Область застосування та вирішувані задачі. Основна область застосування – вирішення задач рудної геофізики

Основна область застосування – вирішення задач рудної геофізики.

Каротаж магнітної сприйнятливості застосовується для літологічного розчленування розрізів свердловин, їх кореляції, виділення зон зруднінь, визначення вмісту заліза в магнетитових рудах, отримання даних для інтерпретації аномалій магнітного поля, отриманих за результатами обробки даних наземної магніторозвідки. При літологічному розчленуванні розрізів за результатами каротажу магнітної сприйнятливості виходять із того, що найбільші значення є характерними для магнетитвміщуючих руд, потім йдуть ультраосновні (габро, діабази, порфірити та ін..) та кислі (граніти, гранодіорити) породи. Найменшими значеннями володіють карбонатні та гідрохімічні породи. Каротаж магнітної сприйнятливості є найбільш ефективним при вивченні магнетитових і титаномагнетитових родовищ. Його застосовують також для виявлення в розрізах свердловин бокситових, марганцевих, хромітових, сидеритових, нікелевих, олов’яних та інших руд.

За результатами каротажу магнітної сприйнятливості отримують діаграму, на якій однорідні пласти відмічаються симетричними кривими з максимальними () або мінімальними () аномаліями напроти середини пласта.

 

ЯДЕРНО-МАГНІТНИЙ МЕТОД

Ядерно-магнітний метод (ЯММ) заснований на вивченні величин штучного електромагнітного поля, що утворюється в результаті взаємодії магнітного і механічного моментів ядер хімічних елементів гірських порід із зовнішнім магнітним полем.

Усі елементарні частинки та ядра хімічних елементів, окрім маси і порядкового номеру (заряду), характеризуються величинами власного механічного моменту (спіну) і магнітного моменту , а також гіромагнітним відношенням , що являє собою відношення магнітного моменту ядра до його спіну:

(90)

Серед породоутворюючих елементів ефект ядерного магнетизму найбільш сильно виявляється для водню, оскільки ядрам атомів водню притаманне найбільше значення гіромагнітного відношення. Завдяки цьому їхню присутність вдається встановити в умовах свердловини. Ядерний магнетизм усіх інших елементів є занадто малим, аби його можна було застосовувати для вивчення розрізів свердловин. Тому при дослідженні гірських порід достатньо враховувати лише ядерну намагніченість протонів.

В постійному зовнішньому магнітному полі на ядро, яке має власний магнітний момент, діє сила, що намагається розташувати момент ядра паралельно цьому полю. В той же час внаслідок дії механічного моменту ядра, що намагається зберегти положення власної вісі обертання, ядро буде прецесувати навколо напрямку зовнішнього поля (рис. 50) з частотою , пропорційною напруженості поля , яка називається ларморовою частотою і складає біля 2 кГц:

(91)

Ядра водню з магнітними моментами в зовнішніх магнітних полях намагаються орієнтуватися в напрямку вектора напруженості цього поля. Внаслідок цього виникає результуючий магнітний момент (вектор ядерної намагніченості), що являє собою векторну суму елементарних магнітних моментів : , де – кількість ядер в об’ємі речовини.

 

 

Рис. 50. Схема прецесії вектора магнітного моменту μ ядра водню (протона) навколо вектора зовнішнього магнітного поля Н _з

 

В природному магнітному полі Землі (МПЗ) сумарний вектор ядерної намагніченості буде спрямованим в напрямку вектору , але незначним за амплітудою, оскільки напруженість МПЗ є відносно малою величиною ( А/м). Але, якщо на ядра елементів подіяти сильним магнітним полем (полем поляризації) напруженістю , перпендикулярним до поля Землі , то ядра будуть орієнтуватися в напрямку сумарного поля , і сумарний вектор ядерної намагніченості буде мати значну амплітуду, внаслідок узгодженої орієнтації переважної більшості елементарних магнітних моментів (рис. 51, а).

 

 

Рис. 51. Поведінка вектору сумарної ядерної намагніченості М речовини в умовах накладення на магнітне поле Землі Н ₀ поля поляризації Н _пол (а), та в перші секунди після його зняття (б).

 

При знятті поля поляризації ядра водню переорієнтовуються в напрямку вектора МПЗ (рис. 51, б), синхронно прецесуючи навколо нього протягом деякого часу (біля 2-х секунд) з ларморовою частотою . За кілька секунд відбувається втрата синфазності прецесій окремих елементарних магнітних моментів внаслідок взаємодії їх один з одним, і синхронна прецесія зникає. Проте цього часу цілком достатньо, аби зареєструвати сигнал і визначити частоту прецесії, що пов’язана з напруженістю МПЗ співвідношенням (91). Згодом, внаслідок хаотичного теплового руху атомів речовини, відбувається повне руйнування набутої ядерної намагніченості, і сумарний вектор ядерної намагніченості прямує до свого початкового значення : .

