Программно-методический комплекс для магнитометрических исследований сверхглубоких и разведочных скважин

Изучение магнитного поля Земли и магнитных характеристик горных пород является одной из наиболее важных задач геофизики.

Первые измерения геомагнитного поля в скважине появились в 1956 году после создания под руководством В. Н. Пономарева (Институт геофизики УрО РАН) аппаратуры для одновременной регистрации вертикальной составляющей магнитного поля и магнитной восприимчивости горных пород в скважинах (Пономарев, Суворов 1958). Теоретические и аппаратурно-методические разработки привели к новому направлению магниторазведки — скважинной магнитометрии (Пономарев, 1968).

Скважинная магнитометрия нашла широкое применение на всех основных стадиях геологоразведочных работ на железорудных месторождениях: поисков, предварительной разведки, детальной разведки, подсчета запасов. При поисках глубокозалегающих железорудных месторождений, которые часто не отмечаются аномалиями на земной поверхности, а обнаруживаются только по аномалиям в скважинах, скважинная магниторазведка является основным методом, направляющим геологоразведочные работы.

Дальнейшее совершенствование и широкое применение метода скважинной магниторазведки было связано с подключением к работам в этой области ученых из других институтов и специалистов-производственников. В 1957 году в практике работ на уральских магнетитовых месторождениях появились комплексные станции для магнитных измерений в скважинах — станция СМС-1, позднее КМКС-3, затем трехкомпонентный магнитометр ТКМ и другие, разработанные под руководством В. Н. Пономарева (Пономарев, Авдонин, 1966). Дальнейшие разработки привели к созданию в 70-х годах трехкомпонентных аналоговых скважинных магнитометров с вертикальной системой ориентации датчиков (КСМ-38, КШСМ-38, КСМ-65 и др.), которые осуществляли непрерывные измерения в скважинах трех составляющих магнитного поля и магнитной восприимчивости горных пород (Скважинная магниторазведка., 1984; Магниторазведка., 1990). Благодаря непрерывной записи, существенно повысилась разрешающая способность метода, что позволило применять скважинную магнитометрию и на слабомагнитных объектах. С 1961 года в Институте разведочной геофизики (ВИРГ) Поповым А. А., Бариновым Е. А, и др. (Баринов, Мухин, Попов, 1966) разрабатывается и внедряется в производство серийная аппаратура с осевой системой ориентации датчиков ТСМ-3, ТСМК-40 и ТСМК-30 для измерений трех составляющих аномального вектора магнитного поля. Кроме указанных выше комплексов измерений, под руководством Кальварской В. П. разработаны феррозондовые магнитометры для определения приращения модуля полного вектора магнитного поля AT в скважинах (Гречин, Кальварская и др, 1973).

Создание трехкомпонентных скважинных магнитометров значительно расширило задачи, решаемые скважинной магнитометрией. При магнитометрических скважинных исследованиях только трехкомпонентные измерения позволяют определить направление на магнитный объект, находящийся вблизи скважины (Пономарев, Бахвалов, 19 646). В случае подсечения скважиной пластов магнитных пород, трехкомпонентные измерения позволяют определить азимут и угол падения этих пластов (Пономарев, Бахвалов, 1964а).

Трехкомпонентные магнитометрические измерения позволяют решать и ряд технологических задач:

• определение пространственного положения скважин (инклинометрические измерения);

• обнаружение и определение местоположения магнитных металлических предметов техногенного происхождения в стенках скважины или околоскважинном пространстве (Астраханцев и др., 1989).

В период становления метода, трехкомпонентные феррозондовые магнитометры основывались на использовании отвесов и вращающихся рамок с эксцентрично расположенным грузом для стабилизации феррозондовых преобразователей в плоскости наклона скважины. Развитие и совершенствованием магнитометрических и инклинометрических систем, бурное развитие вычислительной техники, дополнительные требования к скважинной аппаратуре по термобаростойкости, надежности и точности измерений привели к созданию нового направления в построении трехкомпонентных магнитометров. Таким направлением является использование при построении аппаратуры жестко закрепленных в корпусе скважинного прибора измерительных систем. Пересчет составляющих геомагнитного поля из неориентированной системы координат скважинного прибора в вертикальную систему координат, связанную с плоскостью наклона скважины, производится алгоритмическим путем.

