Многочастотный режим взаимодействия электромагнитных волн и анизотропной среды над залежами углеводородов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2009 № 3 (41)

УДК 621.371:550.837.6

МНОГОЧАСТОТНЫЙ РЕЖИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН И АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЫ НАД ЗАЛЕЖАМИ УГЛЕВОДОРОДОВ

Д.В. ГОЛОЛОБОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 17 февраля 2009

Проведены результаты многочастотного режима взаимодействия электромагнитной волны и анизотропной среды, возникающей над залежами углеводородов. Качественная оценка изменений параметров и характеристик отраженных сигналов позволила предложить варианты идентификации углеводородов.

Ключевые слова: многочастотная электромагнитная волна, анизотропная среда, углеводороды, тензор диэлектрической проницаемости.

Введение

Результаты исследований процесса взаимодействия двухтональной электромагнитной волны (ЭМВ) с анизотропной средой (АС), возникающей над залежами углеводородов [1], свидетельствуют о возможности "искусственного" изменения резонансных частот взаимодействия посредством регулирования соотношения амплитуд и частот двух колебаний. В связи с этим следует провести оценку таких возможностей при использовании группы ЭМВ.

Исследование многочастотного режима взаимодействия ЭМВ и АС позволяет проанализировать ряд задач, связанных с:

1) возможностью использования режима при радиокомплексировании методов электромагнитной разведки на углеводороды (УВ), основанных на применении контролируемых и неконтролируемых источников излучения;

2) влиянием излучений действующих станций на результаты измерений электромагнитного поля с применением контролируемых источников;

3) выработкой требований к структуре электродинамических сигналов с дискретным спектром, обеспечивающих максимальную реакцию сигналов при воздействии на АС.

Поясним необходимость такого анализа рядом примеров практических задач.

В современной электромагнитной разведке на УВ активно используется метод радио-компорирования и пеленгации (радиокип), основанный на использовании сигналов работающих удаленных радиостанций в диапазоне частот 5-25 кГц [2]. Вместе с этим методом применяются другие, основанные на формировании электромагнитного поля контролируемыми источниками других диапазонов частот и регистрации аномалий этого поля на границах проекции контура залежи УВ на дневной поверхности. В связи с этим возникает вопрос о возможности использования, с одной стороны, излучений других работающих станций для проведения электромагнитной разведки УВ, и с другой стороны, влияния совокупности излучений на проведение измерений по методам с контролируемыми источниками.

Многочастотное колебание с произвольным дискретным амплитудным спектром позволяет проводить точные оценки трансформации отдельных спектральных составляющих и возможные нелинейные преобразования при взаимодействии с АС. При использовании сигналов конечной длительности с произвольным спектром могут оказаться неэффективными ввиду ма-

лости амплитуд отдельных спектральных составляющих. Например, спектральная характеристика одиночного прямоугольного импульса содержит ряд составляющих с амплитудой, равной нулю (кратные п/х , где т — длительность импульса, п 1. 2. 3...). Если реакция АС на воздействующее колебание будет максимальной на этих частотах, то это не отобразится на отраженном от АС сигнале.

Кроме того, при полигармоническом воздействии на АС возникают интерференционные преобразования ЭМВ, связанные с условиями и особенностями трассы их распространения, суперпозицией отдельных колебаний, влиянием посторонних предметов (объектов) в граничащих средах на процесс взаимодействия АС и ЭМВ и др.

Амплитуда и частота многочастотного сигнала

Рассмотрим процесс взаимодействия ЭМВ с АС в режиме полигармонического сигнала

вида

N

ё(0 = ^ (0 + е, (0 +.....+ еп (0 = £Еп С08(ю„г + ф„),

И=1

где Еп, ©и,фи — амплитуды, частоты и начальные фазы набора N гармонических ЭМВ. Представим суммарный сигнал в виде

е(0 = Д„(0ехр/Р(0 . (1)

Огибающая и полная фаза функции (1) определяется как

4(0 = >/?(0+л?(0, (2)

М)

¥(0 = агс%

е(0

где = п(юи7 + фи) — функция, сопряженная по Гильберту [3]. Тогда (2) с учетом

И=1

фи = 0 можно переписать

'1

N

(IX СО8Юп02 + вИКО,,*)2 ,

п=1 п=1

где с!п= Еп/Ех —коэффициент соотношения амплитуд. Частота колебания определяется как

¿то тт-тт

та(0 = —— = —=-—-• (3)

Ж е2(0 + Л2(0

Воздействие многочастотной ЭМВ на АС

Пусть на границу раздела двух сред, характеризуемых электродинамическими параметрами воздушного пространства — 8П, |Л,П и подстилающей среды — 8г, цп, и, , падает под произвольным углом Э относительно внешней нормали п многотональная ЭМВ с напряженностью поля (рис. 1)

где к, г — комплексное волновое число и пространственная координата. Нижнее полупространство содержит включение, находящееся на удалении z¡, которое создает анизотропные свойства среды на границе раздела (на рисунке контур показан пунктирной линией). Магнитное

поле Земли Н о в общем случае ориентировано в пространстве произвольно относительно нормали п .

