Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Университет «Дубна» Факультет естественных и инженерных наук Кафедра общей и прикладной геофизики КУРОВАЯ РАБОТА По дисциплине «Геофизические исследования скважин» тема: «Магнитный каротаж» Выполнил: студент 6 курса группы 18150 Рахимбердиев Камол Илхомович Руководитель: Доцент к.ф.н Никтин Анатолий Алеексеевич Дубна 2024 г 1 ОГЛОВЛЕНИЕ Введение…………………………………………………3 МАГНИТНЫЙ КАРОТАЖ ……………………………4 КАРОТАЖ МАГНИТНОЙ ВОСПРИМИЧИВОСТИ………………………………..4 КАРОТАЖ ПО МАГНИТНОМУ ПОЛЮ……………..10 ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, НАБЛЮДАЕМЫХ В СКВАЖИНАХ………………………………………………….14 СКВАЖИННАЯ МАГНИТОРАЗВЕДКА……………...18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА 2 Введение В магнитном скважинном методе (магнитном каротаже) изучается либо магнитная восприимчивость пород, окружающих ствол скважины, либо изменения вертикальной составляющей геомагнитного поля с помощью скважинных магнитометров. По магнитограммам можно судить о местоположении и мощности слоев с повышеннымимагнитными свойствами. Магнитный каротаж применяется при изучении разрезов скважин, для выявления железных, полиметаллических руд с вкрапленностью ферромагнитных минералов, а также выделения пластов песчаников, кварцитов, изверженных пород. Ценное преимущество этого метода - возможность выявления высокомагнитных руд, расположенных в стороне (от 1 до 30 м) от скважины. Метод естественного магнитного поля (МЕМП) основан на изучении магнитного поля Земли. Наиболее интенсивные аномалии отмечаются вблизи магнетитовых руд и изверженных пород основного и ультраосновного состава. Измеряют составляющие полного вектора напряженности геомагнитного поля Т, что позволяет обнаруживать незначительные рудные тела в околоскважинном пространстве (в том числе расположенные на 200 — 300 м ниже забоя) и определять элементы их залегания. Данные этого метода позволяют определить направление намагниченности пород, в том числе – выявить пласты с обратной намагниченностью. 3 МАГНИТНЫЙ КАРОТАЖ Для изучения литологического характера пройденных скважиной пород и выделения в разрезе скважин полезных ископаемых могут быть использованы магнитные свойства породы. Изучены магнитных свойств пород, пересеченных скважиной, по измерениям в скважине называют «Магнитным каротажем (МК)». КАРОТАЖ МАГНИТНОЙ ВОСПРИМИЧИВОСТИ Каротажем магнитной восприимчивости называют метод, предназначенный для изучения магнитной восприимчивости горных пород и руд в скважинах. Метод основан на измерении характеристик вторичного поля, возникающего под воздействием намагничивания пород, окружающих скважину, если в них возбуждается первичное поле генераторной катушки индукционного зонда /28/. Устанавливаемые по данным КМВ значения магнитной восприимчивости относятся к единице объема вещества, она характеризует его способность воспринимать магнитное поле, а также определяют величину индуктивной намагниченности при помещении породы в магнитное поле напряженностью Н. О величине магнитной восприимчивости судят по ЭДС, индуцируемой вторичным полем в измерительной катушке зонда: ∆Е = Е/Е0= К/æ, где Е – приращение вторичной ЭДС, обусловленной средой; Е0 – первичная ЭДС; К – коэффициент, учитывающий влияние формы и размеров зонда и скважины. Магнитная восприимчивость горных пород зависит главным образом от присутствия в них минералов, обладающих ферромагнитными свойствами. Метод КМВ основан на четкой дифференциации пород по магнитным свойствам. Применение метода эффективно при решении ряда геологогеофизических задач: литологического расчленения и корреляции разрезов; 4 выделения и корреляции подсеченного скважиной оруденения, определения глубин залегания, мощности рудных залежей, оценки качества руд.[2] Радиус исследования в каротаже магнитной восприимчивости зависит от длины зонда. Магнитную восприимчивость окружающих зонд пород определяют по приращению ЭДС в измерительном контуре, обусловленному изменением индуктивности (в однокатушечном зонде) или взаимоиндукции (в двухкатушечном зонде) при перемещении зонда из немагнитной среды в магнитную. Существуют восприимчивости, различные действующие приборы на для основе измерения магнитной амплитудно-фазовых или частотных схем измерений. Аппаратура с амплитудно-фазовыми схемами: КМВ, КШСМ, РИМВ, ЭМК; к приборам с частотными схемами относится ТМСК. Трехкомпонетный скважинный магнитометр комплексный ТСМК 30 (40) состоит из наземного пульта и двух скважинных приборов. В одном размещены однокатушечный зонд КМВ и феррозонд для измерения вертикальной составляющей Z, а в другом – феррозонды для измерения J, Х, Zос. (осевой)составляющих вектора магнитной индукции Т. Аппаратура электрического и магнитного каротажа ЭМК –1 состоит из наземного пульта и двух одинаковых по структуре скважинных приборов, работающих на частотах 1 и 10 кГц. В каждом из них применены двухкатушечные зонды. В рудничном измерителе магнитного влияния среды (РИМВ –1, РИМВ2) принцип действия и структура скважинного прибора соответствуют работе æ -канала ЭМК-1.