3. Магнитные и электромагнитные методы гис

3.1. Индукционный каротаж (ик)

Различают низкочастотные (20-60 кГц) и высокочастотные (1-140 МГц) электромагнитные поля. Основное применение в практике нашел низкочастотный метод, получивший название индукционного.

Индукционный каротаж основан на изучении полей вихревых токов, индуцированных в горных породах электромагнитным полем ультразвуковой частоты и позволяет получить сведения об удельной электрической проводимости последних.

Генераторная катушка создает первичное электромагнитное поле, приводящее к возникновению в горных породах вихревых токов (токов Фуко). Схематически картина выглядит так, будто пространство заполняется э лементарными токовыми кольцами с центрами на оси скважины. Ток в каждом i-том кольце прямо пропорционален е.д.с. Е_i, создаваемая первичным полем в области этого кольца и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению _П горных пород, составляющих кольцо. По закону Ома можно записать:

l,s - длина и поперечное сечение кольца, _П - удельная электропроводность горных пород.

1 - генераторная катушка; 2 - приемная катушка; 3 - i-тое токовое кольцо (разрезанное в плоскости чертежа); 4 - линии напряженности первичного магнитного поля; 5 - то же вторичного.

Вихревые токи индуцирует в приемной катушке е.д.с. Е₂.Зависимость Е₂ от I_i и, следовательно, от _П - прямопропорциональна. Поскольку зависимость между _П и _П обратно пропорциональная, то при малых _П метод обладают большой чувствительностью. Именно поэтому он способен, например, выделять мелкие прослои глин, залегающие среди мощных пластов высокого сопротивления.

Основной частью аппаратуры ИК является индукционный зонд, который в простейшем варианте состоит из двух катушек: генераторной 2 и приемной 3, расположенных соосно. Катушка 2 питается от генератора 1 синусоидальным током частотой 20 - 50 (до 150) кГц. При этом генерируется первичное магнитное поле, вызывающее вихревые токи в проводящих породах. Вихревые токи в свою очередь создают вторичное магнитное поле, которое и является предметом изучения в индукционном каротаже.

О чевидно, что е.д.с, возникающая в приемной катушке 3, будет обусловлена, как первичным, так и вторичным магнитными полями. Не­посредственное воздействие первичного поля на измерительную катуш­ку никак не связано с горными породами, поэтому е.д.с., индуцирован­ную этим полем компенсируется встречной е.д.с., равной первой по ве­личине и противоположной по фазе, с помощью дополнительной катушки или специальных электронных устройств. Настройка компенсирующих устройств производится при расположении зонда ИК в воздухе вдали от проводящих объектов.

В общем случае измеряемая е.д.с. состоит из активной Е_а и реактивной Е_р составляющих:

Е = Е_р + I*Е_а

Единицей измерения электропроводности (кажущейся) является сименс на метр; См / м = 1 /Ом*м.

При малой электропроводности исследуемой среда вторичное поле, как электрическое, так и магнитное, много меньше первичного. Плотность индуцируемых вихревых токов в этом случае прямо пропорциональна удельной проводимости среды. Согласно закону электромагнитной индукции максимальное значение плотности вихревых токов соответствует максимальной скорости изменения первичного магнитного поля и тока питания, т.е. моментам времени, когда ток в генераторной катушке обращается в нуль. Отсюда следует: при малой электропроводности среды между силой тока в генераторной катушке и плотностью тока в среде существует сдвиг фаз на угол 90°,Е сли взять производную по времени от синусоидального тока (т.е. оценить скорость его изменения), то максимума производная достигает в точках, где I=0 (т.е. эта точка и есть точка максимальной скорости изменения тока).

Вторичная е.д.с., обусловленная магнитным полем вихревых токов, находится в фазе с током питания (еще один сдвиг на 90°) генераторной катушки, т.е. полезный сигнал ИК является активной составляющей е.д.с. (Е_а).

С повышением электропроводности среда вихревые токи возрастают, и следовательно, повышается и вторичное магнитное поле. Оно может стать соизмеримым с первачом. При атом вихревые токи, индуцированные в различных участках среда, начинают взаимодействовать между собой посредством магнитных полей, т.е. наблюдается явление получившее название скин-эффект. В результате скин-эффекта и возникает реактивная составляющая Ер измеряемого сигнала, сдвинутая по фазе относительно активной Е_а на 90 .

