CC BY
0УДК 621.371: 550.837.6 DOI 10.52928/2070-1624-2024-43-2-55-61
ПРИМЕНЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
ДЛЯ ПОИСКА УГЛЕВОДОРОДОВ
канд. техн. наук, доц. В. Ф. ЯНУШКЕВИЧ (Полоцкий государственный университет имени Евфросинии Полоцкой)
Проведено исследование фазовых характеристик поверхностного импеданса среды над углеводородными залежами в режиме их взаимодействия с амплитудно-частотно-модулированными сигналами. Исследованы характеристики геологического профиля над месторождениями нефти и газа в зависимости от несущей частоты, модулирующей частоты и индекса модуляции. Приведено обоснование применения зондирования амплитудно-частотно-модулированными сигналами для практической реализации с целью повышения информативности и точности определения границ углеводородов. Разработан способ геоэлектроразведки для определения границ углеводородов с применением амплитудно-частотно-модулированных сигналов на основе измерения фазовых характеристик поверхностного импеданса среды над залежами. Полученные результаты могут быть использованы для поисковой геофизики с целью обнаружения месторождений нефти и газа.
Ключевые слова: углеводородная залежь, тензор диэлектрической проницаемости, амплитудно -модулированный сигнал.
Введение. Современная электроразведка основана на усовершенствовании существующих электромагнитных методов (ЭММ) поиска углеводородных залежей (УВЗ) по дифференциации исследуемых сред по электромагнитным свойствам, например: по сравнению 3D-инверсии электромагнитных данных буксируемой косы во временной области с 3Б-инверсией обычных данных CSEM в частотной области [1], по 3D -инверсии морских данных CSEM с использованием быстрого прямого кода во временной области с конечной разностью [2]. В этой области исследований предлагается трехмерный алгоритм покадровой инверсии электрического поля для CSAMT, направленный на решение сложных задач геофизического мониторинга [3]. Развиваются комплексные подходы к морской электромагнитной съемке [4]. Показаны преимущества геоэлектрического метода вынужденной поляризации при разведке углеводородов [5].
За последние несколько лет морские электромагнитные методы с контролируемым источником (MCSEM) успешно применялись на глубокой воде (глубина более 1 км) при разведке нефти и газа [6]. Изучение процессов происхождения нефти и газа способствует развитию ЭММ, основанных на регистрации собственного излучения залежей [7]. Метод надводной и морской электроразведки с использованием управляемого источника возбуждения предназначен для обнаружения месторождений углеводородов на глубине нескольких километров и картирования их границ [8].
Применение режимов амплитудно-частотно-модулированного (АЧМ) воздействия рассмотрено в ряде работ1 [9]. Тем не менее, возможности зондирования анизотропных сред над залежами нефти и газа и усовершенствование существующих ЭММ поиска УВЗ для данных режимов представляют большой практический интерес с целью повышения информативности и точности определения границ углеводородов.
Методика исследований. Рассмотрим воздействие на анизотропную среду АЧМ-сигнала вида
e(t) = Еш (1 + cos Q t) cos [ю t + р • cos Q t], (1)
где £m - амплитудное значение сигнала несущей частоты ю = 2п/;
кт, в -коэффициент амплитудной модуляции и индекс частотной модуляции соответственно;
О. - модулирующая частота.
Для анализа применяются составляющие тензора ¿¡, е2, е3, плазменная частота сои, гиротропная частота юг,, частота столкновения частиц v,., относительная диэлектрическая проницаемость среды sr, проводимость среды аг, диэлектрическая постоянная е„.
При этом частотная компонента
со4 =со|^1—^sinQiJ.
1 Способ геоэлектроразведки углеводородной залежи: пат. 16771 РБ / А. О. Бездель, В. Ф. Янушкевич, Ю. А. Ща-денков. - Опубл. 28.12.2013.
Данная характеристика отражает использование несущей, модулирующей частот и коэффициента амплитудной модуляции для повышения информативности и точности определения границ углеводородов. Влияние индекса частотной модуляции заложено в формуле для тензора. Вариация этих параметров сигналов расширяет возможности георазведки.
Составляющие тензора диэлектрической проницаемости среды для режима АЧМ-сигнала приведены в [9]:
з1=ег (1-/^5 тО-О + Х
= 1
2
соп,.сог
ЮП,Й4 ЮГ,-Й4~У,2 , ■
(у/+Ю2п-Й2)2+4<52У,2 у
ю
1 + Р-С05^-/
ие,
ю2п,-
~2 2 2 со, +У,. +С0Г,.
(V,.2 +С02,. -й2)2 +4Й2У,.2
2 ~ 2 2 Юг, - СО, + V,.
