е. А. Совершенствование технологии геофизического контроля за выработкой запасов нефти в скважинах со стеклопластиковыми хвостовиками: Автореф. дис. канд. техн. наук. Уфа. 2009. 26 С.

91. Нерпин C.B., Чудновский А.Ф. Энерго- и массообмен в системе растение-почва-воздух. — Л.: Госметеоиздат, 1986.— 361 С.

92. Подковко Н.Ф. Модель комплексной диэлектрической проницаемости почвогрунтов в диапазоне СВЧ. //Вопросы радиоэлектроники. Серия -Общие вопросы радиоэлектроники. 1990. - В.1. - С.73-80.

93. Романов А. Н. Влияние минералогического состава на диэлектрические свойства дисперсных смесей в микроволновом диапазоне. //Радиотехника и электроника. — 2003. Т.48. - №5. — С. 537-544.

94. Спиридонов В.И. Релаксационная модель диэлектрических свойств воды в гетерогенных смесях. //Измерительная техника. 1982. - № 5. - С.68-70.

95. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств. /Под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982, - 328 С.

96. Технология исследования нефтегазовых скважин на основе ВИКИЗ. Методическое руководство. /Ред. Эпов М.И., Антонов Ю.Н. Новосибирск: Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ СО РАН, 2000. 121 С.

97. Усиков С. В. Электрометрия жидкостей. Л., «Химия», 1974. -144 С.

98. Фельдман Ю. Д., Зуев Ю. Ф., Валитов В. М. Временная спектроскопия диэлектриков. //Приборы и техника эксперимента. 1979. - №3. - С.5-20.

99. Финкелъштейн М. И., Мендельсон В. Л., Кутев В. А. Радиолокация слоистых земных покровов. /Под ред. Финкелыптейна М. И. М.: Советское радио, 1977. - 176 С.

100. Челидзе Т.П., Деревянко А.И., Куриленко О.Д. Электрическая , спектроскопия гетерогенных систем. Киев: Изд-во «Наукова думка», 1977. -231 С.

101. Чудинова С.М. Диэлектрические показатели почвы и категории почвенной влаги. // Почвоведение. 2009. - № 4. - С.441-451.

102. Шарков Е. А. Анализ и развитие релаксационных моделей диэлектрических свойств воды для задач дистанционного зондирования. //Исследование Земли из космоса. 1995. - №6. — С. 18-27.

103. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 С.

104. Шутко А. М. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвог-рунтов. -М.: Наука, 1986. 190 С.

105. Щукин Е.Д., Перцов A.B., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Высшая школа, 2006. - 444 С.

106. Эпов М.И., Глинских В.Н. Электромагнитный каротаж: моделирование и инверсия.- Новосибирск: Академическое издательство «Гео», 2005. -100 С.

107. Эпов М.И., Миронов В.Л., Комаров С.А., Музалевский КВ. Электромагнитное зондирование флюидонасьпценного слоистого коллектора на-носекундными импульсами. //Геология и геофизика. 2007. Т.48. - №12. -С.1357-1365.

108. Якубова О.В., Телъпуховский Е.Д., Якубов В.П. Спектроскопия взаимодействия сверхширокополосного излучения со средами нефтегазового коллектора. // Известия высших учебных заведений. Физика. 2008. - №9/2. -С. 98-100.