В условиях напряженного материально-финансового обеспечения и возрастающей сложности горно-геологической обстановки при разработке и эксплуатации углеводородных залежей высокая эффективность геолого-экономической оценки месторождений может быть достигнута при углублении фундаментальных исследований. К приоритетным направлениям исследований относится создание новых геофизических методов поиска углеводородных залежей, базирующихся на синтезе классической и квантовой физики, принципиально новых физико-математических моделях среды и процессов в земных недрах (нелинейная геофизика и геофизика анизотропных сред), внутренних взаимосвязях геологических процессов и физических полей [I].

Традиционно используемые для этих целей способы акустического или электрического импульсного воздействия позволяют послойно расчленять породы до фундамента и получать разрез изучаемой структуры по геофизическим параметрам. При обработке аэрокосмической информации и результатов дистанционного зондирования тональные аномалии на снимках подстилающей поверхности в различных диапазонах часто отождествляются с кольцевыми и протяженными структурами, тектоническими нарушениями и разломами, по которым определяются предполагаемые ловушки и скопления углеводородов. Однако на первый план выдвигается тезис комплексирования методов георазведки и более корректного отношения к сейсмической информации [5].

К настоящему времени накоплен значительный объем информации по использованию электромагнитных волн широкого диапазона частот для прямых методов поиска и исследования нефтяных и газовых месторождений (Фролов А,Д.. Озеров В.Д., 1969; [4]). Известно, что коэффициент подтверждаемости аномалий с перспективными структурами на нефть и газ превышает значение 0,85 для глубины до 3 км, хотя в реальных породах технически сложна обеспечить глубинность распространения более 100 м и регистрацию отклика радиоволн используемого диапазона частот (1.5-2,0 МГц), Тем не менее частотный диапазон аппаратуры подповерхностного зондирования углеводородных залежей перемещается в область сверхвысоких частот [4],

Несомненные преимущества радиоволновых методов дистанционного зондирования месторождений нефти и газа хорошо проявляются при сравнении с традиционными (результативность поискового бурения не превышает 30 %, а сейсморазведки - 15-20 %), причем альтернативные прямые методы экологически чище и в 25-30 раз дешевле [I]. Основной довод противников радиоволновых методов о сильном влиянии погодного слоя на результаты зондирования базируется, вероятно, на сложности интерпретации аэрокосмической информации и методов ее обработки, а также отсутствии теоретического обоснования вопросов взаимодействия электромагнитных волн с глубокозалегающими углеводородами. Важное прикладное значение с позиций поиска, разведки и оконтуривания углеводородных залежей имеет разработка электродинамической модели такого взаимодействия.

Предлагаемая модель основана на возникновении свободных носителей заряда над углеводородной залежью и их перемещении к дневной поверхности, образовании над месторождением углеводородов среды с пространственной и частотной дисперсией. Вне контура залежи углеводородов колонна вмещающих пород представляет собой в целом нейтральную систему, находящуюся в химическом, физическом и термодинамическом равновесии с окружающим пространством, и имеет твердый кристаллический скелет пород, пронизанный электролитом водных растворов солей и проводящими включениями за счет минералов с электронной проводимостью. Под действием пластового давления и высоких температур скопление углеводородов поляризуется [2], и на границе контакта с окружающей углеводородную залежь средой образуется промежуточная область, в которой преобладают восстановительные процессы, характеризующиеся переходом ряда химических элементов осадочных пород в низковалентное состояние и избытком свободных электронов.

Геохимические исследования образцов пород над углеводородной залежью свидетельствуют о хлоридно-натриевой среде в рассолах повышенной концентрации щелочных и редкоземельных металлов, изотопных элементов и радия. Такие условия способствуют образованию в пограничной зоне углеводородной залежи сложных ионных соединений полупроводникового типа (электриды и алколиды), состоящих из циклических углеводородов и ионов щелочных металлов, обладающих повышенной термоэлектронной эмиссией (до 10,0 мкА/м² при температуре 20 °С) [2]. Кроме того, дополнительным источником свободных зарядов служат увеличение механоэмиссии и электризация соединений NaCl с примесями Са²⁺, ОН^2-, О^2-, усиливающаяся в процессе g-облучения, а также возрастание термоэмиссии образцов при адсорбции на их поверхность атомов (ионов) щелочных металлов в интервале температур 20-300 °С.