2уй4У,.сотсоп
ю
(V,2 +С02,. -ю2)2 +4со2у,2 со[(у2 +С02,. - со2)2 +4со2у2;
сотсо4
2 ~ 2 V, +С02
1 + Р • сое0
1
СО СО Л + V,2
(2)
Методика исследований состоит в расчете суммарных и разностных составляющих тензора диэлектрической проницаемости среды
гК =г1 +ё2 =Кеёд + у'1тёд;
^ =¿1 = кег:7 1 /|1Ш'-,
(3)
и фазовых составляющих argZ11 и а^¿21 поверхностного импеданса среды над УВЗ
7=7 = -■^11 22
^12 =^21 = /. . ~(л/^я"+ л/^Г)'
(4)
для параметров среды над залежами углеводородов [9]: значения диэлектрической проницаемости вмещающих пород ег= 1 - 30 и электрической проводимости <зг= Ы0-5 -1 См/м, концентрации частиц
N = 1016 м 3, N = 1018 м 3, частота столкновения частиц у = Ы09 -1-1010 рад/с.
Результаты исследований. Фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ ¿п в зависимости от индекса модуляции для / = 108 Гц и Е = 106 Гц приведены на рисунке 1. Характерно постоянство фазы данной составляющей поверхностного импеданса с наличием положительных или отрицательных значений. Наиболее информативны значения индексов модуляции р = (1 - 3), когда фаза отрицательна и р = (3-4), когда наблюдается скачкообразное увеличение фазовой характеристики поверхностного импеданса исследуемых сред для ег = 4,3, кт = 0,5.
На фазовые характеристики данной составляющей поверхностного импеданса не влияет диапазон индексов модуляции (4 - 100).
Применение для зондирования АЧМ-сигнала (1) с частотой модуляции Е = 5 • 106 Гц при несущей частоте / = 108 Гц приводит к влиянию индекса модуляции на фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ 2п (рисунок 2). Для 8 = 4,0, кт= 0,5 наблюдается рост argZ11 от -3 рад (Р = 1) до +2,8 рад (Р = 2), уменьшение фазы с переходом через нуль на отрезке |3 = (2 —10) и дальнейшее уменьшение до-0,5 рад при р«95. Для ег =4,3, кт =1,0 происходит уменьшение arg¿п от +2,4 рад (Р = 1) до +1,4 рад (Р = 95), при дальнейшей вариации индекса модуляции изменение фазы несущественно.
1=1
1=1
3
1=1
Для ег = 10, = 0,1 влияние индекса модуляции на фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ ¿п происходит на отрезке р = (1-10).
Фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ в зависимости от индекса модуляции для / = 109 Гц и Е = 107 Гц приведены на рисунке 3. Для данных режимов зондирования характерно скачкообразное увеличение фазовой характеристики поверхностного импеданса исследуемых сред на отрезке (3 = (1 - 2), незначительное уменьшение фазы при р = (2 -10) и практически
отсутствие влияния на при дальнейшем росте (3.
Рисунок 1. - Зависимости а^(^и(Р)) для 8Г =4,3, кт =0,5; агё(^12(Р)) для е, =4,3, кт =1,0; аг»(^,((3)) для £,. =10, кт =0,1
Применение для зондирования АЧМ сигнала с частотой модуляции Е = 106 Гц при несущей частоте / = 2 • 109 Гц приводит к влиянию индекса модуляции на фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ (рисунок 4) на отрезке р = (1-10) для ег = 20,0, кт = 0,1 на отрезке р = (1-95) для ег = 10, кт = 1,0 и гг = 7,0, кт = 0,5.
Фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ ¿21 (4) в зависимости от индекса модуляции для / = 108 Гц и Е = 106 Гц приведены на рисунке 5. Характерно постоянство фазы данной составляющей поверхностного импеданса с наличием положительных значений. Происходит уменьшение фазы от-0,30 рад (Р = 1) до-0,46 рад (Р = 10). уменьшение фазы с переходом через нуль на отрезке р = (2-10) и дальнейшее уменьшение до -0,77 рад при р я 95.
Применение для зондирования АЧМ сигнала (1) с частотой модуляции Е = 5 • 106 Гц при несущей частоте / = 108 Гц приводит к влиянию индекса модуляции на фазовые характеристики составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ ¿21 (рисунок 6).
Рисунок 3. - Зависимости а^(¿пф)) для £,. =7,0, кт =0,5; агй(^,2(Р)) для ег = 10, кт = 1,0; агй(^,3(Р)) для 8Г = 20,0, кт = 0,1
Рисунок 4. - Зависимости аг«^,, (Р)) для ъг =7,0, кт =0,5; агй(2-,2(Р)) для ег = 10, кт = 1,0; агдС^ф)) для вг = 20,0, кт = 0,1
Для с, =4,0, кт =0,5 наблюдается уменьшение агц/,, от 0.95 рад ф = 1) до-0,85 рад ф = 2) с незначительным изменением фазы при дальнейшей вариации индекса модуляции. Для ег =4,3, кт =1,0 происходит уменьшение от +0,58 рад ф = 1) до -0,62 рад (р = 95), при дальнейшем изменении
индекса модуляции изменение фазы несущественно. Для ег =10, кт =1,0 происходит уменьшение агц от +0,30 рад (Р = 1) до -0,77 рад (Р = 95), при дальнейшем изменении индекса модуляции изменение фазовой характеристики несущественно.
