Скважинное радиопросвечивание
Метод скважинного радиоволнового просвечивания (СРВП) используется для геологического изучения глубоких горизонтов из буровых скважин высокочастотным электромагнитным полем. Метод СРВП основан на различной степени поглощения электромагнитной энергии при прохождении радиоволн через горные породы, благодаря чему в окружающем передатчик пространстве возникают зоны с разным уровнем напряженности поля. В большинстве случаев удельное поглощение радиоволн определяется электропроводностью горных пород, поскольку другие параметры — диэлектрическая и магнитная проницаемости — изменяются в небольших пределах. Породы, имеющие большую электрическую проводимость, обладают способностью и больше поглощать электромагнитную энергию.
Рудные тела с высокой электропроводностью и другие хорошо проводящие объекты являются для проходящих радиоволн экранами, создающими аномальный эффект, который выражается в ослаблении напряженности электромагнитного поля. Наибольшее ослабление наблюдается при прохождении электромагнитной энергии через сплошные руды, сложенные сульфидами, магнетитом и некоторыми другими минералами. Аномальный эффект зависит не только от электромагнитных свойств пород и руд, но также от мощности и линейных размеров тел, применяемой частоты зондирующего поля и от расстояния между передатчиком и приемником.
Методом СРВП геологическое строение исследуемых разрезов изучается в проходящем электромагнитном поле, что определяет характерные особенности радиопросвечивания по сравнению с другими геофизическими методами. Применяются сравнительно короткие длины волн, что позволяет объяснять многие явления, наблюдаемые при радиопросвечивании с помощью геометрической и физической оптики, которая широко используется при геологическом истолковании материалов радиопросвечивания.
Распространение радиоволн в горных породах.
Горные породы в электромагнитном поле можно рассматривать как полупроводящую среду с изменяющимися в пространстве параметрами. Процессы, происходящие в полупроводящей среде при распространении электромагнитной энергии, описываются системой уравнений Максвелла, устанавливающих основные закономерности между составляющими электромагнитного поля:
где Е и Н — текущие значения напряженности электрического и магнитного поля, е — плотность электрических зарядов, а и а — диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, — ее электропроводность.
Рассмотрим распространение электромагнитной энергии для случая, когда электрическое поле меняется во времени по гармоническому закону:
где Ео — амплитудное значение напряженности электрического поля.
Решением этого уравнения является выражение:
где: Ez – вертикальная составляющая электрического поля, т.е. данное решение найдено для плоской волны; Е0 – амплитудное значение напряженности поля в начале координат; = 2f – круговая частота; k’ – волновое число или постоянная распространения; - коэффициент поглощения.
k’ и выражаются через параметры среды. В случае, когда можно пренебречь магнитными потерями в горных породах (малое содержание ферримагнитных минералов):
где σμ – магнитная проводимость, определяемая магнитными потерями.
Приведенные формулы показывают, что скорость распространения волны и коэффициент поглощения зависят от частоты поля и электромагнитных параметров среды.
Скорость распространения электромагнитной волны:
Уменьшение скорости распространения радиоволн приводит также и к укорочению длины волны в породах, которая определяется следующим выражением:
Диэлектрические свойства среды характеризуются плотностью токов смещения, а проводящие свойства — плотностью токов проводимости. В зависимости от соотношения возникающих в среде токов проводимости и смещения скорость распространения, а следовательно, и длина волны будут определяться в крайних случаях диэлектрической проницаемостью или электропроводностью среды.
Плотности токов смещения и токов проводимости определяются следующими формулами:
Отношение этих токов будет иметь вид
Если плотность токов смещения в поле данной частоты значительно превосходит плотность токов проводимости, т. е. /a << 1, то такую среду по своим свойствам можно рассматривать как квазидиэлектрик:
В низкоомных вмещающих породах на частотах порядка первых сотен килогерц в среде преобладают токи проводимости, т. е. /a >> 1. При этих условиях среда ведет себя как квазипроводник, и длина волны и коэффициент поглощения в ней определяются выражениями
Расчеты показывают, что в породах, обладающих сопротивлением порядка 100 ом • м, длина волны на частоте 100 кгц будет около 100 м. Поскольку разрешающая способность радиоволновых методов существенно зависит от длины волны в породе, а дальность просвечивания определяется коэффициентом поглощения, значит укорочение длины волны в низкоомных разрезах позволяет применять сравнительно низкие частоты при сохранении удовлетворительной разрешающей способности и необходимой дальности просвечивания.