CC BY
54
УДК 550.837
ПРОЦЕСС ВЫКЛЮЧЕНИЯ ТОКА В НЕЗАЗЕМЛЕННОЙ ПЕТЛЕ: ОТ ЧЕГО ОН ЗАВИСИТ И НАСКОЛЬКО МЫ МОЖЕМ ЕГО КОНТРОЛИРОВАТЬ*
Николай Олегович Кожевников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории геоэлектрики, тел. (383)333-28-16, e-mail: Ko-zhevnikovNO@ipgg. sbras. ru
На ранних временах и/или высоких частотах незаземленная горизонтальная петля, используемая в качестве источника первичного поля в методе переходных процессов, может быть представлена в виде комбинации двух длинных линий, образованных проводом петли и подстилающей его геологической средой. Параметры линий зависят от частоты/времени и удельного сопротивления подстилающей среды. Модель петли, основанная на теории длинных линий, позволяет решить обратную задачу, а именно: подобрать параметры линий и сопротивление подстилающей среды, при которых модельные графики выключения тока близки к измеренным. Поскольку на ранних временах параметры генераторной петли зависят от геоэлектрического разреза и окружающей обстановки, такое понятие, как «первичное поле источника», применительно к измерениям на ранних временах теряет смысл.
Ключевые слова: метод переходных процессов, горизонтальная петля, выключение тока, ранние времена, длинная линия, обратная задача, первичное поле.
CURRENT TURN-OFF IN A HORIZONTAL TRANSMITTER LOOP: ON WHAT DOES IT DEPEND AND TO WHAT EXTENT WE CAN CONTROL IT
Nikolay O. Kozhevnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptyug Prospect 3, Doctor of Science, Professor, Principal Scientist, tel. (383)333-28-16, e-mail: KozhevnikovNO@ipgg.sbras.ru
The paper discusses the current turn-off in a horizontal loop using as primary magnetic field source in the TEM sounding method. As indicated by theoretical and experimental studies a loop and underlying it near-surface make up a complicated system with distributed parameters. In modeling the current turn-off process, the loop was simulated as a symmetrical combination of two identical transmission lines with shorted outputs. Modeling was performed in the frequency domain with subsequent transformation into the time domain. Parameters of the lines and, hence, of the whole loop depend on frequency, ground conductivity and the loop environment. On the one hand, this allows inferring the near-surface conductivity from the current turn-off response. On the other hand, it limits the possibility of the current-off to be controlled which implies that at very early times the concept of a loop primary field lose its meaning. control the current turn-off in a loop
Key words: TEM sounding method, horizontal loop, current torn-off, early times, transmission line, inverse problem, primary field.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 13-05-00122 а.
102
Незаземленная горизонтальная петля, используемая для возбуждения индукционных переходных процессов в земле, является неотъемлемым элементом систем для импульсной индуктивной электроразведки. При выключении тока в петле в окружающем ее пространстве возникает вихревое электрическое поле, под действием которого в земле возникают вихревые токи, после чего в отсутствии первичного поля измеряется создаваемое этими токами вторичное магнитное поле или чаще - с помощью приемной петли или рамки - его производная.
В процессе измерения переходная характеристика земли сворачивается с переходными характеристиками генераторной и приемной петель. Поэтому при решении прямых и обратных задач импульсной индуктивной электроразведки необходимо учитывать особенности выключения тока в генераторной петле и собственный переходный процесс - в приемной. В большинстве случаев при моделировании и/или экспериментальном изучении собственного отклика неза-земленной петли используется эквивалентный контур с сосредоточенными параметрами.
В последние 10-15 лет в связи с потребностями малоглубинной геофизики становятся актуальными измерения переходных характеристик на все более ранних временах. Очевидно, снижение начального времени регистрации влечет за собой необходимость уменьшения длительности выключения тока в генераторной петле или по меньшей мере предполагает, что мы в состоянии контролировать этот процесс. Однако на этом пути имеются ограничения как технического [1], так и принципиального характера. К числу последних следует отнести тот факт, что на ранних временах и/или высоких частотах петля проявляет себя как система с распределенными параметрами, характеризующаяся свойствами, типичными для длинной линии. Благодаря симметрии петля в совокупности с подстилающей ее верхней частью разреза (ВЧР) может быть представлена в виде двух идентичных длинных линий, соединенных последовательно таким образом, что общая точка, где выходы линий встречаются, заземлена [2]. Подобное представление петли позволяет воспользоваться для ее анализа хорошо разработанной теорией длинных линий. Основные положения теории применительно к анализу и расчету выключения тока в горизонтальной неза-земленной петле подробно изложены в упомянутых публикациях.
Рис. 1 иллюстрирует этот подход применительно к импульсной индуктивной электроразведке. Последовательно с петлей включены источник напряжения и и ключ (рис. 1а). В петле протекает установившийся ток 10. Для подавления собственных колебаний тока и/или напряжения, возникающих в петле после отключения от батареи, к ней может быть подключен шунтирующий резистор с сопротивлением Я1. В момент времени ключ размыкается и ток, поступающий от батареи, становится равным нулю. Эта же петля в виде комбинации двух линий показана на рис. 1б. К входу каждой из линий подключен источник с напряжением и/2, резистор с сопротивлением Я1/2 и ключ. В момент времени 1=0 каждый из ключей отсоединяет «свою» линию от «своего» источника. Поскольку вследствие симметрии петли точки О и Р/2 имеют одинаковый потен-
циал, их можно заземлить. Это позволяет свести задачу выключения тока в петле к его выключению в длинной линии (рис. 1в).
