CC BY
20
Доклады БГУИР
2010 № 1 (47)
УДК.621.371:550.837.6
ПОВЕРХНОСТНЫЙ ИМПЕДАНС СРЕДЫ НАД УГЛЕВОДОРОДНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Д.В. ГОЛОЛОБОВ, В.Ф. ЯНУШКЕВИЧ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Полоцкий государственный университет Блохина, 29, Новополоцк, 211440, Беларусь
Поступила в редакцию 3 ноября 2008
Представлены результаты теоретического анализа взаимодействия амплитудно -частотно -модулированных сигналов с углеводородной залежью. Даны рекомендации по разработке методов поиска углеводородных залежей.
Ключевые слова: углеводородная залежь, поверхностный импеданс, АЧМ-сигнал.
Введение
Применение колебаний сложной формы для георазведки углеводородных залежей (УВЗ) позволяет повысить точность и достоверность электромагнитных методов (ЭММ) для решения задачи поиска геологических неоднородностей [1, 2].
Цель работы заключается в обосновании выбора характеристик электромагнитных волн (ЭМВ) с амплитудно-частотной модуляцией (АЧМ), разработке методов и аппаратурных средств для качественного повышения производительности геологоразведочных работ.
Анализ поверхностного импеданса среды над УВЗ при воздействии ЭМВ со смешанной модуляцией позволяет провести оценку трансформации параметров и характеристик антенных излучателей, имеющих фиксированное положение в пространстве, относительно границы раздела сред. Помимо этого такой алгоритм позволяет отслеживать влияние вариаций электродинамических свойств подстилающей поверхности (ПП) на излучатели, не прибегая к точным расчетам их пространственных характеристик и параметров [3].
Исследования проведены, исходя из представления среды над УВЗ в виде анизотропной неоднородности плазмоподобного типа с нормальной (относительно границы раздела сред) ориентацией геомагнитного поля [4].
Теоретический анализ
В рамках квазигидродинамического приближения движения частиц в среде над УВЗ с относительной диэлектрической проницаемостью 8Г и удельной проводимостью аг (относительную магнитную проницаемость принимаем равной 1) наполнителя рассмотрим задачу взаимодействия ЭМВ с АЧМ вида
e(t) = Еа (1 + km cos Qt) cos[coi + Р cos Qi],
где 1 — амплитуда сигнала несущей частоты со: кт, Р — коэффициент амплитудной модуляции и индекс частотной модуляции; Q=2iiF— частота модуляции.
Процесс взаимодействия ЭМВ с локальным включением на трассе распространения радиоволн можно представить в виде режима наклонного падения плоской ЭМВ с вертикальной поляризацией в среде с параметрами 80, (.10, <т0 на безграничное полупространство с анизотропным поверхностным импедансом (рис. 1).
Рис. 1. Падение ЭМВ с вертикальной поляризацией на границу раздела сред
Пусть волновой вектор к направлен под произвольным углом 0 к внешней нормали п . Тогда импедансные граничные условия в соответствии с геометрией рис. 1 принимают вид [5]
Ех — | — 7]2НУ),
Еу = —Z0 (72]ИХ — 722Н у),
где 70 — волновое сопротивление воздуха; Еху, Нху — проекции падающей и отраженной
волны на соответствующие координатные оси. Компоненты матрицы поверхностного импеданса определяются как
7=7=- ^
^11 22
^12 ~ ~ Г-—:— Л/^Л + л/81 '
8 я 8 ь
здесь = 81 + в2, о, = г, - г2, а о и е2 — компоненты тензора диэлектрической проницаемости (ТДП) [1]:
¿1 ~Л2 0
8 = 782 81 0
О О 8Х
Совместное решение уравнений движения частиц и полного тока
<1\' - • -т — + шп> = gE + [V, ], т
... хм
5Х - Ьр, + 8ЯИ - 7Ю80в,,Ё + ;
позволяет определить структуру и компоненты ТДП. В приведенных уравнениях т, g, V — масса, заряд и скорость движения частиц; о — частота столкновений электрона с тяжелыми
=1
частицами; Н0 — напряженность магнитного поля Земли; Ьрг, 5Л/Ц — плотности токов проводимости и смещения; N — концентрации частиц.
