CC BY
3ФИЗИКА
УДК 621.371: 550.837.6
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ НА КОМПОНЕНТЫ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА СРЕДЫ НАД УГЛЕВОДОРОДАМИ
С.Н. АБРАМЕНКО, канд. техн. наук, доц. В.Ф. ЯНУШКЕВИЧ (Полоцкий государственный университет); д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. БОГУШ
(Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Минск)
Приводится анализ взаимодействия электромагнитных волн в режиме радиоимпульсных сигналов со средой над углеводородными залежами. На основе квазигидродинамического подхода исследовано поведение амплитудных и фазовых компонентов поверхностного импеданса анизотропной среды над залежью при воздействии радиоимпульсных сигналов. Проведен анализ составляющих компонентов поверхностного импеданса среды над углеводородами для электромагнитных волн с правой и левой круговыми поляризациями в зависимости от диэлектрической проницаемости и удельной проводимости среды. Установлено, что по амплитудным и фазовым характеристикам поверхностного импеданса при вариации частоты радиоимпульса может осуществляться диагностика сред, что позволяет повысить производительность геологоразведочных работ и точность определения границ залежей углеводородов.
Ключевые слова: углеводородная залежь, поверхностный импеданс, радиоимпульсный сигнал.
Введение. Современные методы поиска углеводородных залежей (УВЗ) развиваются на основе тенденции активного применения электромагнитных методов (ЭММ) в поисковой геофизике. Их применение вызвано эффективностью, высоким уровнем достоверности, экологической чистотой по сравнению с методами грави-, сейсмо- и магниторазведки [1-3].
Актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью решения задач, связанных с повышением производительности геологоразведочных работ, увеличением точности определения границ залежей углеводородов (нефти и газа), модернизацией имеющихся ЭММ георазведки и разработкой новых методов поиска, идентификации месторождений. Цель работы - определение механизмов взаимодействия сложных геофизических сред с электромагнитным излучением импульсных сигналов радиочастотного диапазона для повышения чувствительности и информативности методов поиска и выделения месторождений и скоплений, что расширяет возможности их использования в сложной геологической обстановке.
В настоящее время в процесс поиска углеводородов активно внедряются ЭММ и аппаратура для их реализации [4]. ЭММ позволяют определять не только контраст сопротивления пород, но и характеристики электромагнитных волн (ЭМВ): амплитуды различных составляющих, их фазовые компоненты, поляризацию и т.д. [5]. Взаимодействие ЭМВ с исследуемым объектом дает возможность получать значительно больше результатов от исследуемых сред на основе вариации параметров зондирующих сигналов в различных диапазонах частот. Решение данных задач базируется на анализе электрофизических и электрохимических процессов в средах над залежами углеводородов. Оптимизация параметров зондирующих сигналов осуществляется с учетом специфических характеристик УВЗ и существующих решений при изучении плазмы на основе квазигидродинамического подхода [6].
Результаты применения ЭММ для поиска УВЗ представлены во многих работах. В способе [7] апробируется радиоволновой метод поиска. Широко используются методы на основе электрорезонансного зондирования [8]. В работе [9] проведен анализ компонентов поверхностного импеданса среды над УВЗ с учетом влияния на верхний слой всех нижерасположенных слоев. Нефтегазовые резервуары выявляются на основе аномалии потенциалов поля [10]. В основу многих методов георазведки углеводородов может быть положено затухание радиоимпульсных сигналов в среде над залежью [11]. Возможно обнаружение месторождений нефти и газа на основе способа поиска УВЗ [12] по измерениям величины напряженности электрического поля отраженных радиоимпульсных сигналов на глубинах до 200 м. Разработаны методы поиска, оконтуривания и идентификации УВЗ на фоне различных видов подстилающей среды [13-15].
Взаимодействие радиоимпульсного сигнала и среды над УВЗ. Новизна исследований, приведенных в данной статье заключается в том, что полученные результаты способствуют выделению УВЗ по величине отличий компонентов поверхностного импеданса среды над углеводородами по сравнению с однородными средами.
Рассмотрим процесс взаимодействия ЭМВ с УВЗ в режиме радиоимпульсного сигнала вида
—-т ^ (/) = —
81П-
(Ю-Ю0) -т„
вт-
(Ю + Юо) -т„
(Ю-Юо)-ти
(Ю + Юо)-ти
где
— - ти 2
= 1 - амплитуда;
ю = 2 - л - / - частота; ю0 - несущая частота; ти - длительность радиоимпульса.