Падение ЭМВ на границу раздела сред

Вывод тенора диэлектрической проницаемости (ТДП), описывающего электродинамические свойства среды над залежами УВ, основан на совместном решении уравнения движения частиц и полного тока [1]

путп§ + V тВ - де(7) + д ц0

3,Я0

(4)

м

8 = 8см + б кон = /тпс0су, е{1)+ ^ дДД ,

(5)

7-1

где — масса, заряд и скорость движения частиц; V — частота столкновений частиц;

|л0,Н0 — магнитная проницаемость воздуха и вектор геомагнитного поля; 8См,8Кон — плотности токов смещения и конвекции; 80,8;. — диэлектрические проницаемости воздуха и наполните среды над УВ; N. — концентрация частиц /-го сорта.

Представляя векторные величины (4) проекциями в декартовой системе координат с учетом ее редуцирования относительно проекций магнитного поля

ч

да(ута + у)

О ----Г£ -цЯ9 +и ЯЭ 1

у /■ . ч у г^г х г г^г г х '

т{]ш + у)1- ' л

ч

т{]ш + у)

и //д -и //д

а также уравнение (5) как

м

=7'таБ08 А

/-1

м

/-1

м

/-1

можно показать, что ТДП содержит девять компонентов

8 =

где

е11 812 Б13 81 82 е3

е21 522 823 = —8^ 84 65

Е31 Е32 833 83 — 85 е6

= 811 = 8г -]-

+

Ш8„

П?

1

2 о тт2

V,. +ута + ю тНх

ута уг + уш у,. + ута + (¡¡4 Н2Х + Н

82 812 821

83 813 831

= 1-°

ута + уг + < Н2Х + Н 1

Яг "X 1 "г 2 1 „2

®тНхНг

8 4 822 8 г "7

ута ута + V,. V,. + ута + ю^. Н2Х + Я*

_С + ^О

85 823 832

-

™НгНХ

86 = 833 = 8г "7— + Е-

1 С + «;„//

2

тае

о

ута<та + угО|^ + уш> +

(6)

где 0(, соДг — плазменная и циклотронная частоты.

При этом компоненты (6) содержат интегральные составляющие, которые усложнятся по мере увеличения числа колебаний, участвующих в формировании сложного сигнала.

Качественная оценка частных режимов взаимодействия

1 .Гармонический режим. Соотношение амплитуд с/1 = 1 . частота та = ю1. Когда магнитное поле ориентировано перпендикулярно к границе раздела сред, АС является гиротроп-ной и ТДП содержит пять компонентов 81 = е4, 82 и 86.

2. Двухтональный режим. При воздействии двухчастотной волны выражение (3) упрощается и принимает вид

2

D Ю^ + Г^Й^ + Й^ДЮ^ cosAro12i

1 + Й?2 +2Й?2 cosAco^i

преобразования, которого с учетом малости расстройки Дю12 = со, — 0)2 позволяют показать, что мгновенная частота будет содержать постоянную и переменную составляющие [3]:

(О°(0 = со1+юпер. (7)

Второе слагаемое (7) определяется как

Дю19 л/Аг12 ¿/22+й?2Дю,т совДю,^

, N АЮ19 г ап + а9лю19 cosaco19?

m (0 = —^ 2 .2—^-cos Дсо12/ dt,

2л: ,r„ l + <i9+2<i9 cosAca19/

-л/Аоз12 * + +2й?2 cosAro12/

которое существенно зависит от соотношения амплитуд [4]. Структура ТДП не изменяется, его компоненты оказываются зависимыми от соотношения амплитуд и частот двух колебаний.

3. Трехчастотный режим. В этом случае огибающая суммарного сигнала определяется выражением

Ёт (t) = Л", + dl + d; + ld2 cos Ао)|2/ + 2t/3 cos Дсо13/ + 2d2d3 cos Дсо23/, а полная фаза

sinco^ + dn sincM + <i, sincM

= arctg

cos®J + dn cosaJ + d, coscM'

где Аю13 = |fOj — eo31 и Дю23 =|co2 — о), —взаимные расстройки частот.