Развитие вторичных процессов минералообразования в вертикальном разрезе над углеводородной залежью, физические и химические изменения во вмещающих породах из-за обменных реакций и преобразований сопровождаются смещением свободных носителей заряда в направлении убывания температуры среды, их избытком на уровне дневной поверхности над месторождением нефти и газа, появлением компенсирующих ионных токов (Pirson S.J., 1971). Вертикальная миграция заряженных частиц, возникающих при поляризации углеводородной залежи с окислительно-восстановительным потенциалом 140-360 мВ [4], осуществляется вследствие дрейфа флюидов и увеличения потока свободных электронов за счет тепловых колебаний кристаллических решеток, а процесс переноса заряда носит эстафетный характер: частица, первоначально бывшая атомом, после взаимодействия с электроном становится ионом. В таком режиме не происходит упругого рассеяния частиц и дрейфовая подвижность потока ионов mи незначительно отличается от подвижности электронов me. Поэтому отклик углеводородной залежи на периодическое во времени и пространстве электромагнитное возбуждение может быть получен при использовании квазигидродинамического приближения, априори учитывающего взаимодействие между частицами. В этом приближении среда распространения радиоволн над углеводородами представляет собой многочастичную проводящую жидкость, заполняющую колонну вмещающих пород, с твердой, жидкой и газообразной фазами.

Для расчета электрических характеристик предлагаемой модели среды используются экспериментально полученные параметры в окрестности нефтегазовых месторождений [3]: отрицательная геомагнитная аномалия DH = (8.0-15,0) •10^-3 А/м при значении напряженности магнитного поля Земли Н₀ = 39,0 А/м; относительное изменение удельного электрического сопротивления вмещающих пород в пределах контура залежи Dr/r = 2-3 при усредненных значениях диэлектрической проницаемости er = 5-10 и электрической проводимости sr = 0,003-0,03 См/м. В простейшем случае рассматриваемая среда принимается электронейтральной с одинаковой концентрацией электронов Ne и однозарядных ионов Nи, а приращение удельного сопротивления обеспечивается перемещением заряженных частиц в геомагнитном поле (магниторезистивный эффект).

Из условия непрерывности нормальных составляющих магнитной индукции на границе раздела сред по принятому значению аномалии геомагнитного поля рассчитывается коэффициент магнитной восприимчивости c = (1-2)•10^-4, характеризующий диамагнитные свойства потока электронов, Свободные носители дрейфуют во вмещающих породах со средней скоростью (0,4-1,0)•10^-4 м/с, найденной из соотношения классической электродинамики:

Рассчитанные значения средней скорости перемещения свободных носителей совпадают с опубликованными экспериментальными данными о скорости миграции газовой фракции над углеводородной залежью и составляют 10^-3 - 10^-5 м/с.

В приближении однородного электрического поля для окислительного потенциала поверхности углеводородов 0,3-0,4 В и типичных глубин залегания углеводородных залежей на территории Припятского прогиба h=2,0-3,5 км напряженность не превышает значения E=(4,0-9,0) •10^-5 В/м, откуда дрейфовая подвижность заряженных частиц m = V/E имеет значение 0,5-2,5 м²/(B*c), а концентрация N =ds/ (g m ) = (0,3-12,0) •10¹⁶ м^-3 В дальнейшем анализируется модель двухчастичной электронно-ионной жидкости с массой однозарядного иона т_и = 5•10⁴ т_e, соответствующей усредненной атомной массе наиболее распространенных над углеводородной залежью химических элементов Na, Mg. К, Са, С1 [З], Как наиболее энергоемкие учтены ионные и электронно-ионные столкновения, эффективные частоты которых, определенные по дрейфовым подвижностям, равны соответственно

что хорошо коррелируется с экспериментальными значениями плотности теллурических токов -12,0-20,0 мкА/м² [4].