Среда распространения обладает параметрами е0 , , ст0, волна падает на безграничную поверхность с анизотропным импедансом. Процесс взаимодействия ЭМВ, возбуждаемой с помощью переносного передатчика, перемещаемого вдоль исследуемого профиля с локальным включением на трассе распространения радиоволн, можно представить в виде наклонного падения плоской волны с вертикальной поляризацией. Методика исследований заключается в определении поверхностного импеданса среды над УВЗ по формулам
где
ЕУ =-го(г21Нх~г22Ну)
2Н&ь
(1)
7=7 =
12 21
Еху, Нх - проекции падающей и отраженной волн на соответствующие координатные оси; ^ - характеристическое сопротивление среды, окружающей анизотропную неоднородность; ¿п и ¿п - компоненты поверхностного импеданса среды;
ёк = ¿! + е2 = Яе ел + у 1т ел; Ч =¿1 "¿2 = +
В выражениях (2) присутствуют элементы матрицы (3):
6 =
о о
о
(2)
(3)
Определение величин поверхностного импеданса для различных режимов облучения исследуемого профиля ЭМВ позволяет выделить границу УВЗ. Переход от изотропной среды к анизотропной сопровождается изменением свойств земной поверхности, что приводит к соответствующим изменениям компонентов поверхностного импеданса.
Компоненты поверхностного импеданса среды над УВЗ в выражениях (2) представим в виде
¿п = ¿п ■ ехр(у • фг11), ¿12 = ¿12 ■ ехр(у • фг12),
(4)
где рп > р12 > Ф_| I • Фг12 - соответственно модули и фазы составляющих поверхностного импеданса.
Результаты исследований. Проведен анализ выражений (4) для компонентов поверхностного импеданса среды над УВЗ на основании экспериментально полученных параметров среды над залежами углеводородов [1]: удельная электрическая проводимость = (Ю-6 — 1) См/м; концентрация частиц
N = N = Ю15м_3; частота столкновения частиц у = 1о л-1о9 рад / с. Количество гармоник спектра радиоимпульсного сигнала п выбрано равным 5. Диэлектрическая проницаемость среды исследовалась
в диапазоне от 1 до 25. Величина поверхностного импеданса среды над углеводородами определяется физико-химическими процессами в самой залежи и в околозалежном пространстве, составом кристаллического скелета и термодинамическими условиями залегания (давление и температура), приводящим к влиянию углеводородов на электрические свойства вмещающих пород над УВЗ. Абсолютные значения для компонентов поверхностного импеданса среды над УВЗ приведены на рисунках 1, 2.
Рисунок 1. - Зависимости = у(е ) при изменении удельной проводимости среды
Рисунок 2. - Зависимости = у(е ) при изменении удельной проводимости среды
Следует учесть, что величины |ги| и |г12| являются нормированными и для определения полных величин импеданса их нужно домножать на величину сопротивления окружающей среды = 377 Ом. Составляющая постоянна при больших значениях удельной проводимости среды, лежащих в диапазоне а, = (0,1 - 0,9) См/м и при этом не зависит от вариации диэлектрической проницаемости пород. При
уменьшении удельной проводимости среды до 10-6 См/м закономерности поведения комбинационных составляющих поверхностного импеданса среды над УВЗ могут быть рекомендованы для диагностики анизотропных сред, поскольку происходит резкое изменение данной фазовой компоненты, особенно при значениях диэлектрической проницаемости среды ^ = (1 —10). Дополнительно информацию при таких
исследованиях дает анализ характеристик компоненты поверхностного импеданса . Прослеживается аналогичная функциональная зависимость данной составляющей как и для за исключением численных значений. Влияние удельной проводимости среды проявляется более ощутимо и это приводит
к повышению информативности исследований. Дополнительно были проанализированы фазовые составляющие поверхностного импеданса среды над залежью (рисунок 3, 4).
с =0.9
— —____иг=0.1
СТ=1(Г
20 25
Рисунок 3. - Зависимости ф^ _ у(б; ) при изменении удельной проводимости среды
Составляющая ф2 постоянна при больших значениях удельной проводимости среды, например для стг = 0,9 См/м и при этом не зависит от изменения диэлектрической проницаемости исследуемых профилей местности. При уменьшении удельной проводимости среды до 0,1 См/м наблюдается уменьшение данной комбинационной составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ при росте диэлектрической проницаемости среды ег. Выделяется экстремальное поведение составляющей ф2 для аг = 10-6
См/м, когда происходит скачкообразное увеличение фазы от -3 рад до 3 рад для диэлектрической проницаемости е = 2 . Следует отметить, что составляющая ф2 носит отрицательный характер, за исключением
а = 10-6 См/м, когда появляется положительный характер поведения данной величины, что соответствует изменению характера проводимости среды. Составляющая фг12 также постоянна при больших значениях удельной проводимости среды, например для стг = 0,9 См/м. Уменьшение удельной проводимости среды приводит к вариации данной фазовой составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ в зависимости от изменения диэлектрической проницаемости исследуемых профилей местности. При уменьшении удельной проводимости среды до 10-6 См/м наблюдается наиболее контрастное уменьшение данной комбинационной составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ при росте диэлектрической проницаемости среды ег. В отличие от фазовой составляющей ф2 данная компонента всегда положительна
в исследуемом диапазоне удельной проводимости среды.
