Метод магнітної сприйнятливості

Метод магнітної сприйнятливості (МС) базується на вивченні штучного змінного електромагнітного поля гірських порід, величина е.р.с. якого визначається їх магнітною сприйнятливістю.

Для однорідного магнітного ізотропного середовища у випадку двохкотушечного зонда можна записати

                                 (13.4)

З формули випливає, що величина ЕРС електромагнітного поля, наведеної в прийомній котушці при приміщенні зонда в магнітне середовище, зростає зі збільшенням її магнітної сприйнятливості. Частка сигналу, обумовлена величиною c, залежить від відношення c і електропровідності δ.

Електрорушійна сила, що виникає при низькочастотному змінному полі за рахунок магнітної сприйнятливості середовища, являє собою реактивну складову сигналу, фаза якої утворить 90° з фазою струму генераторної котушки. Активна складова ЕРС, обумовлена електропровідністю середовища, збігається по фазі з струмом живлення і зміщена щодо реактивної складової також на 90°. Реєструвати можна або одну складову сигналу – реактивну, або одночасно дві складові – реактивну й активну, одержуючи свідчення як про магнітну сприйнятливість, так і про електропровідність порід.

У випадку однокотушечного зонда, складеного із соленоїда із сердечником з феромагнітного матеріалу, виміряється зміна індуктивності котушки, що залежить від магнітної сприйнятливості порід.

Зміна індуктивності D L в однорідному середовищі з магнітною сприйнятливістю х при низькочастотному змінному полі визначається виразом

,                                              (13.5)

де L – індуктивність соленоїда в повітрі; C –коефіцієнт, що визначає чутливість апаратури; g ₀ =f (d _c/ λl _c) – геометричний фактор (d _c – діаметр свердловини, λ – коефіцієнт скорочення соленоїда, що залежить від неоднорідності намагнічування сердечника, λ =0.64, l _c – довжина сердечника соленоїда, λl _c – діюча довжина чуттєвого елемента; χ _еф – ефективна магнітна сприйнятливість, зв'язана з дійсним значенням χ співвідношенням

,                                                      (13.6)

де N – коефіцієнт розмагнічування середовища, що залежить від її геометрії; при малих змінах d _c його можна вважати постійним і рівним 10.9.

13.6 Апаратура методу МС

Магнітна сприйнятливість гірських порід може бути виміряна двома принципово різними способами: по зміні індуктивності соленоїда і величині реактивної складової напруженості вторинного магнітного поля.

Дослідження розрізів свердловин методом МС здійснюється апаратурою КМВ, АМК-3 і комплексною апаратурою ЕМК-1, КМК і ТСМК-40.

Апаратура типу КМВ розроблена на основі мостової схеми (Рис. 13.1). Міст живиться струмом частотою 1 кГц від електронного генератора через трансформатор. Напруга розбалансу моста надходить на підсилювач, потім на фазовий випрямляч для випрямлення реактивної складової поля, далі через фільтри подається на прилад, що реєструє. Свердловинний прилад живиться від генератора струмом частотою 50 Гц, анодна напруга знімається з випрямляча. Фільтри призначені для поділу живильної і вимірювальної ланцюгів.

В апаратурі КМВ застосовуються два датчики: 1) чутливий – для вимірів у слабомагнітних породах і рудах; 2) грубий – для вимірів у сильномагнітних рудах. Чутливий датчик довжиною 20 см з феритовим сердечником має високу індуктивність при низькому омічному опорі (велика добротність датчика). Його чутливість складає 3-5 мільйонних частинок одиниці. Довжина грубого датчика 12 див, індуктивність його порівняно невелика (мала добротність датчика). Датчики поміщені в заповнений маслом неметалічний кожух.

Масштаб запису кривих c _еф встановлюється за даними еталонування апаратури на моделях з матеріалів з відомими значеннями магнітної сприйнятливості (наприклад, з магнетиту, магнетиту з гіпсом).

Масштаб запису кривих МС обчислюється по формулі

,                                                                  (13.7)

де K =40·π· n – коефіцієнт соленоїда (п – число витків, що приходяться на 1 см довжини соленоїда); I – сила струму; l – величина ефекту, що спостерігається, від градуйованого соленоїда.

Масштаб глибин кривих χ _ефпри детальних дослідженнях розрізів рудних свердловин складає 1:50 або 1:25. Оптимальна швидкість запису кривих МС порядку 1000-1500 м/с.

Свердловинний прилад стабільно працює при температурі до 60°С.

13.7 Криві методу МС

Однорідні пласти на кривих χ _еф відзначаються симетричними аномаліями щодо їх середини (рис. 13.2). Характерні значення χ _еф приурочені до середини пласта – максимальні при магнітній сприйнятливості пласта більше магнітної сприйнятливості вміщуючих порід χ_п>χ_вм, мінімальні при χ_п<χ_вм. У малопотужних пластах (h < 1 _с, де 1 _с– довжина датчика) криві χ _еф мають два максимуми з мінімумом у центральній частині кривої

Границі шарів достатньої потужності (h > 21 _с)визначаються точками, де величина сигналу дорівнює половині його максимального значення Δ χ _max/2, тобто потужність таких пластів визначається шириною аномалії на рівні половини її максимального значення Δ χ _{п max}. З зменшенням потужності пластів точки з координатами Δ χ _{п max}/2 зміщаються щодо границь пласта в бік вміщуючих порід.