Определим мгновенную частоту процесса с использованием гильбертовой функции

Т со, (1 + r\2dl +т13й?2) + й?2Дсо12 cosAco12i+ й?3Дсо13 cosAw13i+ й?2й?3Дсо23 cosAw23i

Ю (0 = -2-2-'

1 + d2 +d3 + 2d2 cos Аюl2t + 2d3 cos Aco13i + 2d2d3 cos Ao23t

здесь r\n = юи/ш1 —коэффициент соотношения частот колебаний.

Таким образом, параметры воздействующего колебания зависят от соотношений амплитуд и частот, расстроек частот, а также поляризаций колебаний, участвующих в формировании суммарного электромагнитного воздействия.

Проанализируем несколько практических примеров использования трехтонального колебания при заданных соотношениях амплитуд и частот, считая поляризацию отдельных колебаний одинаковыми.

1. В основу метода комбинационной частоты [2] положено представление залежи УВ в виде естественного излучающего источника. Пусть колебание естественного источника задано в виде e2 (l) — Е2 cos со2t, а в воздушном пространстве действует два контролируемых источника излучения с соотношением частот Г|3 □ 1 и одинаковыми амплитудами d3 ~ 1 при условии что т]2 D 1 и d2 1. В результате нелинейного преобразования колебаний, около частот (Oj и ю3 появляются комбинационные составляющие 0), + со2 и ю3 ± ю2. Это позволяет зарегистрировать наличие естественного излучения УВ не только на частоте COj, но и в канале с частотой со3.

2. Для выделения залежей УВ по указанному выше методу может быть применен другой подход, заключающийся в применении соотношений Г|3 □ 1, Т]2 < 1 и d2 □ 1, d3> 1.

В этом случае происходит увеличение ширины спектра сигнала с центральной частотой со3,

определяемой частотой собственного излучения залежи — 2 со2.

3. Проведем анализ действия излучения удаленной станции с частотой со2 на излучение источников с частотами ю1 и ю3. Пусть Г|, I 1. с!, . а Г|2 < Г|3 и б/2 < с!,. тогда сторонняя станция будет оказывать максимальное влияние на излучение с частотой ю3.

4. Пусть все амплитуды источников излучения над границей раздела сред не отличаются друг от друга б/, = 1, а частоты находятся в соотношении Г|2 ~ 1 и Г|3 « 1. В этом случае амплитуда суммарного колебания будет определяться фазовыми соотношениями колебаний, зависящими от дистанционного разноса источников излучения в воздушном пространстве.

Результаты и их обсуждение

Моделирование многотонального взаимодействия ЭМВ и АС позволяет провести качественную оценку, связанную с влиянием естественного и внешнего излучений на параметры воздействующей волны при заданном соотношении частот и амплитуд,

При нелинейном преобразовании колебаний возможно увеличение числа информационных каналов, обеспечивающих повышение уровня достоверности при решении задачи различения материальных объектов. Выбор соотношения частот колебаний позволяет идентифицировать объект по изменению ширины спектра отраженного сигнала.

Регулирование дистанционного разноса между источниками излучения позволяет увеличить отклик АС за счет изменения фазовых соотношений между излучениями, обеспечивающими биения колебаний.

Для уточнений характеристик многочастотного колебания, отраженного от АС, следует провести оценку ее поверхностного импеданса в частотной области, определяемого дисперсионным уравнением.

MULTIFREQUENCY MODE OF INTERACTION OF ELECTROMAGNETIC WAVES AND ANISOTROPIC ENVIRONMENT OVER DEPOSITS OF

HYDROCARBONS

D.V. GOLOLOBOV

Abstract

Results of the analysis of a multifrequency mode of interoperability of an electromagnetic wave and the anisotropic environment arising above deposits of hydrocarbons are obtained. Quality standard of variations of parameters and characteristics of the reflected signals has allowed to offer versions of new methods of search and identification of hydrocarbons.

Литература

1. Гололобов Д.В., Малевич И.Ю. // Докл. БГУИР. 2005. № 1. С. 22-27

2. Гололобов Д.В., Катлеров П.М. // Докл. БГУИР. 2004. № 2. С. 117-129.

3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., 1971

4. Гололобов Д.В., Янушкевич В.Ф. // Весщ НАН Беларусь Сер. фiз.-тэхн. навук. 2002. № 1. С. 49-54.