Рисунок 4. - Зависимости ф2 = е,) при изменении удельной проводимости среды
Следует отметить, что зависимости, представленные на рисунках 1-4, соответствуют частоте импульса ¥ = — = 106 Гц. Было проанализировано ее влияние на компоненты поверхностного импеданса
среды над УВЗ (рисунок 5, 6). Применяя частоту импульса 107 Гц, установлено ее воздействие на составляющие сопротивления подстилающей поверхности. При высоких значениях удельной проводимости среды (аг = 0,9 См/м) абсолютная величина составляющей |гп| практически равна нулю во всем исследуемом диапазоне диэлектрической проницаемости. Поверхностный импеданс среды над УВЗ в таком режиме соответствует идеальному проводнику. Для а = 0,1 См/м в отличие от предыдущей частоты импульса появляется увеличение данной компоненты в диапазоне е, = (1-10). Наиболее контрастное изменение (уменьшение) происходит для е =(1-5). Абсолютная величина составляющей значительно превышает по величине |ги| . Для данной компоненты характерно увеличение импеданса по сравнению с предыдущим режимом. При высоких значениях удельной проводимости среды (аг = 0,9 См/м) абсолютная величина составляющей практически постоянна при вариации диэлектрической проницаемости подстилающей поверхности. Для а, = 0,1 См/м в отличие от предыдущей частоты импульса появляется увеличение данной компоненты в диапазоне ^ = (1 —10). Низкие значения удельной проводимости среды (а = 10-6 См/м) приводят к более контрастным изменениям величины |г121. В диапазоне ег = (1 -10) происходит уменьшение данной составляющей поверхностного импеданса среды над УВЗ примерно в 3-3,5 раза. Фазовые составляющие поверхностного импеданса несут дополнительную информацию о характере сопротивления.
В результате процедуру диагностики среды можно осуществлять согласно методики решения обратной задачи, по которой на основании измерения компонент поверхностного импеданса и его фазовых компонент осуществляется определение диэлектрической проницаемости, удельной проводимости среды и глубины слоя. При определении поверхностного импеданса важную роль играют физико-геологические свойства пород-коллекторов, которые в свою очередь определяются гранулометрическим и минералогическим составом пород, особенностями структурно-текстурного строения скелета. Двухканальная схема определения комбинационных составляющих| и |г121 позволяет учитывать характер пористости и проницаемости, вид цементирующего вещества и механические свойства скелета, количеством пластовой воды в порах и ее минерализацию и т.д. Распространение ЭМВ в режимах с правой и левой круговыми поляризациями над исследуемым геологическим профилем местности позволяет повысить производительность методов электроразведки. Дополнительная априорная информация может быть получена с помощью перемещения передатчика и приемника вдоль исследуемого профиля, задаваясь конкретными значениями расстояний и проводя конкретизацию электродинамических моделей УВЗ для повышения эффективности ЭММ георазведки с учетом влажности слоев, климатических факторов и особенностей измерений сезонного характера.
0.5
- с =0.9
--сгг=0.1
и =10Н
20 25
Рисунок 5. - Зависимости = ег) при изменении удельной проводимости среды
4
2.5 -4 21.5 -
=0.9 =0.1
--и
= 10"®
О-'-'-'- 1 =-!
О 5 10 15 20 25
Рисунок 6. - Зависимости |zi2| = у( ег) при изменении удельной проводимости среды
Заключение. Проведенный анализ компонентов поверхностного импеданса среды над УВЗ при взаимодействии радиоимпульсных сигналов показал возможность расширения функциональных зависимостей данных компонентов от режимов зондирования, что позволяет повысить точность разрабатываемых методов поиска УВЗ.
При этом следует отметить:
- электродинамические характеристики среды над залежью углеводородов в режиме радиоимпульсных сигналов могут быть определены по характеру и величине амплитудных и фазовых компонент поверхностного импеданса анизотропного слоя;
- информативность методов оконтуривания и выделения УВЗ повышается за счет применения для определения характеристик среды над залежью ЭМВ с правой и левой круговыми поляризациями, что реализуется на основе двухканальной схемы определения комбинационных составляющих;
- по амплитудным и фазовым характеристикам поверхностного импеданса при вариации частоты радиоимпульса может осуществляться диагностика сред при повышении производительности геологоразведочных работ и точности определения границ залежей углеводородов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гололобов, Д.В. Взаимодействие электромагнитных волн и углеводородных залежей / Д.В. Гололо-бов. - Минск : Бестпринт, 2009. - 185 с.
2. Электроразведка : справ. геофизика : в 2 кн. - 2-е изд., перераб. и доп. ; под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. - М. : Недра, 1989. - Кн. 1. - 438 с.