Таким образом, для исследования взаимодействия радиоволновых полей с углеводородной залежью при выделении контура месторождения на фоне дневной поверхности можно представить колонну вмещающих пород над залежью в виде плазмоподобного включения (среды с частотной и пространственной дисперсией), состоящего из многочастичной электронно-ионной фракции и диэлектрического наполнителя с электрическими параметрами горных пород, При этом потери энергии электромагнитных волн за счет соударения частиц учитываются эффективной частотой столкновения nэф, определяемой при кинетическом рассмотрении процессов, а полный ток в среде под воздействием возмущений электоомагнитной волны с напряженностью поля представляет собой суперпозицию токов частиц каждого сорта.

определяется токами и среде с комплексной диэлектрической проницаемостью (e₀ = 8,8*10^-3 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума) и токами конвекции в многочастичной жидкости с известными значениями заряда gi и концентрации Ni. Для расчета токов конвекции из уравнения движения

находится скорость перемещения частиц i-го сорта Vi в немагнитной среде. Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет рассчитать тензор диэлектрической проницаемости с плазменным включением и при выборе оси Z декартовой системы координат в направлении подмагничивающего поля представить его в виде

С позиций дистанционного зондирования, разведки и оконтуривания нефтегазовых месторождений радиоволновыми методами процесс взаимодействия представляется режимом распространения электромагнитных волн над анизотропным образованием, а выделение углеводородной залежи на фоне подстилающей поверхности включает решение одной из трех задач - резонансной, объемной или поверхностной.

Первая, резонансная задача связана с существованием окон прозрачности для электромагнитных волн на частотах различных гибридных, плазменных и циклотронных резонансов, их комбинационных гармоник, возникающих аномальных эффектов и трансформаций (Плэтцман Ф„ Вольф П.. 1975), Для рассчитанных параметров электронно-ионной фракции частоты низших резонансов имеют следующие ориентировочные значения: ионный циклотронный 30-50 Гц; нижнегибридный 15-20 кГц; электронный циклотронный 1,5-2,0 МГц; ионный плазменный 3-5 МГц; электронный плазменный 0.9-1,0 ГГц; верхнегибридный 1,5-2,0 ГГц.

Реализация третьей, поверхностной задачи -аналитическое описание параметров электродинамической модели вмещающих пород над месторождениями нефти и газа, что позволяет в общем виде исследовать взаимодействие радиоволновых полей с углеводородной залежью, представив процесс распространения электромагнитной волны в виде режима наклонного падения плоской волны на безграничную поверхность с анизотропным импедансом (в приближении больших характерных размеров неоднородности по сравнению с длиной волны зондирующего сигнала). Так как в структуре поля отраженной от анизотропной неоднородности плоской волны с заданной линейной поляризацией появляется кроссполяризационная компонента (двойное лучепреломление), режим наклонного падения характеризуется парой коэффициентов Френеля Rвв, Rвг для вертикальной и Rгг, Rгв для горизонтальной поляризации падающей волны. Вследствие поляризационных искажений, зависящих от коэффициентов Френеля, проекция траектории пуча смещается в плоскости XOY на угол Dj относительно направления распространения падающей электромагнитной волны. Наряду с изменением траектории луча отраженная электромагнитная волна будет поляризована по эллипсу в случае циркулярной поляризации падающей, а возникшее за счет анизотропной неоднородности смещение луча электромагнитной волны соответствует коэффициенту кроссполяризации kв =Rвг /Rвв или kг = Rгв /Rгг.

Смещение траектории луча отраженной волны экспериментально исследовалось на геологическом профиле 011185, проходящем через месторождение нефти, по разности углов приема максимума сигнала над изотропной и анизотропной подстилающей поверхностями на фиксированных частотах СДВ, СВ, KB, УКВ, СМВ, ММВ (рис. 2). Для сравнения на рис. 2 приведены расчетные зависимости коэффициента кроссполяризационных искажений волны с вертикальной поляризацией Kв, качественно совпадающие с результатами эксперимента. Анизотропия поверхностного импеданса вмещающих пород над углеводородной залежью проявляется не только в изменении направления максимального излучения. При измерениях входного сопротивления излучающего элемента наблюдается контраст параметров на разных частотах и ортогональных поляризациях зондирующего сигнала ввиду значительной частотной зависимости компонентов тензора (3).

