СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ. Основними магнітними характеристиками гірських порід є магнітна сприйнятливість χ і відносна магнітна проникність μ

Основними магнітними характеристиками гірських порід є магнітна сприйнятливість χ; і відносна магнітна проникність μ;. Магнітну проникність можна визначити таким виразом.

де Н – напруженість магнітного поля, В – вектор магнітної індукції.

Магнітна сприйнятливість визначає зв'язок між магнітним моментом породи і її магнітним полем. Вона характеризує властивість гірських порід намагнічуватись під впливом зовнішнього магнітного поля і зберігати намагніченість після припинення дії зовнішнього поля. Розрізняють об’ємну магнітну сприйнятливість, що дорівнює відношенню інтенсивності намагнічення j одиниці об’єму породи до напруженості намагнічуваного магнітного поля

χ = j/Н

величина χ – безрозмірна і може бути як позитивна так і негативна.

Відносна магнітна проникність зв’язана з магнітною сприйнятливістю в одиницях СІ відношенням μ = 1+χ. У вакуумі χ= 0, μ = 1.

Магнітні властивості гірських порід, їх магнітна проникність μ магнітна сприйнятливість χ визначаються головним чином, наявністю феромагнітних мінералів – магнетиту і титаномагнетиту. Негативним значенням χ характеризується кварц, кальцит, ангідрит, галіт, графіт, позитивними (слабо вираженими) – осадові гірські породи. Високі значення χ характерні для феромагнітних мінералів, метаморфічних, і магматичних порід. Магнітні властивості гірських порід визначаються наявністю елементів, ядра яких мають великі значення відношення магнітних моментів до механічних (спінів).

Максимальне значення цього відношення мають ядра водню, що дає можливість попередньо твердити про виявлення колекторів магнітними методами. Існують свердловинні методи природного магнітного поля магнітної сприйнятливості і ядерно-магнітний метод.

Методи природного магнітного поля і магнітної сприйнятливості. Метод природного магнітного поля (МПМП) оснований на вивченні магнітного поля Землі. Найінтенсивніші аномалії відмічаються біля магнетитових руд і вивержених порід основного і ультраосновного складу. Вимірюють складові повного вектора основного і ультраосновного складу. Вимірюють складові повного вектора напруженості геомагнітного поля Т, що дає можливість знаходити незначні зруденіння в області свердловини (в тому числі розташовані 200 –300 м нижче забою) і визначати елементи залягання.

Як відомо, магнітне поле Землі в кожній точці простору характеризується вектором напруженості Т, величина і напрямок якого визначаються складовими Х, Y, Z – північною, східною і вертикальною. Аномальне магнітне поле може вивчатись за результатами вимірів трьох складових вектора Т або двох складових (вертикальної і по осі свердловини), чи по одній його складовій – зазвичай вертикальної Z. В останньому випадку фіксується зміна вертикальної складової DZ. Зміна повного вектора Т забезпечує отримання матеріалів для більш повної інтерпретації аномалії природного магнітного поля

Застосування методу і вирішувані ним задачі. Метод ПМП використовується для пошуку рудних тіл у білясвердловинному просторі. Глибинність методу залежить від намагніченості рудного тіла, його розмірів і орієнтації в просторі. Найінтенсивніші аномалії створюються похилозалягаючими тілами, коли вони знаходяться з боку від свердловини. Вертикальні тіла знаходяться на великих відстанях, якщо вони розташовані під свердловиною. Наприклад, були виявлені магнітні аномалії від рудних тіл з запасами 50-70 млн. т. Метод ПМП дає можливість визначити елементи залягання рудних тіл, пересічених свердловиною, встановити геологічну природу наземних магнітних аномалій.

Висока ефективність методу доведена на родовищах магнетитів, титаномагнетитів.

Дані цього методу дають можливість визначити напрямок намагніченості порід, в тому числі – виявити пласти зі зворотною намагніченістю.

Метод магнітної сприйнятливості (ММС) полягає у вивченні штучного змінного магнітного поля, значення ЕРС якого визначається магнітною сприйнятливістю гірських порід. Задачі вирішувані ММС – літологічне розчленування і кореляція розрізу свердловин, виділення скупчень бокситів, марганцевих, хромітових, нікелевмісних, сидиритових і олов’яних руд, оцінка вмісту заліза в магнетитових рудах

Відомі три способи виміру магнітної сприйнятливості гірських порід:

1) двокотушним зондом звичайного індукційного методу;

2) однокотушним зондом з соленоїдом;

3) з використанням коливального контура.