Комплексный шахтно-скважинный магнитометр (КШСМ) предназначен для вертикальной Z составляющих исследования магнитного горизонтальных Нх ,, Ну и поля и магнитной восприимчивости пород в скважинах и горных выработках. Аппаратура каротажа магнитной восприимчивости КМВ создана на базе соленоидных индукционных зондов. Результаты измерений оформляют в виде диаграмм 5 КМВ, по которым устанавливаются границы раздела сред с различной намагниченностью, выделяются особенности геологического разреза. Одиночные магнитные пласты выделяются симметричными относительно центра пласта аномалиями (рис. 12.14). На диаграммах по однокатушечным зондам границы пласта при h ≥ L соответствуют точкам перегиба на половине аномалии, на диаграммах по двухкатушечным зондам границы пласта устанавливают по точкам, расположенным на расстоянии L/2 от пересечения кривой с нулевой линией к середине аномалии.[3] Рис.1 Кривые эффективной магнитной восприимчивости горных пород в пластах различной мощности. Геологическая эффективность каротажа магнитной восприимчивости зависит от дифференциации пород по магнитной восприимчивости и их связи с геологическими характеристиками исследуемых объектов. Хорошо себя зарекомендовал каротаж магнитной восприимчивости при изучении геологического разреза сверхглубоких скважин. В Тюменской скважине СГ – 6 был проведен КМВ магнитометром-инклинометром МИ6404, а также были выполнены измерения магнитной восприимчивости по керну пород. Сопоставление результатов, полученных двумя методами, можно сделать по рис. 12.15. Результаты показывают, что возможно выделение зон с повышенным содержанием магнитных минералов по магнитному каротажу. 6 Рис.2. Применение КМВ для изучения базит-магнетитового тела Коршуновского месторождения Ангарской провинции 1 - оруденелая брекчия, 2 - контакт, 3 – темногорошчатые руды, 4 – светлогорошчатые руды, 5 – долериты, 6 – базальты, 7 – туффизиты, 8 – точки отбора проб, 9 – 13 - содержание железа. А – петрографическая колонка, Б – содержание железа по данным опробования, В – диаграмма каротажа магнитной восприимчивости. По стволу Кольской сверхглубокой скважины определена намагниченность пород в условиях естественного залегания. Параллельно магнитная восприимчивость пород определена по образцам. Сопоставление показало, что предпочтение необходимо отдавать скважинной магнитометрии, когда по непрерывно записанным кривым магнитного поля и магнитной восприимчивости изучается полный разрез скважины, а не отдельные точки отбора керна. По мнению Г.В. Иголкиной /17/, измерения в скважине дают 7 более достоверную информацию. Комплекс исследуемых параметров в скважине показан на рис. 3 Рис. 3. Каротаж магнитной восприимчивости (а) и магнитная восприимчивость, определенная по керну (б), Тюменская СГС-6 Каротаж магнитной восприимчивости кроме решения задач литологостратиграфического расчленения и корреляции пород разрезов, различающихся по магнитным свойствам, может использоваться для оценки минералогических и технологических характеристик руд, таких как бокситы, хромиты, графиты, железные и марганцевые руды. 8 Предназначен для измерения магнитной восприимчивости горных пород (κ, каппа) в условиях естественного залегания методом намагничивания пород низкочастотным электромагнитным полем и измерения их вторичного поля. Прибор работает с каротажным регистратором «Вулкан V3» или аналогичным. Эксплуатируется с одножильным или трехжильным каротажным кабелем [4] Технические характеристики прибора Диапазон измерения магнитной восприимчивости (κ), ед.