Метод природного магнітного поля

Метод природного магнітного поля(свердловинна магніторозвідка) базується на вивченні магнітних аномалій, пов’язаних з локальними магнітними полями, що створюються різними геологічними об’єктами. В кожній точці простору спостережене магнітне поле характеризується вектором напруженості . Величину і напрям цього вектору можна з’ясувати за результатами вимірів трьох його складових – X, Y і Z-складових, вимірювання котрих на практиці зазвичай здійснюється за допомогою трьох взаємно перпендикулярних магніточутливих датчиків.

На практиці виміри складових напруженості магнітного поля здійснюється за двома схемами.

Перша, історично більш рання, передбачає незмінність положення блоку магніточутливих датчиків відносно площини викривлення свердловини (площини, що проходить через вісь свердловини і вертикаль – апсидальну площину). Вісь чутливості Z-датчика спрямовується при цьому вздовж вісі свердловини, а осі чутливості X та Y-датчиків лежать, відповідно, в перпендикулярній до вісі свердловини площині таким чином, що вісь X знаходиться на перетині цієї та апсидальної площин (рис. 46). Незмінність положення блоку датчиків відносно апсидальної площини досягається його закріпленням на рамці зі зміщеним центром ваги, що може обертатися, і вісь обертання якої є паралельною осі свердловинного приладу. Результати магнітометрії свердловин за такою схемою можуть бути перераховані в географічну систему координат лише за умови наявності інформації про просторове положення траєкторії свердловини (наявності даних інклінометрії).

Рис. 46. Схема орієнтування магнітних датчиків, напрямки осей чутливості котрих утворюють ортогональну систему координат xyz – систему координат, пов’язану із свердловинним приладом (свердловиною). Тут: А – апсидальна площина – площина викривлення свердловини; В – площина xOy, що є ортогональною до апсидальної площини; вісь x, завдяки розміщенню блоку датчиків у карданному підвісі зі зміщеним центром ваги, завжди знаходиться на перетині площин А і В; вісь z співпадає з дотичною до траєкторії свердловини в т. О та лежить в апсидальній площині А; напрям вісі y вибирається таким чином, щоб утворилася правостороння система координат. Т – вектор напруженості магнітного поля Землі, Т_x, Т_y, Т_z – його складові, виміряні свердловинним магнітометром. Для перерахунку складових Т в географічну систему координат XYZ необхідно мати інформацію про зенітний та азимутальний кути свердловини в даній точці (т. О).

Для вимірів трьох складових вектору використовується апаратура типу ТСМ-3 і ТКМ, а для спільних вимірів X, Y, Z-складових геомагнітного поля і магнітної сприйнятливості порід – комплексна апаратура типу ТСМК-40. Для вимірів зміни вертикальної складової Z та ефективної магнітної сприйнятливості використовується апаратура типу КМК, що набула широкого вжитку на виробництві.

Комплексна апаратура ТСМК призначена для проведення векторних вимірів у свердловинах діаметром завбільшки 30 мм. В цьому приладі використовуються так звані магнітомодуляційні датчики (ММД), що складаються з одної обмотки з пермалоєвим осердям (рис. 47). Ця обмотка збудження слугує одночасно вимірювальною обмоткою. Якщо зовнішнє магнітне поле не дорівнює нулю, в обмотці ММД з’являється сигнал подвоєної частоти, котрий виділяється через смуговий фільтр СФ.

Рис. 47. Схема магнітомодуляційного датчика.

В комплект апаратури ТСМК входить пульт керування і два свердловинні снаряди: трикомпонентний зонд (Т_x, Т_y, Т_z) та зонд для вимірів магнітної сприйнятливості порід (χ), розкритих свердловиною, і приростів вертикальної складової напруженості магнітного поля (∆Z).

В трикомпонентному зонді розташований блок із трьома взаємно ортогональними ММД, закріплений в карданному підвісі зі зміщеним центром ваги. За результатами вимірів кожним ММД (Т_x, Т_y, Т_z) можливо вирахувати модуль вектору напруженості магнітного поля Землі Т, а також його напрям, якщо відоме просторове розташування блоку датчиків у свердловині (зенітний та азимутальний кути свердловини).

Функціональна схема приладу при компонентних вимірах наведена на рис. 48, а. Живлення ММД змінним струмом частотою f здійснюється від генератора (Г) через підвищуючий (Тр 1) і понижуючий (Тр 2) трансформатори. В свердловинному приладі здійснюється послідовне опитування x, y, z-датчиків. Виміряний сигнал подвійної частоти (2 f) передається по кабелю через смуговий фільтр (СФ) на підсилювач (П) і після підсилення випрямляється фазочутливим детектором (ФД). Випрямлений струм керує роботою схеми компенсації (СК), звідки через ланцюг зворотного зв’язку на обмотку ММД подається струм такої величини і напрямку, щоб його магнітне поле компенсувало в об’ємі датчика зовнішнє магнітне поле. Величина струму компенсації фіксується реєструючим приладом (РП). Керування роботою приладу здійснюється в ручному або автоматичному режимі.

Рис. 48. Функціональна схема апаратури ТСМК при компонентних вимірах (а) та при вимірах магнітної сприйнятливості (б).

В свердловинному снаряді χ-∆Z для вимірів магнітного поля використовується один ММД, орієнтований вертикально. Спосіб реєстрації напруженості магнітного поля такий самий, як і при компонентних вимірах. Для вимірів магнітної сприйнятливості використовується індукційна котушка (L) (рис. 48, б), увімкнена в контур резонансного генератора (Г 2). Контур налаштований таким чином, щоб у повітрі (у середовищі, де χ = 0) генератор створював сигнал з частотою 3.2 кГц. Після множення у п’ять разів цей сигнал (частотою 16 кГц) спрямовується в наземний пульт на підсилювач (П), а потім на змішувач (ЗМ), де порівнюється з частотою еталонного генератора (ЕГ), котрий створює стабільний сигнал частотою 16 кГц. Якщо магнітна сприйнятливість порід у свердловині дорівнює нулеві, частоти робочого й опорного сигналів однакові. Тому сигнал на виході змішувача відсутній. Якщо ж магнітна сприйнятливість порід у свердловині відрізняється від нуля, то частоти робочого й опорного сигналів не співпадатимуть, і на виході змішувача виділятиметься різницева частота. Цей сигнал після підсилення і калібрування поступає на частотомір (ЧМ). Результат фіксується реєструючим приладом (РП).

Більш сучасна схема вимірів складових напруженості магнітного поля у свердловинах передбачає жорстке закріплення блоку магніточутливих датчиків у свердловинному приладі, що має ряд безсумнівних переваг у порівнянні із попередньою схемою. Проте, в цьому випадку для того, аби мати можливість прив’язати результати магнітометрії до географічної системи координат, свердловинний прилад повинен забезпечувати також можливість вимірів візирного кута – кута обертання приладу навколо власної вісі. Сучасні свердловинні магнітометри у найбільш загальному випадку містять жорстко закріплені блоки взаємно ортогональних магнітометричних датчиків, гравітаційних датчиків, датчиків кутової швидкості, за показаннями яких можуть бути одночасно обраховані всі кути просторової орієнтації свердловини та складові напруженості магнітного поля у географічній системі координат.