CC BY
43
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССОВ ГОРНОГО ПРОИЗВОДСТВА
© С.И. Остапчук, 2001
УДК 622-5:658.513 ----------------------
С.И. Остапчук
О ПРИМЕНЕНИИ УКОРОЧЕННЫХ НАСТРАИВАЕМЫХ АНТЕНН В РАДИОВОЛНОВЫХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ
О
собое место в развитии радиоволновых методов исследования массива горных пород занимает совершенствование аппаратурных средств измерения на основе существующих комплексов. Общими решаемыми проблемами остаются: увеличение дальности и точности проводимых измерений, а также уменьшение линейных размеров скважинных зондов.
Разработка аппаратуры радиопросвечивания в настоящее время ведется такими организациями как ООО "НПГФ Радионда LTD", лабораторией "Радиотехнические методы в геофизических исследованиях" научно-исследовательской части Московского технического университета связи и информатики (НИЧ-МТУСИ) и некоторыми другими. Наиболее известна скважинная аппаратура РВМ-6 (разработка Тульского НИИ ГП), аппаратура РПД-2С и РПД-1 (разработка НИЧ-МТУСИ) и модернизированный на базе аппаратуры РВМ-6 комплект РВГИ-2 (разработка ООО "Радионда LTD").
Наиболее важные, решаемые с использованием радиопросвечивания, задачи сегодня это: инженерно-геологические исследования в г. Москве, где объекты отличаются низкими значениями сопротивлений вмещающих пород и высоким уровнем радиотехнических помех; выделение перспективных на алмазы площадей в Якутии, где в целях уменьшения объемов бурения как раз целесообразно увеличение дальности радиопросвечивания; исследование нефтяных месторождений Пермского Прикамья и Урало-Поволжья, где важной задачей является контроль заводнения месторождения в процессе его эксплуатации.
Дальность радиопросвечивания определяется чувствительностью приемного тракта и мощностью излучения передатчика. В данной статье ограничимся рассмотрением влияния на дальность и качество работ только мощности передатчика, а точнее вопросом согласования выходного усилителя мощности передатчика с антенной и размеров скважинного зонда. Для получения максимальной мощности в антенне ее необходимо настроить в резонанс. При этом сила тока в ней при неизменной ЭДС будет максимальной, а чем больше ток, тем больше мощность излучения антенны.
Настройка в резонанс заключается в компенсации реактивного сопротивления антенны. В рассматриваемых условиях на частотах 61-612 кГц, эффективная длина антенны меньше чем Я/4. Так как рабочая волна больше, чем основная резонансная волна антенны, работу такой антенны называют работой с удлинением волны. Реактивное сопротивление антенны носит емкостной характер и для ее настройки необходимо включить на входе антенны удлинительную катушку. Считаем, что основным элементом настройки антенного контура при использовании в радиопросвечивании электрически коротких антенн является удлинительная катушка индуктивности.
Динамика развития аппаратуры наглядно видна из анализа работ геофизической лаборатории МТУСИ за 1991 г. и 1995 г. Проблема получения требуемой дальности измерений решается путем совершенствования излучающих устройств аппаратурных комплексов РВМ-6, РПД и АСАРП-3.
Достигнутый уровень чувствительности приемника 0,1-0,5 мкВ в аппаратуре РВМ-6 и АСАРП-3 является предельным и дальнейший ее рост возможен только ценой существенного усложнения и удорожания всего аппаратурного комплекса. Целью работ, проводимых МТУСИ, являлось создание более совершенного излучателя.
Использование нового мощного передатчика РПД позволило в 20-40 раз повысить уровень поля в точке приема, однако при этом требуется постоянный контроль качества согласования антенно-
фидерной системы, что решено не было. Главной особенностью нового передатчика, помимо повышенной мощности, является система стабилизации тока в узлах подключения скважинной антенны, что упрощает этап настройки антенного контура и позволяет не учитывать эффект расстройки антенны при перемещении ее вдоль ствола скважины. Эта система заключается в том, что в усилитель введен регулируемый источник питания выходных каскадов усилителя мощности, обеспечивающий поддержание постоянного, в определенных пределах, тока в антенне при изменении ее параметров.
При бесспорной целесообразности работы, недостатками являются следующие моменты: невозможность контроля тока в антенне, что при отказах или выходе за возможный диапазон регулировки, обязательно приведет к ошибкам измерения, снижение КПД выходного каскада за счет потерь в системе регулирования, а также значительное усложнение всего устройства. Но главным недостатком является невозможность избавиться от так называемого антенного эффекта.