В Институте геофизики УрО РАН для исследования сверхглубоких и разведочных скважин было разработано два типа магнитометров: 1) с использованием двух жестко закрепленных феррозондов и разработанных устройств (Астраханцев, 1993) для определения их ориентации в плоскости наклона скважины- 2) с использованием трех жестко закрепленных феррозондов и акселерометров (Астраханцев, 1996).

При создании аппаратуры, работающей при температуре до 125 °C, наиболее перспективным направлением является использование трех феррозондовых и трех гравиметрических датчиков (акселерометров), жестко закрепленных в корпусе скважинного снаряда.

По такому же принципу рядом разработчиков (Миловзоров, 1997; Ковшов, Алимбеков, Жибер, 1997; Любимцев, 2004; Миловзоров, 2005) создаются инклинометры, предназначенные для определения пространственного положения ствола скважин, но программное обеспечение этих инклинометров, кроме комплекса угловых параметров (магнитный азимут, зенитный и визирный углы), не предполагает определения составляющих вектора геомагнитного поля. Кроме того, для магнитометрических исследований скважин, по сравнению с инклинометрическими измерениями, требуется аппаратура с большей разрешающей способностью. Так, в рассматриваемых магнитометрах (Астраханцев, 1993; Астраханцев, 2003) используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с разрядностью 14, в то время как для инклинометров достаточно АЦП с 12 двоичными разрядами (Любимцев, 2004).

Актуальность темы

.

Разработка и создание трехкомпонентных магнитометров или магнитометров-инклинометров с использованием новых систем определения ориентации феррозондов и их конструкторско-технологическая проработка находятся в неразрывной связи с исследованиями и разработками методов повышения точности измерений, а также методов коррекции инструментальных погрешностей. Ключевым условием обеспечения необходимой точности измерений и использования вычислительной техники в полном объеме явилась возможность осуществления одновременной регистрации трёх составляющих вектора геомагнитного поля.

В настоящее время все большее внимание уделяется повышению эффективности магнитометрических измерительных систем за счет создания алгоритмов и программных средств обработки магнитометрической информации.

В совокупности параметров, влияющих на точность измерений, особое место занимают факторы, обусловленные конструктивным исполнением прибора — инструментальные погрешности. Это ряд конструкторско-технологических параметров:

— трение в опорах подвесов подвижных элементов;

— неточная ориентация рамок и маятников в плоскости наклона и горизонта;

— несоблюдение ортогональной ориентации осей чувствительности первичных преобразователей по отношению к опорным базисам скважинного прибора и др.

Исследования, направленные на изучение влияния инструментальных погрешностей на выходные параметры первичных преобразователей, привели к созданию алгоритмов, программного обеспечения и методики настройки аппаратуры, позволяющих вычислить эти погрешности и устранить их математическим путем. Использование алгоритмических методов значительно повысило точность измерения составляющих геомагнитного поля, позволило применять скважинную магнитометрию на слабомагнитных объектах, таких как месторождения никеля, алмазов, золота и др.

В данной работе рассматривается ряд специфических вопросов связанных с возможностью проведения инклинометрических измерений в стволах скважин, обсаженных легкосплавными бурильными трубами (ЛБТ), соединенных магнитными муфтами, значительно искажающими истинные значения азимута. Разработанный программный модуль позволяет устранять влияние магнитных муфт на измеряемый азимут по градиентным значениям составляющих магнитного поля.