Рисунок 5. - Зависимости аг«(^Г2| ((3)) для ег = 4,0, кт = 0,5; аг§(^22(Р)) для е,. =4,3, кт =1,0; аг»(^_,(р)) для ег = 10, кт= 1,0
Рисунок 6. - Зависимости аг«(^21 (Р)) для £(. =4,0, кт =0,5; агй(^22(р)) для ег = 4,3, кт = 1,0; агй(^23(Р)) для ег = 10, кт = 1,0
Установлено, что информативность поиска на несущей частоте / = 2 • 109 Гц повышается при зондировании АЧМ-сигналом с частотой модуляции Е = 50 • 106 Гц для индексов модуляции р = (1-5), с частотой модуляции Е = 108 Гц для индексов модуляции р = (1-3). Также проводились исследования
при вариации концентрации частиц в диапазоне = = (1015 -1018) м 3, подтвердившие эффективность применяемых характеристик АЧМ-сигналов.
Установлен рост фазы тензоров диэлектрической проницаемости от -1,57 рад до 0,35 рад на частотах (1МГц - 1ГГц) с р = 5, модулирующей круговой частотой Q = 104 рад/с, причем на частоте 1 ГГц происходит скачкообразное уменьшение фазы суммарной компоненты (3) до -1,57 рад и скачкообразное увеличение фазы разностной компоненты до 1,57 рад, резонансное увеличение модуля Zn до (0,5 • 103 -2,5 • 10-3) Ом при р = (1-10), увеличение его фазы от -2,64 рад до -0,86 рад, уменьшение модуля Z21 от 0,0344 Ом до 0 Ом при р = (1-100), увеличение его фазы от 0,79 рад до 1,57 рад, уменьшение мнимой составляющей суммарной компоненты от -273,4 до -3,47-103 при гг = 1-30 для р = 10, для = 0,5 и / = 107 Гц для режима АЧМ-сигналов.
Заключение. Теоретический анализ взаимодействия амплитудно-частотно-модулированных сигналов с анизотропными средами над углеводородами показал:
- зондирование такими сигналами представляет большой практический интерес для повышения информативности и точности определения границ углеводородов;
- для определения границ углеводородов может быть предложен способ геоэлектроразведки с применением амплитудно-частотно-модулированных сигналов на основе измерения фазовых характеристик поверхностного импеданса среды над залежами на несущих частотах (0,1 - 2,0) ГГц с частотой модуляции F = (1 -100) МГц при коэффициентах амплитудной модуляции в диапазоне 0,1 - 1,0 и индексах частотной модуляции в интервале 1 - 95.
ЛИТЕРАТУРА
1. 3D inversion of towed streamer EM data: a model study of the Harding field with comparison to CSEM / M. Zhdanov, C. Anderson, M. Endo et al. // First Break. - 2012. -Vol. 30, iss. 4. - P. 71-74. - DOI: 10.3997/1365-2397.30.4.57977.
2. 3D inversion of marine CSEM data using a fast finite-difference time-domain forward code and approximate Hessian-based optimization / J. J. Zach, A. K. Bjorke, T. Storen et al. // SEG Technical Program Expanded Abstracts. - 2008. -Vol. 27, iss. 1. - P. 614-618. - DOI: 10.1190/1.3063726.
3. Research on 3D Time-Lapse Electric Field Inversion Algorithm for Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric Method / Q. Sun, H. Tan, W. Wan et al. // Applied Sciences. - 2024. - Vol. 14, iss. 4. - 1560. - DOI: 10.3390/app14041560.
4. Anderson C., Mattsson J. An integrated approach to marine electromagnetic surveying using a towed streamer and source // First Break. - 2010. -Vol. 28, iss. 5. - P. 71-75. - DOI: 10.3997/1365-2397.28.5.38986.
5. Benefits of the induced polarization geoelectric method to hydrocarbon exploration / P. Veeken, P. J. Legeydo, Y. A. Da-videnko et al. // Geophysics. - 2009. - Vol. 74, iss. № 2. - P. B47-B59. - DOI: 10.1190/1.3076607.
6. Chen, J., Alumbaugh D. L. Three methods for mitigating airwaves in shallow water marine controlled-source electromagnetic data // Geophysics. - 2011. - Vol. 76, iss. 2. - P. F89-F99. - DOI: https://doi.org/10.1190/1.3536641.