При воздействии АЧМ-сигнала на анизотропную среду, возникающую над УВЗ, координатные составляющие скорости частиц определяться выражениями:
р- 7(0г+и 2 ю^П + РсоэГ^)
т (^соу + о) + т усОу + о) + ю^
где =
Я /-;;(1+РсоэО/) | я /-УО + РС05-0/)(./й/+о) ^ + РсоэОО
/77 ( /О), + У)2 + Ю'
777
Ош^г + иг+ш; гиротропная частота, а компонента
/И
7(0/
да
2
ю/ = ю[1 - кт вт С^]
учитывает амплитудно-частотные параметры воздействующего электродинамического сигнала. Координатные плотности тока определяются как
8 = £„<£> 2,Е
X и р1 У
(1 + Р сое Ш)(]ю, + о) £0(й2,(й Е (1 + р сое О О
(7Ю/ + ь-)2 + со^
о р1 а уу_
О®/ + и)2 + <»*
£0(о2р/(о Ех (1 + Р сое ПО е0(й^(в Е (1 + Р сое ПО(;Ш/ +
о =--1--.
у / . \2 , 2 / , ч2 , 2
(7^+и) +сое
(7^ +и) +сое
5 =
^А(1+РС05 Ар
7ю/ + и
где 0)/;/ =
N.
уте0 ,
плазменная частота.
В результате решений компоненты ТДП анизотропной среды над УВЗ принимают вид
¿1 +
2 2
2 ~ 2 2
+7
ю (о: + ю2,. - ю^) + 4ю2 и;
1 + РсозО? юв0
2 2
ю (и2 + ю2,. - ю2 )2 + 4ю2 и2
¿2
ю
ог, - ю2 + и] 27'ЮуЦ (йр,.ю .
£
(и2 + ш2,.-ш2)2+4ш2ц2
^ I 1
-- ———+ ./
ю о,. + ю
А-, /с„;р 8111 О/ СТ, Ю2,и2 1
1=1
1 + Р соэ О? ю£0
- 2 2 Ю (йу + ц.
Расчет компонентов поверхностного импеданса (3) проведен для следующих электродинамических параметров анизотропной среды [4]:
- диэлектрической проницаемости вмещающих пород 8Г =10;
- удельной электрической проводимости о, = 0,03 См/м ;
- напряженности магнитного поля Земли Н0 =39 А/м ;
- концентрации электронов и ионов А''е = А,гц = 101бм~3;
- эффективных частот столкновений: электронно-ионной уе — 10-9 с-1 и ионной
V =0,5-10'с
7„-1
2
¿=1
1=1
В предположении равенства диагональных составляющих матрицы поверхностного импеданса проведен анализ частотных компонентов Zп и при изменении параметров АЧМ-сигнала.
Из рис. 2 видно, что модуль составляющей Z11 меняется несущественно при изменении несущей частоты, когда модулирующая частота изменяется в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц (кривые 1, 2). При воздействии гармонической ЭМВ на анизотропной среды этот режим взаимодействия соответствует резонансному. При модулирующей частоте /<=10 МГц и единичном коэффициенте амплитудной модуляции наблюдается увеличение \Z\x\ до значения 0,7 относительно Zo при fr.ll МГц (кривая 3, рис. 2). Дальнейшее увеличение несущей частоты не сказывается на поведении \.
Рис. 2. Частотная зависимость модуля 2ц при вариациях параметров АЧМ-сигнала: 1 — ^=0,1 МГц; кт=0,1; 2 — ^=1 МГц; кт=0,5; 3 — ^=10 МГц; кт=1
Частотная зависимость компоненты поверхностного импеданса Z12 (рис. 3) не изменяется в диапазоне модулирующих частот от 100 кГц до 100 МГц. Однако на несущей частоте /«27 МГц, когда обеспечивается стопроцентная амплитудная модуляция с модулирующей частотой /<=10 МГц, наблюдается всплеск \7]2\ до 40% относительно характеристического сопротивления воздуха.
