CC BY
33
УДК 550.837
ВЫКЛЮЧЕНИЕ ТОКА В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ НЕЗАЗЕМЛЕННОЙ ПЕТЛЕ: ТЕОРИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТ
Николай Олегович Кожевников
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории геоэлектрики, тел. (383)333-28-16, e-mail: KozhevnikovNO@ipgg. sbras.ru
Владимир Владимирович Потапов
Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга, 3, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории геоэлектрики, тел. (383)333-28-16, e-mail: PotapovVV@ipgg.sbras.ru
Рассматривается процесс выключения тока в горизонтальной незаземленной петле, используемой в качестве источника первичного магнитного поля в методе переходных процессов. Показано, что петля в совокупности с подстилающей ее верхней частью геологического разреза образует сложную систему с распределенными параметрами. Поэтому переходный процесс тока в петле отличается от предсказывемого традиционной теорией импульсной индуктивной электроразведки на основе модели петли в виде эквивалентного контура с сосредоточенными параметрами. Эти отличия (в первую очередь, эффекты запаздывания) необходимо учитывать при измерениях на ранних временах.
Ключевые слова: метод переходных процессов, горизонтальная петля, выключение тока, длинная линия.
CURRENT TURN-OFF IN A HORIZONTAL UNGROUNDED LOOP: THEORY AND EXPERIMENT
Nikolay O. Kozhevnikov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics (IPGG) SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp., Ph. D., Prof., Principal Scientist, tel. (383)333-28-16,
e-mail: KozhevnikovNO@ipgg.sbras.ru Vladimir V. Potapov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics (IPGG) SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3, Akademika Koptyuga Prosp., Ph. D., Research Scientist, tel. (383)333-28-16, email: PotapovVV@ipgg.sbras.ru
The paper discusses the current turn-off in a horizontal ungrounded 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. Because of this, the current turn-off in a loop differs from that predicted by the conventional theory of the TEM method on the basis of representing a loop as an equivalent lumped circuit. These dissimilarities (time delay effects first of all) have to be taken into consideration when measuring a TEM response at early times.
Key words: TEM method, horizontal loop, current turn-off, transmission line.
Незаземленная горизонтальная петля, используемая для возбуждения индукционных переходных процессов в земле, является одним из основных элементов системы 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 источника, измеряется создаваемое этими токами вторичное магнитное поле.
На низких частотах и/или поздних временах для моделирования собственного отклика незаземленной горизонтальной петли допустимо использовать эквивалентный контур с сосредоточенными параметрами. Однако реальная петля является системой с распределенными параметрами. Провод петли в совокупности с подстилающей его землей образуют длинную линию, поведение тока в которой на высоких частотах и/или ранних временах описывается волновым уравнением. Параметры линии «провод -земля» сложным образом зависят от удельной электропроводности земли и частоты или времени.
На первый взгляд, длинная линия, образованная землей и расположенным на ней проводом, имеет мало общего с незаземленной горизонтальной петлей. Однако благодаря симметрии петля может быть представлена в виде двух идентичных длинных линий, которые включены последовательно таким образом, что общая точка, где выходы линий встречаются, заземлена. Источник тока/напряжения также можно представить в виде комбинации двух идентичных последовательно соединенных источников, общая точка которых заземлена [Кожевников, 2009].
После отключения от батареи или генератора в петле возникают собственные колебания тока. Период этих высокочастотных колебаний определяет минимальное время, в течение которого может быть выключен ток в петле. Оно ограничивает начальное время измерений и, соответственно, минимальную глубину зондирований.
Способом, позволяющим «увидеть», что происходит в различных точках провода петли после ее отключения от батареи, является представление процесса выключения тока в виде суперпозиции волн, распространяющихся в противоположных направлениях в длинной линии, образованной проводом петли и подстилающей ее землей.
Процесс возникновения в петле собственных колебаний тока рассмотрен в [Кожевников, 2009]. На основе теории длинных линий предложена модель, с помощью которой удалось объяснить связь периода колебаний и постоянной времени затухания с параметрами провода, размерами петли и удельным электрическим сопротивлением подстилающих пород.
Если на входе петли обеспечить условия согласования, бегущие от центральной точки волны тока не отразятся на зажимах петли, и процесс выключения тока закончится. Этого можно достичь, если подключить к зажимам петли внешнее сопротивление, равное удвоенному
2
характеристическому сопротивлению Z0 линии «провод - земля», которое для расположенного на поверхности земли провода ГПМП, как показали специальные измерения, составляет около 350 - 400 Ом. На рис. 1а приведены мгновенные «снимки» распределения тока по периметру петли в фиксированные моменты времени. Как нетрудно видеть, в отличие от постулируемого в традиционной теории импульсной индуктивной электроразведки одновременного выключения тока во всех точках провода, на ранних временах имеет место запаздывание. Дополнительную информацию дают графики зависимости тока от времени, построенные для различных участков петли (рис. 1б). Из представленных на рис. 1б графиков видно, что время выключения тока в петле не может быть меньше полупериода собственных колебаний Т/2.