В першому способі вимірювання χ величина сигналу в приймальній котушці для однорідного магнітного ізотропного середовища описуються відношенням

З виразу виходить, що величина е.р.с. електромагнітного поля, наведеної у вимірювальній котушці при поміщенні зонда в магнітне середовище, зростає зі збільшенням її магнітної сприйнятливості. Частина сигналу, що визначається величиною χ, залежить від відношення χ до електропровідності σ.

Електрорухома сила, що виникає при низькочастотному змінному полі за рахунок магнітної сприйнятливості середовища, являє собою реактивну складову сигналу, фаза якої утворює 90º з фазою струму генераторної котушки. Активна складова е.р.с. обумовлена електропровідністю середовища, співпадає по фазі з живлячим струмом і зсунута відносно реактивної складової також на 90º. Реєструвати можна або одну складову сигналу – реактивну, або одночасно реактивну і активну складові, отримуючи дані як магнітної сприйнятливості, так і електропровідності порід.

Другій спосіб визначення χ з використанням однокотушного зонда оснований на реєстрації зміни індуктивності DL соленоїда з осередком з феромагнітного матеріалу. Зміна DL котушки залежить від ефективної магнітної сприйнятливості порід, яка зв’язана з DL відношенням

,

де а і b – коефіцієнти, що залежать від параметрів свердловини і визначаються з допомогою еталонної промивної рідини, що складається з магнетитової суміші, для різних діаметрів свердловин; DL – величина індуктивності соленоїда в повітрі.

Значення χ може бути знайдено по χ_еф:

,

де N – коефіцієнт розмагнічення середовища, що залежить від геометрії; при малих змінах d_c його можна вважати сталим ≈ 10,9. Відношення справедливо для немагнітної малопровідної промивної рідини.

Третій спосіб находження χ з використанням коливального контура базується на вимірюванні приросту його резонансної частоти D f, пов’язаного з χ_еф співвідношенням

де f – резонансна частота контура в повітрі

Рис. 1 Криві χеф в пластах різної потужності. 1 – h 1, 2 – h 2, 3 – h 3, 4 – h 4, 5 – h 5

Криві методу магнітної сприйнятливості. Однорідні пласти на кривих χ_еф відмічаються симетричними аномаліями відносно їх середини. (рис 1). Характерні значення χ_еф приурочені до середини пласта – максимальні при магнітній сприйнятливості пласта більше магнітної сприйнятливості вміщуючих порід , мінімальне при . Криві χ_еф, записані в малопотужних пластах (h < l _c, де h – довжина датчика), мають два максимуми з мінімумом в центральній частині. Границі пластів достатньої потужності (h > 2 l _c) визначаються точками, де величина сигналу рівна половині його максимального значення – , тобто потужність таких пластів визначається шириною аномалії на рівні половини її максимального значення Dχ_{пл max}. Зі зменшенням потужності пластів точки з координатами зміщуються відносно границь пласта в бік вміщуючих порід.

Області застосування методу і вирішувані задачі. Метод магнітної сприйнятливості найефективніший при дослідженні розрізів свердловин, пробурених на магнетитових і титаномагнетитових родовищах. Його можна застосовувати також для виявлення в розрізах свердловин скупчення бокситів, марганцевих, хромітових, нікелевмісних, сидеритових і олов’яних руд.

Основні вирішувані геологічні задачі методом МС при вивченні розрізів свердловин: літологічне розчленування розрізів і їх кореляція, виділення рудних зон, визначення вмісту заліза в магнетитових рудах, отримання даних про величину магнітної сприйнятливості порід для інтерпретації аномалій магнітного поля, відмічених магніторозвідкою.

Літологічне розчленування розрізів свердловин методом МС базується на різній магнітній сприйнятливості порід. Найбільше значення χ характерні для магнетиту і титаномагнетиту, дальше ультраосновні породи (габро, діабази, порфірити та ін.), потім кислі породи (граніти, гранітоїди). Найнижча магнітна сприйнятливість у карбонатних і гідрохімічних осадових породах.

Рис. 2 Виділення в розрізах свердловин марганцевих руд (а) і бокситів (б) по кривих χеф. 1 – марганцева руда; 2 – боксити; 3 – глинисті сланці; 4 – глина, 5 – пісчаник; 6 – карбонати

Виділення в розрізах руд основано на їх високій в порівнянні з вміщуючими породами (глинами, пісчаниками, карбонатами) магнітної сприйнятливості (рис. 2). Відсотковий вміст заліза в рудах визначається в залежності від величини магнітної сприйнятливості від кількості вмісту в них магнетиту.