Кроме магнитометрических и инклинометрических измерений в скважине, в данной работе рассматривается возможность осуществления мониторинга магнитного поля геопространства, ограниченного определенной геолого-геофизической обстановкой с помощью двух магнитометров-вариометров, разработанных в Институте геофизики УрО РАН (Астраханцев и др., 2001; Астраханцев и др., 2005) в системе «поверхность-скважина». Так как требуемая чувствительность вариометров на порядок выше, чем у скважинных магнитометров, то существенное значение приобретает влияние дестабилизирующих факторов, действующих как на скважинную, так и на наземную аппаратуру. Разработанное программно-методическое обеспечение для магнитометров-вариометров позволяет обеспечить разрешающую способность аппаратуры и точность измерений, сопоставимые с обсерваторскими приборами за счет учета и компенсации дестабилизирующих факторов.

Таким образом, разработка программного обеспечения магнитометров с жестко закрепленными датчиками, обеспечивающего необходимую точность и надежность измерений составляющих геомагнитного поля и их вариаций, создание методики настройки аппаратуры и оперативная обработка полученной информации в полевых условиях, является актуальной задачей.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка алгоритмов и программно-методического обеспечения трехкомпонентных скважинных магнитометров-инклинометров, скважинных и наземных вариометров, позволяющего проводить: настройку аппаратурынепрерывные измерения составляющих геомагнитного поля и их вариаций в разведочных и сверхглубоких скважинах с заданной точностьюоперативную обработку результатов измерений непосредственно в полевых условияхввод коррекции за температурный дрейф и инструментальные погрешности изготовления измерительных систем.

Основные защищаемые положения.

1. Разработанные алгоритмы, программное обеспечение и методика настройки скважинных магнитометров-инклинометров, построенных по принципу использования двух или трёх жестко закрепленных феррозондов и устройств определения их ориентации в пространстве (намагничивающие катушки или акселерометры), позволяют добиться заданной точности измерений геомагнитного поля.

2. Разработанное программное обеспечение трехкомпонентных скважинных магнитометров-инклинометров с жестко закрепленными датчиками, позволяет проводить непрерывные измерения геомагнитного поля в сверхглубоких и разведочных скважинах, оперативно рассчитывать компоненты вектора геомагнитного поля и пространственное положение ствола скважины в вертикальной системе координат с одновременной коррекцией полученных результатов;

3. Разработанные программное обеспечение скважинного и наземного магнитометров-вариометров и методика синхронных измерений позволяют регистрировать вариации геомагнитного поля системе «поверхность-скважина» в широком температурном и временном диапазоне температур

Научная новизна исследований:

— разработаны алгоритмы и методика устранения инструментальных погрешностей изготовления магнитометров и температурных дестабилизирующих факторов, отрицательно влияющих на точность измерения составляющих вектора геомагнитного поля, магнитного азимута, зенитного и визирного углов скважины.

— предложена оригинальная методика определения инструментальных погрешностей магнитометров с жестко закрепленными датчиками, приемлемая даже для полевых условий (при отсутствии инклинометрических столов высокой точности).

— предложены алгоритмы определения положения магнитных муфт и устранения их влияния на результаты измерения магнитного азимута при инклинометрических измерениях в скважинах, обсаженных легкосплавными бурильными трубами (ЛБТ).

— разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие добиться измерений вариаций геомагнитного поля с точностью, сопоставимой с обсерваторскими наблюдениями.

— разработаны алгоритмы ввода поправок, устраняющих влияние временных и температурных факторов, отрицательно влияющих на стабильность измерений вариаций геомагнитного поля.

Практическая ценность.

С помощью программно-методического комплекса, разработанного при непосредственном участии автора, производилась настройка аппаратуры, разработанной в лаборатории скважинной геофизики, проведены измерения магнитного поля и вариаций геомагнитного поля в Кольской и Уральской сверхглубоких скважинах (Развитие и совершенствование., 2005). Аппаратура и прилагаемое программно-методическое обеспечение, переданные заказчикам, используются при проведении геофизических работ в ПГО «Дальгеофизика» (г. Хабаровск), Когалымском управлении геофизических работ, ВНИИГИСе, ОАО «Геофизсервис», (г. Урай), Краснокамском управлении геофизических работ, ПГО «Узбекгеофизика», Уральском филиале АО «Казпромгеофизика», (г. Уральск), ОАО «Севергазгефизика», (г. Н-Уренгой), ООО «Регис», (г. Благовещенск) и др.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях: Международной конференции «Теория и практика геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» (Воронеж, 1996 г) — VI Уральском петрографическом совещании «Магматизм, метаморфизм и глубинное строение Урала» (Екатеринбург, 1997 г) — Международной конференции «Геофизические методы изучения земной коры» (Новосибирск, 1998 г) — Международной конференция «Горная геофизика», (г. С-Петербург, 1998 г) — Международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности, и минералогении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (г. Екатеринбург, 1998 г) — Научном симпозиуме.