 

13.8 Області застосування методу МС

Метод магнітної сприйнятливості найбільш ефективний при дослідженні розрізів свердловин, пробурених на магнетитових і титаномагнетитових родовищах. Його можна застосовувати також для виявлення в розрізах свердловин скупчень бокситів, марганцевих, хромітових, нікелевих, сидеритових і олов’яних руд.

Основні геологічні задачі, розв’язувані методом МС при вивченні розрізів свердловин, складаються в літологічному розчленовуванні розрізів і їх кореляції, виділенні рудних зон, визначенні змісту заліза в магнетитових рудах, одержанні даних про величину магнітної сприйнятливості порід для інтерпретації аномалій магнітного поля, відзначених магніторозвідкою.

Літологічне розчленовування розрізів свердловин за методом МС базується на різній магнітній сприйнятливості порід. Найбільші величини χ _П характерні для магнетиту і титаномагнетиту, за ними йдуть ультраосновні породи (габро, діабази, порфірити й ін.), потім кислі породи (граніти, гранодіорити). Найнижчими значеннями χ _п володіють карбонатні і гідрохімічні осадки.

Виділення в розрізах руд базується на їх високій, порівняно з вміщуючими породами (глинами, піщаниками, карбонатами), магнітної сприйнятливості. Процентний вміст заліза в рудах визначається по залежності величини магнітної сприйнятливості від кількості, що міститься в них магнетиту.

 

13.9 Ядерно-магнітний каротаж

Ядерно-магнітний каротаж (ЯМК) базується на вивченні штучного електромагнітного поля, яке утворюється в результаті взаємодії магнітного моменту та спіну ядра хімічних елементів і зовнішнього магнітного поля.

Усі елементарні частинки та ядро хімічних елементів, крім маси і порядкового номера (заряду), характеризуються величиною власного моменту кількості руху (спіну) P і величиною магнітного моменту m, а також гіромагнітним відношенням, яке представляє собою функцію від ділення магнітного моменту ядра на його момент кількості руху:

 

.                                                                        (13.8)

 

В стабільному зовнішньому полі ядра орієнтуються своїми магнітними моментами вздовж поля. Внаслідок теплового руху молекул стан ядра постійно порушується. Вони, стараючись заново прийняти напрямок вздовж поля, уподібнюються зарядженим дзиґам, які обертаються навколо власної осі, що орієнтується в напрямку магнітного поля Землі, із визначеними значеннями P і m для кожного конкретного хімічного елемента (Рис.13.3, а).

Якщо в пласті, що досліджується, створити сильне магнітне поле напруженістю H _п, яка перпендикулярна полю Землі H _з, то ядра атомів при наявності спіну та магнітного моменту будуть орієнтуватись у напрямку сумарного поля поляризації H _cум і поля Землі, створюючи при цьому вектор ядерної намагніченості (магнітний момент) m (Рис. 13.3, б). При цьому проходить аномальне поглинання енергії поля тими ядрами, для яких ларморова частота при заданій напруженості постійного магнітного поля співпадають із частотою змінного поля. Дане явище називається ядерно-магнітним резонансом.

У випадку швидкого виключення поля поляризації під дією магнітного поля Землі ядра елементів повертаються в початкове положення (Рис. 13.3, в), прецесуючи навколо напрямку зовнішнього магнітного поля подібно дзизі в полі сил тяжіння з частотою біля 2 кГц (частотою Лармора), яка обумовлена напруженістю магнітного поля Землі (H _з»40 А/м) і гідромагнітними властивостями ядер. При своїй прецесії ядра під дією обертаючої поперечної складової вектора ядерної намагніченості m створюють змінні (які затухають у часі) електромагнітні поля, напруженість яких змінюється за допомогою приймальної котушки свердловинного приладу. В котушці виникає електричний синусоїдальний сигнал (сигнал вільної прецесії), який затухає за експонентою із сталою t ₂, яка називається поперечною релаксацією:

.                                         (13.9)

За отриманим сигналом вільної прецесії можна визначити E ₀ – початкову амплітуду е.р.с., t ₁ – час поздовжньої або термічної релаксації, який характеризує швидкість зростання ядерної намагніченості за напрямком прикладеного поля поляризації і t ₂ – час поперечної релаксації, який є мірою швидкості розфазовування прецесії окремих ядер. Під часом релаксації розуміють час, протягом якого початкова амплітуда е.р.с. E ₀ зменшується приблизно в 2.7 рази.

Встановлено, що із усіх елементів, які складають гірські породи, тільки ядра водню, що входять у склад вільної рідини (вода, нафта), володіють великим магнітним моментом і ядерним спіном, щоб створити під дією поляризованого магнітного поля е.р.с., яка може бути виявлена в умовах свердловини.