Введение к работе
Актуальность проблемы. Электромагнитные методы зондирования являются эффективным инструментом получения информации о приповерхностных слоях земных покровов (0-2 м) и находящихся в них локализованных объектах При этом для достижения пространственного разрешения широкое применение нашли сверхширокополосные импульсные сигналы Преимуществами сверхширокополосной (СШП) радиолокации является высокая разрешающая способность вследствие короткой длительности импульса и увеличение информативности рассеянного объектами сигнала благодаря большой ширины спектра
В настоящее время разработаны приборы подповерхностного зондирования — георадары, с чувствительностью порядка 100 мкВ, использующие импульсы различной формы, длительностью Юле-10 не и амплитудой 10 В-1 кВ В качестве излучающих и принимающих элементов обычно используются широкополосные дипольные антенны с полосой пропускания от 0,35 до 2,5 ГГц и коэффициентом стоячей волны не хуже 2,0
Вместе с тем природные среды, благодаря частотной дисперсии их диэлектрической проницаемости, представляют собой частотные фильтры для электромагнитных волн Вследствие зависимости от частоты фазовой и групповой скоростей гармоник, а также их затухания в веществе, происходят изменение в фазовых и амплитудных соотношениях между спектральными компонентами, что приводит к изменению результата их интерференции -импульсный сигнал изменяет свою форму
Несмотря на интенсивное развитие сверхширокополосной радиолокации, одной из проблем является обработка и интерпретация отраженных сигналов в неоднородных диспергирующих средах, поскольку их спектр существенно искажается при распространении Кроме того, уровень принимаемого сигнала весьма мал и может восприниматься широкополосным приемником как шум
Для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования нефтегазовых скважин, приповерхностных слоев грунтов является актуальным исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в неоднородных средах с частотной дисперсией
В связи с этим создание математических моделей, описывающих электромагнитные импульсные процессы в природных полидисперсных неоднородных средах, обладающих частотной дисперсией, позволит при обработке сигналов априори учитывать влияния, вносимые средой и локализованными объектами
Состояние исследований. Существующие исследования направлены на анализ формы и оценки энергетических потерь при распространении импульсов, прогнозирование предела разрешающей способности и глубинности
обнаружения целей в различных модельных средах На основе численно-аналитических методов (метод интегральных уравнений, конечных элементов, конечных разностей, дискретных источников и др) в существующей литературе моделируется подповерхностное возбуждение короткими импульсами однородных полупространств с локализованными объектами
Вместе с тем в настоящее время недостаточно исследованы явления распространения, излучения, дифракции широкополосных импульсов, прогнозирование предела разрешающей способности и глубинности обнаружения целей в сложных полидисперсных, пространственно неоднородных средах с произвольной частотной дисперсией диэлектрической проницаемости
Цель диссертационной работы. Целью работы является численно-аналитическое исследование процессов распространения, излучения и рассеяния на локализованных объектах СШП электромагнитных импульсов в слоисто-неоднородных средах, обладающих частотной дисперсией диэлектрической проницаемости
HajajOHTy выносятся следующие положения
Полученное в работе обобщение метода дискрешых источников на случай слоисто-неоднородных, частотно-дисперсных, поглощающих сред в сочетании с использованием спектроскопической рефракционной модели комплексной диэлектрической проницаемости смеси позволяет проводить анализ процессов распространения и рассеяния широкополосных электромагнитных импульсов наносекундной длительности в средах флюидонасыщен-ных пород нефтегазового коллектора и активного слоя вечной мерзлоты
Вариации коэффициентов затухания спектральных компонент в частотно-дисперсной среде приводят к уменьшению среднего значения погонного затухания энергии в нефтеносном слое толщиной до 2,5 м с 61,6±2,4 дБ/м до А%,\±2,1 дБІм, когда длительность зондирующего импульса возрастает с 0,3 не до 3,0 не, что определяет предельную дальность зондирования границы между нефтеносным и водоносным слоями в 1,5-2,0 м при динамическом диапазоне современных георадаров в 120 дБ
Процесс распространения наносекундного импульса длительностью 0,3 и 3,0 не при зондировании границы между нефтеносным и водоносным слоями на расстояниях от 0,2 м до 1,5 лг сопровождается низкочастотной фильтрацией спектра зондирующего импульса и уменьшением погонного затухания энергии импульса в среднем в 2,5 и 1,7 раз, однако возникающее при этом уменьшение ширины спектра импульса в 8 и 2 раза приводит в итоге к уменьшению пространственного разрешения границы, определяемого по времени задержки зондирующего импульса, с 0,01 и 0,03 м до 0,49 и 1,4 м
Объединение обобщенного метода дискретных источников и спектроскопической модели комплексной диэлектрической проницаемости Смеси, которая учитывает процессы диэлектрической релаксации в незамерзшей почвенной влаге, позволяет анализировать процессы подповерхностного зон-
