СТРУКТУРА И СИСТЕМНЫЙ ДИЗАЙН ДЛЯ НАХОЖДЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ СТВОЛА СКВАЖИНЫ ПРИ ПОМОЩИ РАДАРА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ

Повреждение пласта в нефтяных скважинах - относится к ухудшению проходимости нефти - формированию различных неблагоприятных процессов. Управление и исправление - самые важные проблемы, которые будут решены для эффективной эксплуатации резервуара углеводорода. Ущерб формирования может быть нанесен многими факторами, включая физико-химический, химический, биологический, гидродинамический и тепловое взаимодействие пористого формирования частиц, жидкостей и механических деформаций. Индикаторы повреждения решают проблемы ухудшения проходимости, повреждения оболочки и уменьшение скважинной работы.

Лучше избежать повреждения пласта, чем пытаться восстановить его. Большинство часто происходит из-за органического повреждения пласта вблизи ствола скважины из-за асфальтенов или битумнных осаждений. Повреждения пласта от асфальтенов происходит на маленькой глубине. Последствием нарушения асфальтенами является снижение продуктивности нефтяных скважин. Поэтому крайне важно, оценить породу пласта чтобы определить его характеристики и уровень повреждения. В настоящее время такие методы, как рентгеновское сканирование, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), магнитная резонансная томография (МРТ), а также акустическая томография используются, чтобы подтвердить оценку извлеченных образцов. Тем не менее, оценка породы пласта является очень дорогой и громоздкой задачей, требующей сохранения образцов горных пород из производственной зоны, многопрофильного знания приборов, сбора данных, тестирования и интерпретации, а также анализ и кросс-корреляции различных типов данных. Технология ультразвуковой визуализации была популярна для непроводящих буровых растворов в 1990-е годы. Буровые растворы на масляной основе системы в большинстве случаев не способны обеспечить высокое разрешение изображений. [1]

Скважинный радар вводится как датчик внутри нефтяной скважины для мониторинга резервуара. Многие скважинные радары вводятся с целью сбора информации ствола скважины в диапазоне 360 градусов поверхности для обнаружение цели. Поврежденные материалы получат новые диэлектрические свойства, дискриминируют их из других материалов. Обнаружение и различие между различными материалами в среде может быть сделано путем их отражения на ЭМ волны. Высокочастотный электромагнитный (ЭМ) импульс был введен, чтобы сделать изображение для непроводящей жидкости. Использование ЭМ импульса показывает больше преимуществ по сравнению с обычным диэлектриком или инструментами визуализации удельного сопротивления по отношению к качеству изображения. Доступные предложенные методы не могут различать материалы в нефтяной скважине, поскольку ей нужен радар высокого разрешения в перекрестном диапазоне. Низкий диэлектрический контраст между нефтяным песком и асфальтеном измерен и продемонстрирован в этой статье. Очень узкая ширина импульсов, а также узко направленная антенна - решение проблемы различия материалов.

Проблема с антенной узкой направленности - это размер, который не может быть размещен в нефтяной скважине. Здесь, мы используем преимущества обработки радара с синтезированной апертурой (SAR), чтобы использовать суммирование полученных импульсов вместо антенны узкой направленности, которая собирает энергию каждой точки к правильному месту.

В этой статье георадар с синтезированный апертурой (SAGPR) предложен как метод обработки изображения в нефтяной скважины. Система использует ЭМ короткий импульс со спектром от 1.4 до 11 ГГц. [2]

Моделирование основывается на реальных данных, которые обеспеченны полным измерением диэлетрических свойств сырой нефти, нефтяного песка, асфальтена и битума зондом диэлектрика Agilent.

Все моделирования основываются на параметрах, которые показаны на Рис. 1. нефтяная скважина считается диаметром 20 см (скважины другого диаметра могут быть размещены с помощью регулировки ширины импульса, который будет описан позже). Скважина окружена бетоном снаружи металлического корпуса.

Нефтехранилище - комбинация сырой нефти, асфальтена, и нефтяных песков, как это показано на Рис. 1(а). Ультраширокополосная антенна расположена в нефтяной скважине, чтобы отсканировать призабойную зону ствола скважины. Антенна перемещена вдоль вала вверх или вниз пошагово (Рис. 1(a), чтобы обеспечить требуемые апертуры для обработки SAR. С каждым продвижением антенна отправляет сигнал и собирает отражения как моно статический радар. Первая обнаруженная цель вдоль диапазона - бетонная стена поверхность нефтяной скважины. Последний обнаруженный диапазон (Рис. 1(б)), который является глубиной проникновения, определен длительностью импульса и временем тишины соответственно. [5]

Этот параметр известен как синхронизация переданного импульса и являются ответом, чтобы определить в общем и целом обнаруженный диапазон соответственно.

Рисунок 1(а). Нефтяная скважина сбоку (мониторинг SRA)

Рисунок 1(б). Нефтяная скважина сверху (мониторинг SRA)

Разрешение изображения зависит от параметров: пропускная способность и форма импульса, а наиболее важным из них является метод, которым данные обрабатываются для извлечения информации. Высота разрешения изображения нуждается в дальности и разрешении азимута. Разрешение по глубине является эквивалентом разрешающей способности по дальности определенной общей радарной системой. Способность радара правильно различать две последовательные цели, которые называются разрешающей способностью по дальности и определяются по формуле:

(1)

где: с - скорость света;

Тр - длительность импульса;

BW - пропускная способностью.