В индукционном каротаже используется активный сигнал. Он усиливается усилителем 4, отдаляется от реактивной составляющей с помощью фазочувствительного детектора 5 и по кабелю 6 подается на поверхность к регистрирующему прибору 7. На поверхности также находится источник питания 8.

Индукционный каротаж отличается от рассмотренных выше электрических методов ГИС тем, что для создания вторичного электромагнитного поля, несущего информацию о горных породах не требуется непосредственного (гальванического) контакта зондовой установки с окружающей средой. Поэтому ИК позволяет изучать электропроводность горных пород в "сухих" скважинах, а также в скважинах, заполняемых плохо проводящей жидкостью (промывочная жидкость на нефтяной основе).

Недостатком ИК является снижение его эффективности при заполнении скважин минерализованной жидкостью. Кроме того, наличие зоны проникновения в этом случае существенно снижает глубинность метода.

ИК используется для расчленений песчано-глинистых разрезов на месторождениях нефти и газа (по удельному электрическому сопротивлению горных пород), а также при разведке твердых полезных ископаемых с целью выделения сульфидных, железных руд и других объектов с хорошей электропроводностью.

Недостатком ИК является также небольшой диапазон доступных для измерений проводимостей, который ограничивается значениями  < 50 Ом*м. При  > 50 Ом*м вторичная е.д.с. мала и практически не может быть измерена на фоне шумов и помех.

В целом диаграммы индукционного каротажа по сравнению с методом КС более дифференцированы, а полученные _К ближе к удельным .

3.2. Каротаж магнитной восприимчивости (КМВ)

Каротажем магнитной восприимчивости принято называть магнитный каротаж, предназначенный для определения магнитной восприимчивости горных пород и руд (капа) в скважинах, метод основан на изучении характеристик вторичного поля, возникающего под воздействием намагничивания пород, окружающих скважину, первичным полем генераторной катушки индукционного зонда. Устанавливаемое по данным КМВ значение капа, относится к единице объема вещества, характеризует его способность к намагничиванию и определяет значение индуктивной намагниченности J_инд при помещении вещества в магнитное поле напряженностью Н:

J_инд = капа * Н

О величине капа судят по е.д.с., индуцируемой вторичным полем в измерительной катушке зонда:

Е = Е/Е₀ = G/капа ,

где Е - приращение вторичной е.д.с., обусловленное средой; Е₀ -первичная е.д.с.; G-геометрический фактор (учитывает влияние формы и размеров зонда скважины, пласта).

Для слабомагнитных сред с капа  0,1 ед. СИ значения капа по формуле приведенной выше определяются с погрешностью не более 10%.

Для сильномагнитных сред (капа > 0,1 ед. СИ) формула преобразуется к виду:

Е = Е/Ео = G/капа*,

где капа*=капа/(1+N*капа)

где капа*- кажущаяся магнитная восприимчивость, N - коэффициент размагничивания. Коэффициент N отражает нелинейную связь между Е и капа, обусловленную размагничивающим действием среды, и зависят от геометрического фактора G и капа среды.

Значения геометрического фактора G и коэффициента размагничивания рассчитывают теоретически или устанавливают экспериментально на моделях.

В общем случае измеряемая е.д.с. состоит из активной Е_а и реактивной Е_р составляющих:

Е = Е/Ео = Е_р + i*E_a.

Реактивная составляющая Е_р измеряется в каротаже магнитной восприимчивости. Активная Е_а, возникающая под действием вихревых токов, индуцируемых в проводящей среда, зависит от электропроводности пород  и измеряется в индукционном каротаже. Исключение ее в КМВ достигается применением синхронного выпрямителя.

От параметра капа зависит лишь часть реактивной составляющей E_pкапа. Другая ее часть Ер - помеха, ограничивающая применение КМВ при исследовании магнитных свойств высокопроводящих геологических объектов. Уменьшение значений Ер может быть достигнуто снижением рабочих частот генератора.

Так при измерениях на частотах порядка 10 кГц зондами с длиною менее 0,5 м в средах с  10 См/м влиянием электропроводности на данные КМВ в реальных сильномагнитных средах (капа  0,1 ~ 5 ед. СИ) можно пренебречь. Учет влияния электропроводности на данные КМВ обеспечивается одновременным или раздельным регистрированием Е_а и Ер.

Аппаратура, используемая для определения магнитной восприимчивости горных пород в скважинах, подразделяется на однокомпонентную (аппаратура КМВ) и двухкомпонентную, реализующую одновременно КМВ и индукционный каротаж (ИК).