Рис. 3. Частотная зависимость модуля 212 при вариациях параметров АЧМ: 1 — ^=0,1 МГц; кт=0,1; 2 — ^=1 МГц; кт=0,5; 3 — ^=10 МГц; кт=1
Частотная зависимость фазовой составляющей диагональной компоненты матрицы поверхностного импеданса ф2 при/7 = 0,1 МГц, кт =0,1 имеет две точки инверсии на частотах
6,3 МГц и 100 МГц (рис. 4). При модулирующей частоте 1 МГц и кт =0,5 существует три точки перехода через инверсии /инв1 ~ 9.7МГц. /ичгГ, =50МГц и /тд3 «75МГц. Использование
частоты модуляции Р = 10 МГц при кт =1,0 характеризуется постоянством фазы в диапазоне частот / = (0ч-30)МГц и / = (30 ч-250)МГц. В районе частоты /«30МГц наблюдается скачкообразное изменение ф2 от +0,8 рад до -0,8 рад.
Рис. 4. Зависимости фц=1|/(/): 1 —/■'=(). 1 МГц; А'И1=0Л; 2 —^=1 МГц; А-„=0,5; 3 —^=10 МГц; кт=\
Частотная характеристика фазовой составляющей ф2 (рис.5) при /■' = 0,1 М1 ц. кт =0,1 имеет одну точку перехода через нуль при ,/„„,. 4 = 120МГц. а при /• = 1 МГц и кт =0,5 на частоте /инв5 = 50 МГц . Когда амплитудная модуляция является стопроцентной на частоте /инв6 ~ 30МГц происходит скачкообразное изменение фазы от -2,4 до -0,8 рад.
Рис. 5. Зависимости ф!2=н/(/): 1 —/■'=(). 1 МГц; А„,=0.1: 2 —МГц; А-„=0,5; 3 —^=10 МГц; кт=\
Следует иметь в виду, что при изменениях модулирующей частоты изменяется и индекс частотной модуляции. При этом девиация частоты считается фиксированной и существенное увеличение частоты модулирующего сигнала будет приводить к значительному расширению спектра сигнала. Кроме того, амплитудные составляющие спектра зависят от функции Бесселя, поведение которой определяется индексом частотной модуляции.
Результаты и их обсуждение
Анализ влияния вариаций параметров амплитудной и частотной модуляции сложной ЭМВ на процесс взаимодействия с анизотропной средой позволяет оптимизировать параметры
сигналов для решения задачи идентификации объектов, проявляющих регистрировать специфические свойства среды, возникающие над залежами углеводородов. При этом следует иметь в виду, что происходит существенная трансформация спектрального состава отраженного сигнала, позволяющая обеспечивать регистрацию изменений свойств среды, как в частотной, так и во временной области. Параллельное изменение, как амплитуды, так и частоты модулирующего колебания становится инструментом определения свойств среды. Вместе с тем могут возникать ситуации, связанные с "неверной" реакцией специфической многопараметрической среды на воздействующую ЭМВ, связанной с неоптимальным выбором амплитудно-временных параметров колебания. В связи с этим следует провести оценку реакции воздействующего колебания с различными параметрами смешанной модуляцией на анизотропный объект с различными электродинамическими свойствами.
Использование АЧМ-сигналов для решения задач геоэлектроразведки позволяет существенно упростить практическую реализацию разработанных методов геоэлектроразведки УВЗ.
SURFACE IMPEDANCE OF THE MEDIUM OVER THE HYDROCARBON DEPOSITS IN THE SIGNALS FROM AMPLITUDE-FREQUENCY MODULATION
D.V. GOLOLOBOV, V.F. YANUSHKEVICH
Abstract
The article presents the results of theoretical analysis of interaction of amplitude-frequency-modulated signals with hydrocarbon deposits. There are recommendations for the development of the methods of search of hydrocarbon deposits.
Литература
1. Гололобов Д.В., Янушкевич В.Ф. // Весщ НАН Беларусь Сер. фiз.-тэхн. навук. 2002. № 1. С. 49-54.
2. Гололобов Д.В., Янушкевич В.Ф. // Изв. Белорусской инж. акад. 2001. № 1. С. 101-104.
3. МиллерМ.А. // Изв. вузов. Радиофизика. 1964 Т. 4, № 5. С. 795-830.
4. Москвичев В.Н. //Радиотехника и электроника. Минск, 1988. Вып. 18. С. 91-96.
5. ХаскиндМ.Д. // Радиотехника и электроника. 1961. Т. 6, № 6. С. 886-894.
