ИЗМЕНЕНИЕ РУПОРНОЙ АНТЕННЫ TEM ДЛЯ КОНТРОЛЯ СКВАЖИНЫ

Управление скважинами рассматривается геофизиками и петро­физиками как одна из наиболее важных задач в настоящее время. Необходимая информация об эволюции образования для принятия более определенных решений может быть получена с использованием изображения скважины. Ущерб от образования внутри нефтяных скважин является общей терминологией, относящейся к ухудшению проницаемости нефтеносного образования различными неблагоприят­ными процессами. Для этой проблемы были использованы несколько методов. 

Рисунок 1. Структура скважины. (а) вид сверху, (б) вид сбоку

Методы радиолокационной визуализации СШП, такие как прони­кающие через землю радары, демонстрируют большие перспективы в качестве решения для мониторинга подземных резервуаров и состава материалов в нефтяных скважинах .Ультра широкополосные антенны являются наиболее важными частями этих систем для достижения изображений с высоким разрешением. Бабочка, вивальди, спираль, двойная ребристая и звуковая антенна TEM являются примерами антенн СШП, которые были включены во многие разные радиолокационные системы. Поперечные электромагнитные (TEM) рупорные антенны были популярны для множества других применений, таких как ультраширо­кополосная связь и импульсное излучение, благодаря их характеристикам, включая совместимость с полным сопротивлением СШП, однонаправ­ленное излучение, низкую дисперсию и низкое искажение. В этом приложении звуковая антенна TEM используется в качестве приемо­передатчика радиолокационной системы СШП, которая помещена в нормальное состояние к стенке нефтяной скважины для изображения в структуре нефтяной скважины, как показано на рисунке 1. Стенка нефтяной скважины строится бетоном, нефтяными песками, перфора­циями, асфальтеном и т. д. Рассеянные отражения, собранные антенной, будут обработаны для оценки свойств материала стенок скважины. Звуковая антенна TEM может рассматриваться как импедансный трансформатор, создаваемый парой параллельных пластин для соот­ветствия линии передачи среде распространения. Это преобразование может быть реализовано с использованием однородных экспоненци­альных, Чебышевских, Хекских или эллиптических профилей. Основная проблема с большинством сверширокополосных TEM-упоров - это флуктуация основной области диаграммы направленности на высоких частотах. Это проблематично во многих приложениях. Некоторые подходы, такие как удаление части тела антенны или изменение формы антенны, предложены соответственно для смягчения этой проблемы. Цель работы- улучшить диаграмму направленности антенны в масляных средах. Неравномерное расширение антенных вспышек предлагается в качестве решения проблемы диаграммы направленности антенны TEM. Ограниченный размер нефтяной скважины создает некоторые ограни­чения на конструкцию антенны для достижения требуемой полосы частот. К концу обеих частей прикреплены два прямоугольных листа, улучшающих обратную потерю антенны на более низких частотах.

Рупорная антенна TEM представляет собой параллельный пластинчатый волновод, который действует как импедансный трансформатор. Равно­мерное экспоненциальное сужение в двух направлениях для обычной звуковой антенны TEM работает как импедансный трансформатор от точки подачи до среды распространения. Один из недостатков такой обычной антенны TEM-рупора состоит в том, что равномерное сужение вызывает пульсацию в основной области на более высоких частотах. Это явление происходит из-за разности фаз между полем в центре апертуры и концом вспышек, как показано на Рисунке 2. Разность фаз рассчитывается по формуле:

 - длина волны;

 - расстояние;

Рисунок 2. Рупорная антенна (а) до модификаций, (б) после

Большое количество разностей фаз на высоких частотах вызывает суммарное суммирование дальнего поля вне фазы, которое производит рябь или выемки в диаграмме направленности антенны основного луча. Один из способов уменьшить разность фаз состоит в том, чтобы сделать антенные вспышки как можно параллельны друг другу в поперечном сечении апертуры. Таким образом, это уменьшает последствия в нулевой фазовой разности. Поскольку звуковой сигнал TEM представляет собой импедансный трансформатор, основная задача состоит в том, чтобы найти профиль для передачи импеданса, который может обеспечить плавную диаграмму направленности излучения при сохранении импеданса. Расширение вспышки антенны TEM равномерной экспоненциальной кривой для постепенного изменения импеданса, чтобы минимизировать обратные потери. Поэтому это преобразование импеданса может быть выполнено любым другим профилем. Мы пред­лагаем неравномерное экспоненциальное сужение для антенны ТЕM, которое может смягчить этот эффект. По неравномерной экспоненте, сужающейся через разные части, как показано на рисунке 2(б), импеданс подачи переносится на импеданс среды, а расстояние d уменьшается, чтобы улучшить диаграмму направленности излучения за счет уменьшения разности фаз. Входное сопротивление входной антенны TEM зависит главным образом от распределения тока вблизи точки подачи. Поэтому первая часть Рисунок 2(б) предназначен для передачи основной части импеданса. Другие части оказывают меньшее влияние на трансформацию импеданса, что позволяет уменьшить наклон профиля. Это означает, что для разных частей может быть рассмотрен другой коэффициент расширения Рисунок 2(б) для разнесения частей параллельно друг другу в конце, чтобы уменьшить фазовые искажения, не влияя на входное сопротивление. Ожидается, что антенна будет погружена в масляную среду с относительной диэлектрической прони­цаемостью 2,33, работающей в частотном диапазоне от 1,4 до 11 ГГц, чтобы обеспечить требования к системе радиолокации с высоким разрешением. Нижняя полоса выбирается в соответствии с диаметром скважины, и верхняя полоса рассматривается таким образом, чтобы радиолокационная система работала с импульсом СШП. Диаметр нефтяной скважины в этом случае считается 20 см, но его можно изме­нить для разных диаметров нефтяных скважин. Для этого требуется антенна длиной около 8 см, чтобы иметь разумное расстояние между апертурой антенны и поверхностью стенки скважины. Для проек­тирования модифицированной антенны сначала стандартная звуковая антенна TEM разработана с равномерным расширением, а затем антенна разделяется на n частей с различными коэффициентами рас­ширения. Этот коэффициент уменьшается по мере продвижения частей к апертуре. Модифицированная антенна полостью U-образной формы.

Список литературы:

1. Гриб Н.Н., Самохин А.В., Черников А.Г. Методологические основы системного исследования массива горных пород. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2000. - 104 с.
2. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Титов А.Н., Титов А.А. Рупорная антенна // Патент России № 2220483. 2003.
3. G.F.J, S.G. Garcia, R.G. Martin. GA design of a thin-wire bow-tie antenna for GPR applications // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., Vol.44, No.4, pp. 1004-1010, April 2006.
4. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М.: "Советское радио", 1957, стр. 569-590.
5. D.A. Kolokotronis, Y. Huang, and J.T. Zhang. Design of TEM horn antennas for impulse radar// IEEE High Frequency postgraduate student colloquium, pp. 120–126, Sept 1999.
6. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. — М.: Логос, 2001.