СИ 20·10-5-1·10-1 Основная абсолютная погрешность измерения κ, ед. СИ·10-5, не более ±(10+0,05κ) Дополнительная погрешность измерения æ, вызванная изменением температуры окружающей среды на 1ºС, ед. СИ·10-5/ºС, не более 3 Напряжение питания, В 50-60 Ток питания номинальный, мА 60 Выходной код Манчестер-2 Максимальная рабочая температура, °С 80 Максимальное гидростатическое давление, МПа 15-35 Диаметр, мм 42-52 Длина, мм 1400 Вес, кг 7 Рис.4 Скважинный прибор Каротажа магнитной восприимчивости КМВ-Ц-43 9 КАРОТАЖ ПО МАГНИТНОМУ ПОЛЮ Одним из вариантов магнитного каротажа является определение изменений магнитного поля Земли по скважине (каротаж по магнитному полю). Эти изменения вызываются различием в магнитных свойствах (магнитной восприимчивости, намагниченности) пересеченных скважиной и находящихся вблизи нее горных пород и рудных тел. В настоящее время в эксплуатации находятся скважинные магнитомтры нескольких типов. Наиболее универсальными из них являются комплексной прибор магнитного каротаж типа КМК и трехкомпонентный скважинный магнитометр типа ТСМК-40. Комплексный прибор магнитного каротажа типа КМК. Предназначен для одновременного измерения вертикальной составляющей земного магнитного поля и магнитной восприимчивости пород вдоль скважины. Изменения Za вертикальной составляюўей земного магнитного поля измеряют при помоўи магниточувсвительного (элемента магнитомодуляционного зонда) М Рис.5 Принципиальная измерительная схема комплексного прибора магнитного каротажа. 10 Основной магниточувствительного элемента является пермаллоевқй сердечник, на которқй нанесена обмотка, питаемая от наземного генератора Г1 переменным током частотой 1000 гц. При наличии составляющей магнитного поля по оси сердечника в обмотке появляется магнитного поля по оси сердечника в обмотке появляется напряжение переменного тока удвоенной частоты (вторая гармоника), которое выделяется измерительной схемой ИС и подается на регистрирующий прибор Zа. Величина этого напряжения пропоциональна величине составляющей поля по оси сердечника. Магниточувствительный элемент подвешен на кардане так, что все время находится в вертикальном положении. Поэтому по его оси направлена вертикальная составляющая земного магнитного поля. Основная часть ее компенсируется постоянным током, пропускаемым через обмотку магниточувствительного элемента от источника постоянного тока ИТ. Компенсация основной части поля вертикальной составляющей облегчает наблюдения за ее изменением Za.[5] Прибор эталонируют, помещая в известное магнитное поле, создаваемое катушками, по которым пропускается постоянный ток. В результате эталонирования устанавливают соотношение между показаниям регистрирующей прибора и изменением Za вертикальной составляюшей магнитного поля. Схема для измерения магнитной восприимчивости такая же, как и описание выше. Основная ее часть – мостовая схема МС, одним плечом которой является датчик магнитной восприимчивости Д (катушка со стальным сердечником). Напряжение на мостовую схему подается от генератора Г2 (частота 475 Гц), получающего питание через выпрямитель Вп от трансформатора Тр, подключенного к цепи питания магниточусвствительного элемента. Снимаемое с измерительной диагонали моста напряжение подается на регистрирующий прибор. 11 Трехкомпонентный скважинный магнитометр типа ТСМК-40. Предназначен для поточечного измерения вдоль оси скважины трех составляющих земного магнитного поля Z,Х,Y, а также магнитной воспримичвости горных пород. Аппаратура состоит из наземной панели и двух поочередно спускаемых в скважину приборов, из наземной панели и двух поочередно спускаемых в скважину приборов, из которых в одном размещается устройство для измерения приращений вертикальной составляющей ΔZ и магнитной воспримичвости х, а в другом – устройство для измерения трех взаимно перпендикулярных составляюших вектора магнитного поля, однозначно связанных с пространственным положением скважины. Для измерения составляющих земного магнитного поля служат три взаимного перпендикулярных располагающихся соответственно магниточувствительных вдоль оси скважины элемента, (измерение составляющей Z), в вертикальной плоскости, проходящей через ось скважины (измерение составляющей Х) и в горизонтальной плоскости, (измерение составляющей Y). Каждый из этих элементов одностержневой, с одной обмоткой, по которой пропускается возбуждающий переменный ток частотой 1000 Гц. Составляющая магнитного поля по оси элемента. Для выделения этой гармоники служат система фильтров и фазовый выпрямитель. Измерения проводятся по точкам компенсационным способом передача показаний от разных магниточувствительных элементов осуществляется поочередно при помощи коммутатора. Для измерения магнитной восприимчивости используется катушка индуктивности, намотанная на ферритовый стержень. Катушка включена в резонансный контур генератора, имеющего в воздухе частоту генерации 3,2 кГц. Изменение магнитной восприимчивости пород вызывает изменение