Ядерно-магнітний метод (ЯММ). При вивченні колекторських властивостей порід, дуже цікава не вся пористість, а та її частина, що містить рухомий флюїд. Нейтронні методи каротажу не дозволяють оцінити вміст водню, обумовлений лише вільною рідиною. Тому зв’язана вода, дужа в’язка нафта, тверді та інші полярні і високомолекулярні вуглеводи за даними цих методів, не відрізняються від рухомої рідини. Для усунення цієї невизначеності застосовують ядерно-магнітний метод.

Ядерно-магнітний метод (ЯММ) оснований на вивченні штучного джерела електромагнітного поля, утвореного в результаті взаємодії магнітного і механічного моментів ядер хімічних елементів гірських порід з імпульсним зовнішнім магнітним полем.

Всі елементарні частинки і ядра хімічних елементів, крім маси і порядкового номера (заряду) характеризуються величинами власного механічного моменту (спіну) S і магнітного моменту μ, а також гігромагнітним відношенням γ ().

В постійному зовнішньому магнітному полі на ядро, що має магнітний момент, діє пара сил, які намагаються розташувати момент паралельно цьому полю. В той же час в наслідок наявності механічного моменту ядро, як дзиґа, буде прецесіювати навколо напрямку цього поля з частотою ω₀, пропорційно напруженості поля Н₀ і називається ларморовою частотою

.

Рис. 3 Поведінка вектора намагніченості ядер М до поляризації (а), під час поляризації (б), на початку вільної прецесії (в) (за С.М. Аскельроду), М3 – магнітний момент

 

Якщо на ядра елементів подіяти сильним магнітним полем (полем поляризації) напруженістю Н _пол, з магнітним моментом М _пол, перпендикулярному до поля Землі Н_з, то ядра в силу наявності спина S і ядерно-магнітного моменту μ будуть орієнтуватись в напрямку сумарного поля поляризації Н _сум, створюючи вектор ядерної намагніченості (магнітний момент М _сум (рис. 3)

У випадку швидкого виключення поля поляризації під дією магнітного поля Землі ядра елементів повертаються у вихідне положення (рис. 3), прецесуючи навколо направлення зовнішнього магнітного поля, як дзиґа, в полі сили тяжіння з характеристичною ларморовою частотою близько 2 кГц, обумовлена напруженістю магнітного поля Землі (Н_з ≈ А/м) і гігромагнітним відношенням ядер. При цьому ядрами цих елементів, для яких ларморова частота при заданій напруженості постійного магнітного поля співпадає з частотою змінного магнітного поля, максимально поглинається енергія поля. Це явище називається ядерно-магнітним резонансом.

При своїй прецесії ядра під дією обертової поперечної складової вектора ядерної намагніченості М створює змінне (затухаюче з часом) електромагнітне поле, напруженість якого вимірюється за допомогою приймальної котушки свердловинного пристрою. В котушці виникає електричний синусоїдальний сигнал (сигнал вільної прецесії), затухаючий по експоненті зі сталою часу Т₂ – час попередньої релаксації.

де t – час, після вимкнення поля поляризації.

За отриманим сигналом вільної прецесії можна визначити Е₀ – початкову амплітуду е.р.с., Т₁ – часу повздовжньої чи термічної релаксації, що характеризує швидкість наростання ядерного намагнічення за напрямком прикладеного поля поляризації, і Т₂ – час поперечної релаксації, що є мірою швидкості розфазування прецесії ядер. Під часом релаксації зазвичай мається на увазі час, протягом якого початкова амплітуда е.р.с. Е₀ зменшується в 2, 7 раз. Величини Е₀ Т₁, Т₂ пов’язані з фізичними властивостями гірських порід, але для вивчення часу поперечної релаксації Т₂ спотворено неоднорідністю поля Землі.

Зі всієї сукупності елементів, складаючи гірські породи, тільки ядра водню, що входять в склад вільної рідини, мають достатньо велике гігромагнітне відношення (4257 Гц/Гс), щоб створити під дією поляризованого поля е.р.с., яка може бути зареєстрована в умовах свердловини. Метод вивчення розрізів свердловини, оснований на реєстрації ефектів вільної прецесії ядер водню, отримав назву ядерно-магнітного методу. Зв’язана вода, дуже в’язка нафта, тверді та інші полярні високомолекулярні вуглеводні, адсорбовані на поверхні частин породи, дають такі швидко затухаючі е.р.с., що на показах методу ЯММ їх присутність в досліджуваному розрізі не спотворюється. У зв’язку з цим об’єктом досліджень ядерно-магнітним методом є ядра водню, що входять до складу певного флюїду (воду, нафту чи газ). Радіус досліджень практично рівний 1,58d_c, де d_c – діаметр свердловини.