Представляет интерес анализ антенного согласующего устройства (АСУ) и влияния шунтирующей емкости, важного дополнения антенны, на КПД передатчика. Основное назначение АСУ - обеспечить резистивную, номинальную нагрузку, приведенную к выходу УМ на рабочей частоте. Традиционно построенное АСУ состоит из системы взаимодополняющих резонансных контуров. В передатчиках аппаратуры РВМ-6 и АСАРП-3 параллельно зажимам антенны подключают дополнительную емкость с целью уменьшения влияния импеданса антенны на резонанс в антенном контуре. При этом уменьшается активное сопротивление, вносимое антенной в антенный контур, возрастает его добротность и влияние собственной добротности компенсирующей индуктивности на КПД АСУ. Из приведенного в отчете анализа следует вывод: на частоте 1,25 мГц с шунтирующей емкостью 3000 пФ КПД = 52 %, а на частоте 312 кГц КПД = 21 % и только 1/5 часть мощности идет на излучение. Следовательно, подключение большой емкости к зажимам антенны приводит к резкому падению КПД всего устройства и уменьшение влияния импеданса антенны на резонанс достигается ценой увеличения потерь в антенном контуре.
К сказанному выше следует добавить следующее. Если в качестве подземной антенны ис-
пользуется, как обычно, изолированный тонкий провод, собственная емкость такой антенны мала, она является узкополосной и ее настройка в резонанс без шунтирующей емкости представляет значительные трудности.
Новые производственные требования привели к дальнейшему совершенствованию аппаратуры и изготовлению принципиально нового передатчика на базе аппаратурного комплекса РПД-2С.
Требования увеличения дальности, уменьшения линейных размеров скважинного зонда, повышения точности и стабильности проводимых измерений привели к разработке специализированного автономного передатчика с магазином коммутируемых реактивностей, который совместно с приемным трактом аппаратуры РПД-2С определяет входной импеданс (Ъ ) антенны непосредственно в скважине, в конкретных геологических условиях. Это устройство позволяет:
• решить вопрос согласования антенны с выходом передатчика и получить максимальную дальность излучения;
• провести сравнение различных модификаций антенн с целью их укорочения.
Настраиваемый антенный контур реализуется из входного импеданса антенны, набора последовательно включенных индуктивностей, переключаемых автоматически, и добавочных индуктивностей, устанавливаемых вручную. То есть устройство в циклическом режиме автоматически добавляет в выходную цепь по одной индуктивности 32 мкГн (62 Ом на частоте 312 кГц). По принятому прибором, находящимся в этой же скважине, сигналу строится кривая переключений (зависи-мость амплитуды принятого сигнала от величины суммарной индуктивности при последовательном их переключении). Для данной конкретной среды и антенн определяется значение индуктивности, соответствующее максимальному сигналу, что собственно и фиксируется вручную при подготовке излучателя к измерениям. Такой процесс называется калибровкой.
Выводы из отчета следующие: аппаратура РПД-2С обеспечивает эффективную дальность просвечивания, необходимую для проведения РВП по сети 500х500 м (включая диагональные сечения) на частоте 156 кГц, если удельное электрическое сопротивление пород превышает 1500 Ом.
Очевидными достоинствами аппаратуры являются:
• возможность проведения измерений на двух частотах;
• автономное питание передатчика, что ускоряет и упрощает работу генераторной группы в скважине, а также в значительной степени ослабляет антенный эффект;
• оптимальное согласование в конкретном разрезе за счет определения импеданса передающих антенн.
Из недостатков передатчика РПД-2С следует выделить:
• невозможность управления передатчиком во время работы;
• отсутствие информации о настройке (токе в антенне, 1а) передатчика при излучении;
• ступенчатое переключение индуктивностей, что должно затруднять настройку передатчика в резонанс;
• увеличение активного сопротивления согласующего каскада и соответственно потерь при последовательном подключении индуктивностей во время калибровки.