Рис. 1. Горизонтальная незаземленная петля с источником напряжения и, ключом и шунтирующим резистором Я1 (а); та же петля, источник и шунтирующий резистор, представленные в виде двух идентичных линий А и В, источников и резисторов (б); закороченная на выходе линия А (в)
Реальные линии, образующие петлю, характеризуются потерями, а также частотной дисперсией первичных и, соответственно, вторичных параметров. Методы расчета таких линий в частотной области подробно описаны в литературе [3]. Поэтому при расчете переходного процесса тока в петле сначала отыскивалось решение в частотной области, которое затем преобразовывалось во временную область.
Как показано [2], погонные емкость С и проводимость изоляции О провода петли не изменяются при изменении удельного сопротивления р земли и частоты ю. Однако погонные сопротивление Я и индуктивность Ь зависят от р и ю, и это необходимо учитывать при расчете выключения тока в петле.
Сопоставление результатов измерений и моделирования процесса выключения тока, как в режиме свободных колебаний, так и при шунтировании петли согласующим резистором, показало хорошее соответствие между экспериментальными и модельными данными [2, 4]. В числе прочего тем самым была по-
казана принципиальная возможность использовать процесс выключения тока в петле для оценки удельного электрического сопротивления и, возможно, поляризуемости [5] ВЧР. Вместе с тем эти результаты свидетельствуют о том, что на процесс выключения тока влияют факторы, которые невозможно полностью контролировать.
На рис. 2 приведены результаты расчетов, показывающие, как изменяется форма и длительность выключения тока /0=0.09 А в центральной (х=200м) точке периметра петли размером 100м х 100м в зависимости от удельного сопротивления подстилающей среды (рис. 2а), погонной емкости С провода (рис. 2б) и сопротивления резистора К1, шунтирующего петлю (рис. 2в). Каждый из рисунков иллюстрирует влияние одного параметра, остальные остаются фиксированными.
Рисунки иллюстрируют, как изменение того или иного параметра влияет на процесс выключения тока в петле и, на первый взгляд, не требуют комментариев. Тем не менее необходимо отметить один момент. Как показывает рис. 2в, при фиксированном удельном сопротивлении подстилающей среды и емкости провода можно подобрать такое сопротивление шунтирующего резистора, что время выключения близко
к минимальному.
Однако при раскладке петли в другом месте погонная емкость (зависящая от эффективной высоты провода, особенностей микрорельефа, растительности, влажности) окажется другой. Удельное электрическое сопротивление земли также будет другим, а это значит, что при фиксированном сопротивлении шунтирующего резистора (^=400 Ом) изменится и процесс выключения тока, который зависит от сопротивления подстилающей среды (рис. 2а) и погонной емкости провода (рис. 2б). Таким образом, подобранный на каком-либо пункте зондирований
Рис. 2. Выключение тока в средней точке (х = 200 м) петли размером 100 м х 100 м в зависимости от удельного сопротивления земли (а), погонной емкости провода (б) и сопротивления шунтирующего резистора (в)
шунтирующий резистор при перемещении в другое место уже не обеспечит согласование и поэтому не будет оптимальным.
Сказанное не означает, что петлю не следует шунтировать. Как показывает практика полевых работ, путем подбора сопротивления шунтирующего резистора можно добиться того, что выключение тока не носит колебательный характер и при этом не является чрезмерно «затянутым». Однако такой способ применим лишь при условии, что измерение индукционной переходной характеристики начинается не слишком рано. Стремление продвинуться в область как можно более ранних времен наталкивается на принципиальное ограничение. Его суть заключается в том, что на ранних временах параметры петли зависят от геоэлектрического разреза и окружающей обстановки, в частности метеоусловий [5]. Таким образом, в области ранних времен использование такого понятия, как первичное поле источника, теряет смысл. В настоящей и предшествовавшей работах [2, 4, 5] показано, что, в принципе, можно подобрать модель подстилающей среды, наилучшим образом объясняющую процесс выключения тока в петле. Однако такая возможность не может быть реализована в рамках традиционной теории импульсной индуктивной электроразведки.
Заканчивая обсуждение, необходимо отметить, что результаты моделирования соответствуют мгновенному отключению петли от источника; в этом случае выключение тока контролируется только параметрами образующих петлю длинных линий и сопротивлением шунтирующего резистора. В экспериментах величина установившегося тока составляла около 0.1 А, что позволяло обойтись без элементов, защищающих электронный ключ от перенапряжений, и тем самым обеспечить близкое к идеальному отключение петли от источника.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Плотников А. Е. Оценка ограничений метода переходных процессов при исследовании малых глубин: численный эксперимент // Геология и геофизика. - 2014. - Т. 55, № 7. -С.1144-1152.
2. Кожевников Н. О. Применение теории длинных линий для исследования собственной переходной характеристики незаземленной горизонтальной петли // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50, № 3, С. 300-316.
3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. - М.: Высшая школа, 1980. - 152 с.
4. Kozhevnikov N. and Helwig S. Very early time response of an ungrounded horizontal loop: theory and experiment // Extended Abstracts, 22nd EM Induction Workshop Weimar, Germany, August 24-30. - 2014. - 4PP.
5. Кожевников Н. О. Затухающие колебания тока в незаземленной горизонтальной петле и их связь с инфильтрацией грунтовых вод // Доклады Академии Наук. - 2011. - Т. 437, № 6. - С. 820-823.
© Н. О. Кожевников, 2015