Экспериментальное исследование изменения коэффициента отражения в тракте СВЧ-излучателя, установленного на высоте (1-2)l₀ над подстилающей поверхностью, было проведено вблизи контура действующего месторождения, определенного по сейсмогеологическому разрезу в районе отметки 2900 ±100 м (рис. 3). Сплошной линией на рис. 3, а изображены результаты расчета изменения входного сопротивления излучателя d = 20 lg(Z_f / Z_F ) на частотах сантиметрового f и миллиметрового F диапазонов длин волн, штриховой - экспериментальные данные, r - расстояние вдоль геологического профиля. Относительное приращение входного сопротивления СВЧ-излучателя при изменении вида поляризации волны зондирующего сигнала

DZ=20 lg(Z_E - Z_H )Z0^-1,

где Z_E - соответствует электрической, Z_H - магнитной поляризации (см. рис. 3,б), выражено слабее по сравнению с предыдущим режимом измерения. Однако характер зависимости DZ = f(r) свидетельствует о преобладании краевых эффектов вблизи контура углеводородной залежи.

При больших углах падения электромагнитной волны (скользящее распространение) в структуре поля преобладает поверхностный компонент и процесс распространения поверхностной волны более качественно отражается взаимодействием электромагнитной волны с анизотропной средой. Представленные на рис. 1 частотные зависимости диэлектрических проницаемостей модели подстилающей поверхности для циркулярно поляризованных волн (e_R и e_L )позволяют оценить области частот наибольшего возмущения и амплитудно-фазовых искажений структуры поля поверхностной волны (в первом приближении).

В диапазоне частот до 1-2 МГц существует только одна быстро затухающая волна, так как e_R >0. С ростом частоты улучшаются отражательные свойства среды (e_R <0, e_L < 0), и до 200-300 МГц подстилающая поверхность поддерживает существование двух поверхностных волн, затухание которых логарифмически убывает с ростом частоты. В области частот более 500 МГц поверхностная волна существовать не может (e_R >0, e_L >0), и в естественных условиях преобладает лучевой характер распространения электромагнитной волны. В частотном промежутке между этими областями наблюдаются практически полное поглощение сигнала за счет преобразования поверхностных волн в объемные и их распространение вдоль подмагничивающего поля в анизотропной среде.

Аномальное возрастание напряженности поля поверхностной волны Ef₁ над углеводородной залежью относительно амплитуды контрольного сигнала электромагнитной волны Ef₂ с частотой циклотронного резонанса f₂, экспериментально зафиксированное при выборе частоты исследующего зондирующего сигнала f₁ в области отрицательных значений e_R и e_L , хорошо коррелируется с границей нефтяного месторождения (см. рис. 3. в). На рис. 3,в представлена зависимость D = f(r) = 20 lg(Ef₁ / Ef₂) от положения измерительного приемника на геологическом профиле.

1. Бакиров ЭА Направления дальнейшего развития исследований фундаментальных проблем нефтегазогеологической науки //Фундаментальные проблемы нефтегазогеологической науки. //Тр. МИНГ. - М., 1991. - Т. 3. - № 226. -С.212-214.

2. Дмитриев А.Н. Геоэлектрическая модель среды с поляризационной залежью углеводородов. - М., 1981. - Вып. 93. - С.100-106.

3. Москвичев В.Н. Исследование взаимодействия электромагнитных волн с углеводородной залежью. - Минск. 1989. - Вып. 18. - С.91-96.

4. Электромагнитные методы разведки нефти и газа /Под ред. М.И.Скольника // Тр.ИИЭР - 1989, - Т.77. -- № 2. - С.6-86.

5. Lerche I. Direct detecnion of hudrjcarbons: some preliminare thoughts and enestions // Energy Explorat. and Expiot. - 1987. - Vor 5. № 4. - P. 265-285.