Автором, совместно со специалистами ООО "Радионда LTD" в 2000 г. были проведены опытноконструкторские работы по модернизации передатчика РВМ-6, а затем и самостоятельной разработки нового передатчика серии РВГИ-2. Главные принципы построения передатчика следующие:
• управление всеми узлами передатчика с персонального компьютера, а также отображение на экране состояния узлов и тока в антенне передатчика во время излучения;
• связь с передатчиком по оптическому волокну для обеспечения гальванической развязки скважинного прибора;
• максимально допустимая мощность излучения, которую позволяет реализовать современная элементная база и элементы питания аппаратуры;
• автономное питание, обязательное для исключения антенного эффекта;
• передатчик симметричный двухплечевой и обязательно двухчастотный;
• настройка антенны должна осуществляться плавно и только за счет изменения индуктивности катушки, а активное ее сопротивление должно оставаться постоянным и как можно меньшим, при этом параметры настройки передаются на поверхность и отображаются на мониторе.
В основу передатчика положена идея, которую позволяет решить современный технический уро-
вень: плавное изменение геометрических размеров катушки L, с целью изменения ее добротности. Например, действующий прибор имеет, при диаметре корпуса 36 мм и активном сопротивлении катушки 2 Ом, диапазон перестройки индуктивности от 0,3 до 40 тН и обеспечивает настройку в резонанс антенн от 2 до 40 метров, как в сухих так и заполненных водой скважинах, на частотах от 61 до 312 кГц. Оператор с поверхности имеет возможность управлять процессом настройки в каждом плече передатчика, контролируя индуктивность катушки и ток в антенне. Такой подход позволит ответить на многие вопросы чисто практически. Например: оценить влияние температуры на расстройку антенн и, таким образом, на точность измерений; оценить влияние на антенны сопротивления окружающей среды; варьируя настройкой тока в разных плечах изменять диаграмму направленности передатчика. Многие вопросы еще требуют практического подтверждения, на некоторые ответить удается уже сейчас. Например, в [1] приводится анализ влияния среды на ток в помещенной в нее антенне при различных размерах проводника и изолятора. Практические измерения в нефтяных скважинах согласуются с теоретическими выводами: незначительно влияние изменения сопротивления среды на величину тока в антенне, если она представляет собой тонкий либо короткий проводник или если антенна отделена от среды толстым диэлектриком. В то же время это влияние возрастает при увеличении диаметра антенны (антенны с более широкой полосой).
Важным достоинством такого передатчика является возможность применения более коротких антенн. Последние позволяют снизить влияние перекрывающих границ, увеличить детальность исследований, получить больше точек наблюдения в мелких скважинах. Как показывает анализ, укорочение скважинных зондов возможно за счет уменьшения длины плеча антенны. Однако это приводит к пропорциональному уменьшению мощности излучения и уровню принятого сигнала. Кроме того, усложняется процесс согласования антенны из-за повышения добротности антенного контура. Если в качестве антенны используется кабель КТШ или любой тонкий провод, то большая воздушная подушка между антенной и стенкой скважины создает большую реактивную составляющую входного импеданса, повышает добротность антенного контура и
уменьшает его КПД. С целью уменьшения этого влияния рекомендуется увеличить диаметр токонесущих проводников антенны. Трубы на концах антенны являются емкостными нагрузками, которые увеличивают действующую длину антенны за счет более равномерного распределения тока вдоль основного проводника. Если к торцам отрезков КТШ по 10 м, подключить трубы по 1,5 м, то согласно проведенным измерениям, 1а = 310 - Д850 Ом и добротность уменьшается с 10 до 6, но при этом линейный размер скважинного зонда увеличивается до 25 м.
В работе [2] приводятся примеры и оценка влияния увеличения диаметра антенны на уменьшение ее резонансной частоты. Зависимость коэффициента укорочения от отношения X/d легче понять, если представить, что излучатель большего диаметра имеет большую емкость. У такого контура резонансная частота меньше,
1. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. - М.: Мир, 1984.
чтобы выровнять частоты нужно укоротить длину излучателя. В КВ диапазоне применяют проволочные антенны, закрепленные с помощью керамических изоляторов. Эти изоляторы, а также близость антенны к земле вызывают дополнительную емкостную нагрузку, которая может быть скомпенсирована дополнительным укорочением антенны.
На толстом вибраторе распределение тока уже не имеет формы синусоиды, а в точках питания ток имеет относительное большое значение, что объясняется уменьшением входного сопротивления.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что применение коротких антенн предпочтительнее и требует дальнейшего развития.
В настоящее время с аппаратурой проводятся опытно-производственные работы на нефтяных и рудных месторождениях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. Ротхаммель К. Антенны. - С.-Петербург, 1998.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Остапчук Сергей Иванович - инженер-геофизик, Радионда LTD.