Криві ЯММ симетричні відносно середини однорідних пластів. З серединою пласта співпадає максимум. Границі потужних пластів відбиваються в точках, відповідаючи половині максимального значення амплітуди кривої ЯММ (Рис 4, а) Для пластів обмеженої потужності з , границі зміщуються до максимуму кривої і можуть бути відмічені в точках, що знаходяться від початку і кінця аномалії відповідно на відстані, рівній половині довжини рамки.

Для одиночних однорідних пластів великої потужності характерним значенням ІСФ є амплітуда аномалії проти середини пласта. При потужності одиночного пласта, меншій за довжину зонда, в типове значення ІСФ має вводитись поправка за обмежену потужність.

Перехід від уявних до істинних значень ІСФ проводиться по спеціальних палетках або за формулою.

,

де x_е, x_с – узагальнені поправочні коефіцієнти за розрізнення величини і часу дії струму поляризації при зміні в свердловині та еталонуванні, за швидкість руху приладу, час дії залишкового струму, за азимут і кут нахилу свердловини та еталонувального приладу, різниця температур промитої частини пласта і рідини при еталонуванні, діаметр свердловини, товщину глинистої кірки, справність котушки і зонда при дослідженні свердловини та еталонуванні.

Ядерно-магнітним методом досліджуються розрізи глибоких свердловин з метою виділення пластів-колекторів і визначення характеру їх насичення (нафта, газ, вода), а також ефективної пористості. Криві сигналу вільної прецесії відображають в породі наявність вільної рідини, тому всі пласти, виділені аномалією на фоні завад, відносять до пластів-колекторів. (рис 4, а)

Рис.4. Криві ЯММ (а) і часу релаксації для нафтоносних (б) і водоносних (в) порід. 1 – алевроліт, 2 – алевроліт глинистий, 3 – глини, криві U1, U2, U3 – відповідають часу τ1, τ2, τ3 після початку прецессії; б: τ1 = 760 мс; h = 818 м; в: τ1 = 215 мс; h = 855 м.

 

За часом повздовжньої (термічної) релаксації Т₁ визначають тип флюїду, що насичує поровий простір пластів-колекторів, і ступінь змочуваності гірських порід (гідрофільність) (рис 4, б, в). Для насичення гідрофільних порід

Т₁ = 50 ¸ 300 мс. При насиченні цих порід нафтою чи газом час релаксації зростає (Т₁>600 мс). Для гідрофобних нафтових порід час релаксації Т₁ перевищує 600 мс.

Для визначення часу повздовжньої релаксації Т₁, а відповідно, і типу флюїду, насичуючого поровий простір пластів-колектрів, використовують залежність спаду початкової напруги е.р.с. U₀ від часу її затухання (релаксації) після зняття поляризуючого магнітного поля в масштабі .

Якщо всі точки кривої релаксації в масштабі розташовуються на одній прямій (рис 4, в) це значить, що в породі є однокомпонентна рухома рідина (вода чи нафта). При цьому кут нахилу прямої для водоносних колекторів більше, ніж для нафтоносних, а час релаксації у нафтоносних колекторів більший, ніж у водоносних (рис. 4, б, в). Відхилення кривої від прямолінійного напрямку свідчить про наявність в породі рухомих води і нафти. Така крива може бути представлена двома прямими.

За даними ЯММ можна визначити коефіцієнт ефективної пористості гірських порід k _{п еф} (рис. 4, а).

Ядерно-магнітним методом можна досліджувати лише відкритий стовбур нафтової чи газової свердловини, так як обсадна стальна колона є феромагнітним матеріалом. Цей метод дозволяє з великою точністю виділяти пласти, що містять рухомий флюїд.

Зараз розвивається модифікація ЯММ, яка дає можливість оцінити характер насичення колекторів. Суть полягає в тому, що час наростання вектора намагніченості М до значення, відповідного насиченню, обумовлено типом флюїду-породозаповнювача. Визначаючи початкову амплітуд U₀ на різних затримках можна оцінити час наростання і зробити висновки про характер флюїду-породозаповнювача.

Метод застосовують для виділення колекторів і оцінки характеру їх насичення (нафта, газ, вода), а також для визначення ефективності пористості. Метод використовується тільки в не обсаджених свердловинах. Наявність в породі домішок магнітних мінералів, як правило, виключають його застосування.

Список використаної літератури

1 «Геофизические исследования скважин» Ю.И. Горбачев;

2 «Общий курс геофизических исследований скважин» Д.И. Дьяконов, Е.И Леонтьев, Г.С. Кузнецов;

3 «Мала гірнича енциклопедія» в 3-х т./ За ред. В.С. Білецького - Донецьк: «Донбас», 2004. ISBN 966-7804-14-3;

4 Сковородников И.Г. «Геофизические исследования скважин»: Курс лекций. - Екатеринбург: УПТА, 2003. - 294 с.

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