7. Гулиев И. И. Современные взгляды на происхождение нефти и газа // Научные труды НИПИ «Нефтегаз». - 2013. -№ 4. - С. 21-24.
8. Davydycheva S., Rykhlinski N., Legeido P. Electrical-prospecting method for hydrocarbon search using the induced-polarization effect // Geophysics. - 2006. - Vol. 71, iss. 4. - P. G179-G189. - DOI: 10.1190/1.2217367.
9. Янушкевич, В. Ф., Щаденков Ю. А., Бездель А. О. Фазовые характеристики поверхностного импеданса среды над углеводородами при амплитудно-частотном модулированном воздействии // Вестн. Полоц. гос. ун-та. Сер. С, Фундам. науки. - 2010. - № 9. - С. 111-115.
REFERENCES
1. Zhdanov, M., Anderson, C., Endo, M., Cox, L., Cuma, M., Wilson, G. A., ... Gribenko, A. V. (2012). 3D inversion of towed streamer EM data: a model study of the Harding field with comparison to CSEM. First Break, 30(4), 71-74. DOI: 10.3997/1365-2397.30.4.57977.
2. Zach, J. J., Bjorke, A. K., Storen, T., & Maao, F. (2008). 3D inversion of marine CSEM data using a fast finite-difference time-domain forward code and approximate Hessian-based optimization. SEG Technical Program Expanded Abstracts, 27(1), 614-618. DOI: 10.1190/1.3063726.
3. Sun, Q., Tan, H., Wan, W., & Hu, Q. (2024). Research on 3D Time-Lapse Electric Field Inversion Algorithm for Controlled Source Audio-Frequency Magnetotelluric Method. Applied Sciences, 14(4), 1560. DOI: 10.3390/app14041560.
4. Anderson, C., & Mattsson, J. (2010). An integrated approach to marine electromagnetic surveying using a towed streamer and source. First Break, 2S(5), 71-75. DOI: 10.3997/1365-2397.28.5.38986.
5. Veeken, P., Legeydo, P. J., Davidenko, Y. A., Kudryavceva, E. O., Ivanov, S. A., & Chuyaev, A. (2009). Benefits of the induced polarization geoelectric method to hydrocarbon exploration. Geophysics, 74(2), B47-B59. DOI: 10.1190/1.3076607.
6. Chen, J., & Alumbaugh, D. L. (2011). Three methods for mitigating airwaves in shallow water marine controlled-source electromagnetic data. Geophysics, 76(2), F89-F99. DOI: https://doi.org/10.1190/1.3536641.
7. Guliev, I. I. (2013). Sovremennye vzgljady na proishozhdenie nefti i gaza [Current views on the origin of the oil and gas]. Nauchnye trudy NIPI«Neftegaz», (4), 21-24. (In Russ., abstr. in Engl.).
8. Davydycheva, S., Rykhlinski, N., & Legeido, P. (2006). Electrical-prospecting method for hydrocarbon search using the induced-polarization effect. Geophysics, 71(4), G179-G189. DOI: 10.1190/1.2217367.
9. Janushkevich, V. F., Shhadenkov, Ju. A., & Bezdel', A. O. (2010). Fazovye harakteristiki poverhnostnogo impedansa sredy nad uglevodorodami pri amplitudno-chastotnom modulirovannom vozdejstvii [Phase Characteristics of Surface Impedance of the Environment over Hydrocarbons at Amplitude-Frequency-Modulated Influence]. Vestnik Polotskogo gosudar-stvennogo universiteta. Seriya C, Fundamental'nye nauki [Herald of Polotsk State University. Series С. Fundamental sciences], (9), 111-115. (In Russ., abstr. in Engl.).
Поступила 23.09.2024
APPLICATION OF AMPLITUDE-FREQUENCY-MODULATED SIGNALS FOR HYDROCARBON SEARCH
V. YANUSHKEVICH (Euphrosyne Polotskaya State University of Polotsk)
The phase characteristics of the surface impedance of the medium above hydrocarbon deposits were studied in the mode of their interaction with amplitude-frequency-modulated signals. The characteristics of the geological profile above oil and gas deposits were investigated depending on the carrier frequency, modulating frequency and modulation index. The rationale for using sounding with amplitude-frequency-modulated signals for practical implementation in order to increase the information content and accuracy of determining hydrocarbon boundaries was provided. A method for geoelectric exploration was developed to determine hydrocarbon boundaries using amplitude-frequency-modulated signals based on measuring the phase characteristics of the surface impedance of the medium above the deposits. The results obtained can be used for exploration geophysics in order to detect oil and gas deposits.
Keywords: hydrocarbon deposit, permittivity tensor, amplitude-modulated signal.