дирования объектов в условиях замерзания и оттаивания активного слоя вечной мерзлоты, в частности, определять предельные глубины зондирования в зависимости от сезона года и учитывать маскирующее и искажающее влияние границы между мерзлым и талым слоями
Достоверность результатов работы обеспечивается:
а) полученные аналитические выражения удовлетворяют уравнениям
Максвелла, граничным условиям, условию излучения на бесконечности,
б) совпадением результатов расчетов в частных случаях с данными из
вестными в литературе и полученных другими методами,
в) контролем точности вычислений
Научная новизна и практическая значимость
Развито применение метода дискретных источников для решения импульсных задач дифракции на импедансных цилиндрах и возбуждения импульсов тонким линейным вибратором Рассмотрение производится в произвольной плоскослоистой среде с частотной дисперсией диэлектрической проницаемости
Впервые проведено численное моделирование процессов отражения и рассеяния СШП - импульсного сигнала от приповерхностного слоя почвы зоны вечной мерзлоты, содержащего заглубленный локализованный объект Комплексная диэлектрическая проницаемость грунта рассчитывалась на основе рефракдионной модели и реальных данных о его физических свойствах (профили температуры, объемного содержания влаги, песка и глины, величины проводимости)
Впервые проведено численное моделирование распространения широкополосных импульсов, излучаемых линейным вибратором в нефтесодержа-щей среде в присутствии водонефтяного контакта Для описания среды использованы реальные данные о содержании различных компонент в области нефтяного коллектора (объемные доли песка, бентонита, водною раствора соли, нефти и метана)
Впервые получены численные оценки затухания потока энергии электромагнитных импульсов наносекундной (3 не) и пикосекундной (0,3 не) длительности, распространяющихся в реальной нефтенасыщенной среде коллектора и отраженных от границы водонефтяного контакта
Результаты диссертационной работы могут быть использованы для:
а) изучения распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде нефтяного коллектора при создании фундаментальных основ принципиально новых технологий сверхширокополосного зондирования нефтегазовых скважин,
б) проведения оценок энергетического потенциала и пространственной
точности обнаружения водонефтяного контакта в среде нефтегазового кол
лектора,
в) создания баз данных импульсных откликов, отраженных подповерх
ностными объектами при вариациях профилей температур и влажностей поч
вы, что необходимо для обработки данных георадарного зондирования в зоне
вечной мерзлоты
Связь с плановыми работами. Работа была выполнена в рамках программы Президиума РАН «Изучение процессов в земной коре и ее структуры для прогноза природных опасных явлений с использованием геофизических методов и бурения» проект «Разработка моделей и алгоритмов аэрокосмического радарного и радиометрического зондирования активного слоя вечной мерзлоты» 2004-2005гг, междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН «Исследование распространения наносекундных электромагнитных импульсов в геологической среде для создания фундаментальной основы принципиально новых технологий зондирования в нефтегазовых скважинах» 2006-2008 гг, программы РАН «Радиофизические методы диагностики окружающей среды» базовый научный проект СО РАН «Диэлектрическая спектроскопия природных сред в радиоволновом диапазоне частот» 2007-2009 гг, поддержана грантом РФФИ+ККФН №07-05-96804-р_енисей_а «Исследование наноимпульсных методов электрофизической разведки природного органического сырья» 2007-2008 г
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XXXI Научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов ( г Барнаул, 2004), III Всероссийской открытой конференции, «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г Москва, 2005), Международной научно-практической конференции, «Инновационные технологии для нефтегазового комплекса» (г Новосибирск, 2005), Конкурс-конференция молодых ученых Красноярского научного центра СО РАН, (г Красноярск, 2006), XXV и XXVII Международных симпозиумах IGARSS'05 {Korea, Seoul, 2005) и IGARSS'07 (Spain, Barcelona, 2007)
Публикации по теме диссертации. Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати в 10 работах, в том числе, в рецензируемых журналах, включенных в список ВАК (2), препринтах (1), прочих журналах (1), трудах конференций (3), тезисах конференций (3)
Личный вклад автора Совместно с научным руководителем работы обсуждены и определены направления исследований Автором диссертации проведено построение решений, написаны программы, реализующие алгоритмы расчетов Приведенные в диссертации численные результаты получены и проанализированы соискателем самостоятельно Автор выражает глубокую благодарность академику М И Эпову за постановку проблемы и члену-
корреспонденту РАН, доктору физико-математических наук, профессору Миронову В Л за постоянное внимание и помощь в работе по данной теме
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы Работа содержит 150 - страниц, 50 - рисунков, 4 - таблицы, 1 - приложение Список литературы - 160 наименований