 

Принцип вимірів

Як зазначалося вище, ядерно-магнітний метод заснований на реєстрації ефектів вільної прецесії ядер водню. З цією метою в свердловину спускають свердловинний прилад, в якому розміщується котушка видовженої прямокутної форми, підсилювач і перемикач, що поперемінно комутує виходи котушки то до джерела постійного струму (силою 3 А), то до входу підсилювача. При підключенні котушки до джерела постійного струму в оточуючому середовищі створюється постійне магнітне поле поляризації. При підключенні котушки до підсилювача наведена в ній під дією узгодженої прецесії ядер водню е.р.с. підсилюється і передається по кабелю на поверхню в наземну апаратуру, де і реєструється.

При пропусканні струму поляризації через котушку протягом часу у досліджуваному середовищі виникає постійне магнітне поле напруженістю . Вектор цього поля складає деякий кут (зазвичай 90º) з вектором напруженості МПЗ і значно (приблизно на два порядки) перевищує його за величиною. Вектор ядерної намагніченості , що виникає при цьому, орієнтується в напрямку результуючого вектору (рис. 51).

Вектор встановлюється не одразу після увімкнення струму , а протягом часу повздовжньої релаксації (часу встановлення рівноваги), що характеризує швидкість зростання ядерної намагніченості за напрямком прикладеного поля поляризації (рис. 52):

, (92)

де – амплітуда вектору ядерної намагніченості при ; практично приймається рівним .

 

 

Рис. 52. Графік становлення ядерної намагніченості. Час повздовжньої релаксації Т₁ = 0.5 сек.

 

Після вимкнення струму поляризації у середовищі діє лише магнітне поле Землі, і вектор ядерної намагніченості прецесує навколо вектора з коловою частотою , поступово повертаючись до свого початкового значення . Вектор ядерної намагніченості по відношенню до вектора може бути розкладений на дві складові: повздовжню , що співпадає з напрямком вектору , і поперечну , перпендикулярну до (рис. 53).

 

 

Рис. 53. Вектор сумарної намагніченості М, розкладений на дві взаємоортогональні складові.

 

Під дією вектора в котушці наводиться електричний синусоїдальний сигнал (змінна е.р.с.) – сигнал вільної прецесії, що відповідає амплітуді е.р.с. в момент часу , який пройшов з початку прецесії, і згасає за експоненційним законом із постійною часу поперечної релаксації (рис. 54):

(93)

Час поперечної релаксації характеризує швидкість загасання сигналу (за зазвичай приймається час, протягом якого начальна амплітуда зменшується приблизно в 2.7 рази). – значення сигналу вільної прецесії в початковий момент часу .

 

 

Рис. 54. Загасання сигналу вільної прецесії із часом. Час поперечної релаксації Т₂ = 2 сек.

 

Сигнал вільної прецесії підсилюється і передається по каротажному кабелю на поверхню, де реєструючий пристрій фіксує амплітуду сигналу і його затухання в часі. Для вивчення розрізів свердловин найбільшу цікавість представляє величина , пропорційна кількості ядер водню, що входять до складу рухомого (вільного) флюїду – нафти або води. Оскільки СВП спадає за експоненційним законом, то достатньо мати два значення його амплітуди і (або і ), виміри яких виконані відповідно у час , і (35, 50 і 70 мс), аби за ними шляхом екстраполювання встановити амплітуду сигналу , за якою визначається так званий індекс вільного флюїду:

(94)

Апаратура ЯММ дозволяє виконувати одночасну автоматичну реєстрацію двох або трьох каротажних кривих, що характеризують зміну амплітуд сигналу вільної прецесії з глибиною при фіксованих значеннях часу , і . За цими даними оцінюється (або безпосередньо реєструється) величина – амплітуда СВП на момент вимкнення струму поляризації . Величина калібрується в одиницях індексу вільного флюїду (ІВФ), що характеризує об’єм (у %) пор гірської породи, заповнений вільною рідиною, яка бере участь в утворенні СВП. Індекс вільного флюїду визначається, як відношення початкової амплітуди СВП, зареєстрованої на зразку гірської породи, до початкової амплітуди СВП, виміряної на дистильованій воді, що займає такий самий об’єм, як і зразок породи.

Криві ЯММ прийнято записувати в масштабі ІВФ (у %/см).