Таким образом, сигнал с меньшим временным интервалом Tp имеет большее разрешение. Рис. 2(a). Он показывает разрешение по дальности в сравнении с пропускной способностью. Как можно видеть полосы пропускания или диэлектрические проницаемости среды возрастают, разрешающая способность по дальности улучшается. Поэтому, если требуется высокое разрешение, следует использовать широкополосный спектр частот.

Азимутальное разрешение - способность радара отличать одну цель от другой цели четко. В разрешении по азимуту, физически большая антенна необходима для получения узкого пучка излучения. Резкость луча определяет разрешение по азимуту. SAR имеет возможность производить высокое разрешение по азимуту, что отличает его от других радиолокационных систем. Узкий пучок в результате относительно большой синтезированной апертуры, дает высокое разрешение. Можно получить разрешение по азимуту SAR, выражено следующим образом:

                                   (2)

где: H - высота;

L - длина диафрагмы;

 - длина волны;

 - угол просмотра.

Поскольку антенна в этой системе смотрит прямо к стене скважины, угол между антенной и объектом при визуализации равна нулю (). Разрешение по азимуту пропорционально при различных значениях и, как на рис. 2(б). Это показывает, что увеличение длины диафрагмы улучшает разрешение по азимуту.

Рисунок. 2(а). Диапазон Разрешения как функция пропускной способности и диэлектрических свойств.

Рисунок 2(б). Разрешающая способность по азимуту пропорциональна H/L и длине волн.

В предлагаемой системе формирования изображения наносекундный импульс используется в качестве передаваемого сигнала с широким спектром от 1,4 ГГц до 11 ГГц, чтобы получить разрешение по глубине менее 1 см. Длина апертуры L считается 2,5 метра, чтобы получить разрешение по азимуту менее 1 мм после обработки SAR. Отображение с помощью Сверхширокополосного(СШП) сигнала должно поддерживаться системой с надлежащим образом спроектированной антенной, которая может генерировать изображения с высоким разрешением. Поэтому также разработана рупорная антенна ТЕМ длиной около 8 см, которая может работать внутри в качестве приемопередатчика для отправки и приема вышеупомянутых импульсов. форма сигнала - еще один фактор, который может увеличить разрешение с той же пропускной способностью. [4]

Как уже говорилось ранее, для получения радарного изображения с высоким разрешением необходим очень узкий импульс во временной области. Этот импульс используется для измерения расстояния, отражательной способности и формы объекта. Следовательно, необходимый импульс должен быть достаточно сильным для точного измерения. В большинстве случаев создание узкого импульса во временной области с высоким уровнем мощности для измерения высокого качества, особенно для дальнего расстояния, является трудной задачей. [3] Вместо этого, чтобы получить импульс во временной области с высокой мощностью и точной разрешающей способностью, можно использовать некоторые типы обработки сигналов. Импульсное сжатие является методом решения этой проблемы. Импульсное сжатие основано на автокорреляционной функции передаваемого сигнала, который известен как фильтрация совпадений. Сигнал чирплет является одним из сигналов с очень хорошими автокорреляционными свойствами. В этой работе в качестве передаваемого сигнала используется сигнал чирплет. [6] Вещественная часть нормированной амплитуды Sinc с действительной частью сигнала чирплет изображена на рис. 3(a). На рисунке показано, что разрешение значительно увеличивается при использовании той же полосы пропускания после сжатия импульсов. Абсолютная амплитуда Sinc представлена на рис. 3(б). Это демонстрирует, что амплитуда увеличилась в больше чем 200 раз. Системное время играет очень важную роль в радиолокационных системах для определения ближайшего и дальнего диапазона обнаружения. В радиолокационных системах эхо часто принимается непосредственно после переданного импульса и перед передачей другого импульса. Таким образом, время, необходимое для обнаружения первой цели, равно длительности импульса. Ширина импульса должна быть изменена таким образом, чтобы эхо первой мишени пришло после передачи импульса.

Рисунок 3 (а). Действительная часть чирплет и нормализованная амплитуда импульса Sinc.

Рисунок 3 (б). Абсолютная величина соответствующего импульса Sinc.

Период тишины необходим для записи желаемого эхо-сигнала. Чем больше тишины, тем больше глубина или дальность обнаружения. В этом случае диаметр нефтяной скважины составляет около 20 см, а желаемая глубина проникновения через резервуар составляет 50 см, поскольку большая часть осаждения асфальтенов происходит на меньшей глубине. Глубину можно определить, просто увеличив передаваемую мощность. Считается, что средняя диэлектрическая проницаемость составляет около 2,33 для нефти и 4 для масляных и стеновых материалов для расчета длительности импульса и времени молчания. Параметры конструкции, используемые для этого моделирования, показаны в Таблице 1. Для других свойств материала эти числа могут быть изменены. Ширина импульса должна быть достаточно короткой для определения поверхности стенки нефтяной скважины, и время молчания должно быть достаточно большим, поскольку все отражения (многолучевые) должны заглохнуть.

Таблица 1.

Системные спецификации.

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. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений. — М.: Логос, 2001.

3. Пазнер Б., Йостингмеиер А., Омар А., Двойная компактная остроконечная рупорная антенна для приложений георадара // 18 международная конференция Радарной и беспроводной связи (Вильнюс, июнь. 2010 г.). – Вильнюс, 2010. - c.1-4.

4. Семейкин Н.П., Помозов В.В., Титов А.Н., Титов А.А. Рупорная антенна // Патент России № 2220483. 2003.

5. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. М.:"Советское радио", 1957, стр.569-590.

6. Kolokotronis D.A., Huang Y., and Zhang J.T. Design of TEM horn antennas for impulse radar// IEEE High Frequency postgraduate student colloquium, pp. 120–126, Sept 1999.