3. Электроразведка : справ. геофизика : в 2 кн. - 2-е изд., перераб. и доп. ; под ред. В.К. Хмелевского и В.М. Бондаренко. - М. : Недра, 1989. - Кн. 2. - 378 с.
4. Способ поиска месторождений нефти и газа : а. с. SU 1264122 / А.Ф. Семенцов, В.Ф. Семенцов. - Опубл. 15.10.1986.
5. Могилатов, В.С. Зондирования вертикальными токами / В.С. Могилатов, Б.П. Балашов. - Новосибирск : СО РАН, филиал «Гео», 2005.
6. Moskvichew, V.N. Interaction of electromagnetic waves (EMW) with anisotropic inclusion in communication line / V.N. Moskvichew // 9-th Microw. Conf. NICON - 91, Rydzyna, May 20-22, 1991. - Vol. 1. -P. 240-244.
7. Способ радиоволнового зондирования и устройство для его осуществления : пат. RU 2152060 / В.К. То-милин, Г.П. Астафьев, В.И. Луконин. - Опубл. 27.06.2000.
8. Levashov, S.P. Electric-resonance sounding method and its application for, geological-geophysical and engineering-geological investigations [Electronic resource] / S.P. Levashov // 66nd EAGE Conf. and Tech. Exhib., Paris, France, 7-10 June 2003. - CD-ROM Abstracts volume.
9. Adamovskiy, E. Simulation of electromagnetic waves interaction with hydrocarbon deposits / E. Adamov-skiy, V. Yanushkevich // 8 Junior researchers conference European and national dimension in research : in 3 p. / PSU. - Novopolotsk : PSU, 2016. - Р. 3 : Technology. - Р. 179-183.
10. Frasheri, A. Self-potential anomalies as possible indicators in search for oil and gas reservoirs / A. Frasheri // 57th EAGE Conf. and Tech. Exhib., Glasgow, 29 May-2 June 1995. - Glasgow, UK. - P. 8.
11. Взаимодействие электромагнитных волн с анизотропными средами над углеводородными залежами в режиме радиоимпульсных сигналов. / В.Ф. Янушкевич [и др.]. // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С, Фундаментальные науки. - Новополоцк, 2016. - № 12. - С. 45-50.
12. Иванова, К.И. Способ геоэлектроразведки углеводородной залежи с использованием радиоимпульсных сигналов. / К.И. Иванова, В.Ф. Янушкевич // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире : материалы XV междунар. науч.-техн. конф., Санкт-Петербург, 4 окт. 2016 г.-СПб. - Т. 1. - С. 107-111.
13. Янушкевич, В.Ф. Электромагнитные методы поиска и идентификации углеводородных залежей / В.Ф. Янушкевич. - Новополоцк, ПГУ, 2017. - 232 c.
14. Янушкевич, В.Ф. Моделирование двухчастотного взаимодействия электромагнитных волн с углеводородной залежью / В.Ф. Янушкевич // Приборы. Справ. журн. - 1999. - № 10. - С. 27-29.
15. Электродинамические параметры подводных источников в поле поверхностной электромагнитной волны / Д.В. Гололобов [и др.]. // 35 Всерос. Межвуз. науч.-техн. конф. : тез. докл. - Владивосток. -1992. -Т. 1, ч. 1. - С. 59-62.
16. Янушкевич, В.Ф. Поверхностный импеданс анизотропной среды над углеводородными залежами в режиме радиоимпульсных сигналов [Электронный ресурс] / В. Ф. Янушкевич // Журнал радиоэлектроники. - 2017. - № 10. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/oct17/2/text.pdf. - Дата доступа: 25.02.2020.
Поступила 10.03.2020
INFLUENCE OF LAYOUT SURFACE CHARACTERISTICS ON COMPONENTS OF SURFACE IMPEDANCE OF THE MEDIUM OVER HYDROCARBONS
& ABRAMENKO, V. YANUSHKEVICH, V. BOGUSH
The article provides an analysis of the interaction of electromagnetic waves in the mode of radio-pulse signals with the medium above hydrocarbon deposits. The behavior of the amplitude and phase components of the surface impedance of the anisotropic medium over the reservoir in the mode of radio-pulse signals based on the quasi-hydrodynamic approach is studied. The analysis of the constituent components of the surface impedance of the medium over hydrocarbons for electromagnetic waves with right and left circular polarizations, depending on the dielectric constant and conductivity of the medium. It has been established that, according to the amplitude and phase characteristics of the surface impedance, when the frequency of the radio pulse is varied, media diagnostics can be carried out while increasing the productivity of exploration work and the accuracy of determining the boundaries of hydrocarbon deposits.
Keywords: hydrocarbon deposit, surface impedance, radio-pulse signal.