частоты тока генератора. Напряжение со скважинного генератора по кабелю передается в наземную панель в панели поступивший сигнал сравнивается с частотой опорного генератора и выделенная разностная 12 частота усиливается, калибруется по амплитуде, преобразуется в постоянный ток, пропорциональный этой частоте и подается на регистратор каротажной станции. Одновременно с магнитной восприимчивостью измеряются приращения вертикальной составляющей магнитного поля ΔZ, для чего используется магнитосувствительный датчик, установленный на карданном подвесе. Каротаж по магнитному полю позволяет разделить породы по их магнитным свойством и выделять руды, обладающие магнитными свойствами. При этом можно обнаружить магнитные руды, как пересеченные скважиной, так и расположенные вблизи нее. 13 ИНТЕРПРЕТАЦИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, НАБЛЮДАЕМЫХ В СКВАЖИНАХ Задачами интерпретации материалов скважинной магниторазведки являются: определение основных параметров возмущающих объектов – магнитного момента и координат его особых точек с последующим установлением морфологии тела и элементов его залегания. Для интерпретации магнитных полей по скважине используют векторные диаграммы Та, аналитические способы, методы подбора. При комплексной интерпретации объемных магнитных полей с использованием данных других методов предпочтение отдается методам подбора и моделированию. На рис 6 моделировано магнитное поле от наклонно залегающего линзовидного тела для северного полушария Земли. Распределение векторов Та от вытянутого тела имеет своеобразный вид. У верхнего конца намагниченного тела вектора описывают «сходящийся веер», направленный в сторону объекта, а у нижнего конца линзы показан «расходящий веер», отмечающий место истока силовых линий. Указанные признаки поведения вееров Та совместно с аномальными графиками Zf являются критериями составления геологического разреза. скв.1 скв.2 скв.3 Рис. 6 Кривые Zа и Та в скважинах от намагниченного объекта в форме наклонно залегающего линзовидного тела (по И. Г. Сковородникову) 14 Интерпретация включает следующие этапы: определение типа аномалии, определение формы объекта, определение расстояния от скважины до рудного тела и его размеров, определение местоположения объекта относительно скважины. При интерпретации результатов скважинной магниторазведки необходимо учитывать, что аномальный объект может располагаться относительно скважины произвольно, поэтому необходимо использовать трехкомпонентные измерения. [6] При исследовании скважин наблюдаются следующие типы магнитных аномалий: призабойные, связанные с телами, находящимися ниже уровня забоя; боковые, расположенные в стороне от скважины; аномалии пересечения, вызванные телами, пересеченными скважиной; сложные аномалии, включающие несколько указанных признаков. Рис.7 Типы призабойных аномалий Рис.8 Типы боковых аномалий а – прямые тела, б – наклонные тела 15 При интерпретации призабойных скважин по виду аномалий и системе векторов Та устанавливают направление расположения магнитного источника. Оценка ведется по виду кривых для различных скважин (рис.12.9). Магнитный источник в стороне от ствола скважины на записи имеет вид характерной боковой аномалии. Разновидности боковых аномалий представлены на рис. 8. Если скважина пересекает рудное тело, то магнитное поле похоже на типичные аномалии пересечения (рис 11). Рис.9 Типы аномалий пересечения Форму объекта легко определить по годографам векторов Та. На рис. 10 представлены годографы векторов Та для полюса, шара, кругового цилиндра и пластов. Годографы векторов Та однозначно возмущающего объекта: вертикальный стержень – лемниската, шар –– псевдокардиоида, круговой цилиндр – кардиоида, пласты – окружность. 16 определяют форму Рис.10 Годографы векторов: Та. 1 – полюс, 2 – пласт, 3 – шар, 4 – круговой цилиндр В качестве примера изучения геологического разреза скважинной магниторазведкой приведем материалы Кольской сверхглубокой скважины. Кольская сверхглубокая скважина, пробуренная в рамках программы «Исследование континентальной коры средствами глубокого бурения», к 1990 г. достигла глубины 12262 м. /17/. Это позволило внести принципиальные коррективы в существующие представления о строении и эволюции протерозойского и архейского комплексов пород земной коры. Четкая дифференциация магнитных свойств вскрытых скважиной пород способствовала успешному применению скважинной магнитометрии. В разрезе вскрыты крупные массивы магнитных ультраосновных пород. Скважинные исследования включали комплексные измерения магнитной восприимчивости, трех составляющих индукции магнитного поля, азимута и угла наклона скважины. Геологической задачей скважинной магниторазведки явилось изучение особенностей магнитных свойств пород в естественном залегании и их изменение с глубиной. 