а) б)
о
Рис. 1. Процесс выключения тока в режиме согласования, когда к зажимам петли подключен резистор с сопротивлением, равным удвоенному характеристическому сопротивлению линии «провод петли - земля»:
а - распределение тока по периметру петли для фиксированных моментов времени б - графики тока в зависимости от времени в некоторых точках периметра петли. Т - период колебаний; Р - общая длина провода; х - расстояние, отсчитываемое вдоль
провода от одного из зажимов петли. Отключение источника тока от петли происходит
в момент времени I = 0
Рис. 1 иллюстрирует пространственно-временное распределение тока в идеальной петле, образованной линиями без потерь,. Однако, как показано в [Кожевников, 2009], при моделировании выключения тока в реальной петле расчет первичных параметров системы «провод петли - земля» должен проводиться с учетом: 1) взаимодействия каждой из двух линий, образующих петлю, с собственным током-изображением; 2) взаимного индукционного влияния линий; 3) скин-эффекта в проводе. Взаимное влияние линий приводит к зависимости их первичных параметров, и, соответственно, параметров петли в целом, от удельного электрического сопротивления земли.
Относительный вклад, вносимый в полное сопротивление провода за счет индуктивной связи между двумя линиями, меньше по сравнению с вкладом за счет скин-эффекта в земле. Однако именно эта составляющая зависит от удельного электрического сопротивления подстилающей среды, что делает возможной оценку удельного сопротивления и, возможно, поляризуемости ВЧР путем инверсии колебаний тока в петле. При измерениях в частотной области зависимость параметров петли от ВЧР ограничивает возможности контролировать ток в источнике.
Сопоставление результатов измерений и моделирования процесса выключения тока в режиме свободных колебаний для петли размером 200м х 200м показало хорошее соответствие между экспериментальными и модельными данными [Кожевников, 2009]. Ниже (рис. 2) приводятся результаты подобного сопоставления для петли размером 100м х 100м. Измерения выполнены на полигоне Института геофизики и метеорологии Кельнского университета [Helwig, Kozhevnikov, 2003]. Петля находилась в согласованном режиме (к ее зажимам был подключен резистор с сопротивлением 490 Ом) в точках с координатами х=0, 100 и 200м.
Эффекты запаздывания, которые для идеальной петли, образованной линиями без потерь, иллюстрирует рис. 1б, наблюдаются и в эксперименте. Вместе с тем в деталях имеются отличия, заключающиеся в том, что экспериментальные графики процесса выключения тока в разных точках периметра петли имеют более сложную форму. Вследствие частотной дисперсии первичных параметров реальной петли выключение тока в каждой точке ее периметра - за исключением зажимов - растянуто или «сглажено» по сравнению с таковым для идеальной петли. Кроме этого, в реальной петле в точках, близких к ее зажимам, наблюдаются кратковременные выбросы тока, однозначное объяснение которых на данном этапе исследований затруднено. Пока можно лишь предположить, что отмеченные выбросы появляются вследствие емкостной связи между близкими к зажимам петли участками провода и входом регистратора (в данном случае цифрового осциллографа с автономным питанием). Подобные явления или
«эффекты» относятся к разряду системных помех; их изучение представляет собой самостоятельную проблему.
Рис. 2. Экспериментальные и модельные графики тока в квадратной петле
с длиной стороны 100м, к зажимам которой подключен резистор с сопротивлением 490 Ом (согласованный режим): х= 0 (а), 100м (б) и 200м (в). В момент 1=0 с помощью быстродействующего электронного ключа зажимы петли отключаются от внешнего источника (батареи)
Приведенные на рис. 2 модельные графики тока получены путем ручного подбора. Отыскивались «наилучшие» значения параметров исследуемой системы, в том числе, удельное электрическое сопротивление нижнего полупространства, которое в данном случае оценивается величиной порядка 5 - 10 Ом-м, что по данным геоэлектрических исследований на участке работ соответствует удельному сопротивлению подстилающей геологической среды.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект 13-05-00122
а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. Stefan L. Helwig, Nicolai O. Kozhevnikov, 2003, Schwingungen in TEM Sendesignalen zu frühen Zeiten // 20 Kolloquium Elektromagnetische Tiefenforschung, Königstein, 29.09.3.10.2003, Hrsg.: A. Hördt und J.B. Stoll, 11 - 20. ISSN 0946-7467
© H. O. KoweenuKoe, B. B. nomanoe, 2014