17 СКВАЖИННАЯ МАГНИТОРАЗВЕДКА Методы скважинной магниторазведки применяют в случае сильно магнитных пород и руд, например железных руд, представленных магнитными минералами (магнетитом или титаномагнетитому). Методы основаны на том, что рудное тело с сильными магнитными свойствами изменяет вблизи него магнитное поле (создает аномалийную зону). Комплекс исследований скважинной магниторазведки состоит из записи кривой магнитной воспримичвости и измерений земного магнитного поля. Эти измерения обычно сводятся к записи кривой Zа изменения вертикальной составляющей земного магнитного поля по скважине. При детальных исследованиях определяют на отдельных глубинах (точках) три компоненты земного магнитного поля. Результаты измерений методами скважинной магниторазведки позволяют выделит как пересеченные скважиной магнитные рудные тела, так и расположенные вблизи нее. Рудные тела, расположенные вблизи скважины, отличаются от пересеченных скважиной рудных тел характером кривой Zа и тем, что в этом случае против аномалийных зон на кривой х не наблюдается повышенных показаний магнитной воспримчиввоти (каротаж магнитной восприимчивости отмечает только свойства пород, пересеченных скважиной). По измерениям горизонтальной составляющей земного магнитного поля может быть определено направление, в котором расположено магнитное рудное тело. 18 Рис. 11 Схематическое кривые Zа и х при пересечении скважиной контакта (а) пород, различающихся магнитными свойствами, пласта с сильными магнитными свойствами (б), и магнитного рудного тела, расположенного вблизи скважины (в). 19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Магнитный каротаж основан на изучении магнитных характеристик горных пород и напряженности геомагнитного поля в породах, вскрытых скважиной. Он включает: каротаж естественного магнитного поля, основанный на изучении: вектора (модуля вектора) Т напряженности геомагнитного поля или его составляющих Х, Y, Z; приращений полного вектора или его составляющих (ΔT, ΔZ); компонент нормального (Тн, Zн) и аномального (Та, Za) поля. Единица измерения в системе СИ - тесла (Тл), дробная единица - нанотесла (1 нТл=10-9 Тл). Радиус исследований при каротаже естественного магнитного поля изменяется от нескольких метров до 100-150 м в зависимости от геометрии и магнитных свойств влияющего объекта; каротаж магнитной восприимчивости (КМВ), основанный на изучении искусственного переменного электромагнитного поля, величина ЭДС которого определяется магнитной восприимчивостью горных пород. Допускается выражение результатов измерений в единицах СИ или СГС, связанных между собой соотношением χ (СИ)=4πχ (СГС). Радиус исследований составляет 10-60 см. Магнитный каротаж применяют: для определения магнитной восприимчивости и намагниченности пород в разрезах параметрических скважин; для литологического расчленения и корреляции геологических разрезов; для выделения интервалов разреза, содержащих магнитные минералы и зоны оруденения; для определения элементов залегания пород, которые дифференцируются по магнитным свойствам; для обеспечения интерпретации наземных магниторазведочных работ. 20 Магнитный каротаж выполняют в необсаженных скважинах. Дополнительными ограничениями являются присутствие в промывочной жидкости добавок ферромагнитных минералов (гематита) и влияние металлических конструкций скважины в радиусе исследования зондов. Для проведения магнитного каротажа применяют: скважинные каппаметры для исследования магнитометры для магнитной восприимчивости измерения напряженности среды; скважинные магнитного поля. Рекомендуется использовать приборы, сочетающие оба модуля. Основные требования к приборам для магнитного каротажа: определение магнитной восприимчивости χ и модуля вектора Т напряженности геомагнитного поля и его составляющих; возможность исследования слабомагнитных разрезов с χ<10-4 ед. СИ и аномалиями магнитного поля менее 10000 нТл. 21 ЛИТЕРАТУРА 1. Студопедия - Каротаж магнитной восприимчивости (КВМ) [2],[3] 2. Студопедия - Интерпретация магнитных полей, наблюдаемых в скважинах 3. С.Г. Комаров – Геофизические методы исследования скважин Москва 1973 г. страниц 206 4. Vniigis.com - Скважинный восприимчивости 22 прибор каротажа магнитной