Неделя горняка-2001″ (Москва, 2001 г) — Всероссийском совещании «Бурение сверхглубоких и глубоких параметрических скважин. Состояние технологии бурения, комплексных исследований и основные направления повышения эффективности» (Ярославль, 2001 г) — Учредительной научно-технической конференции и выставке «Приборостроение. Датчики и системы -2001» (Екатеринбург, 2001 г) — Первых научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (Екатеринбург, 2001 г) — Всероссийской конференции «Геофизические исследования в нефтегазовых скважинах» (Новосибирск,.

2002 г) — Вторых научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (Екатеринбург,.

2003 г) — Научно-практической конференции «85 лет геологической службе Урала» (Екатеринбург, 2005 г) — Третьих научных чтениях памяти Ю. П. Булашевича (Екатеринбург, 2005 г) — Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии» и I межрегиональной специализированной выставке и научно-практической конференции (Екатеринбург, 2006 г) — 33-я сессии Международного семинара им. Д. Г. Успенского (Екатеринбург, 2006 г).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Работа выполнена в лаборатории скважинной геофизики Института геофизики УрО РАН.

Автор выражает благодарность за постоянное внимание, научные консультации, советы и помощь, оказанную, в процессе работы над диссертацией научному руководителю — д.т.н. Астраханцеву Ю. Г, а также сотрудникам лаборатории скважинной геофизики Глухих И. И., Старовойтову В. П., Строкиной Л. Г., Бахвалову А. Н.,., Матафоновой Н. И., Бадьину Г. В. и Иголкиной Г. В.

Основные результаты исследований состоят в следующем:

1. Проанализированы факторы, влияющие на точность измерений составляющих вектора геомагнитного поля, обусловленные инструментальными погрешностями изготовления приборов и температурным уходом «нуля» первичных преобразователей в ходе каротажа.

2. Разработаны алгоритмы, программные модули и методика настройки аппаратуры, позволяющие вычислить эти погрешности и устранить их влияние математическим путем. Использование алгоритмической коррекции полученных результатов значительно повысило точность измерения составляющих геомагнитного поля, что позволило применять метод скважинной магнитометрии на слабомагнитных объектах (месторождения алмазов, золота, никеля).

3. Разработанное программное обеспечение магнитометров-инклинометров, предназначенных для измерения в сверхглубоких (МИ-6404) и в разведочных скважинах (МИ-3803), осуществляет перерасчет измеренных выходных сигналов, снимаемых с двух систем датчиков, расположенных в неориентированной системе координат прибора в составляющие вектора геомагнитного поля в вертикальной системе координат, привязанной к плоскости наклона скважины, производит вычисление азимута и зенитного угла ствола скважины, что позволяет проводить однозначную интерпретацию аномальных геомагнитных полей.

4. Настройка программного обеспечения позволяют автоматически устранять инструментальные (первичные поправки) и температурные ошибки аппаратуры в ходе измерений.

5. Для достижения повышенной точности измерений составляющих вектора геомагнитного поля на этапе расчета автоматически вводятся вторичные поправки, рассчитанные при настройке аппаратуры в условиях нормального поля (например, обсерватория).

6. Рассмотрены вопросы инклинометрии и, в частности, возможность проведения инклинометрических измерений в стволах скважин, обсаженных легкосплавными бурильными трубами. Разработанный программный модуль, основанный на анализе градиента составляющих геомагнитного поля, позволяет устранить влияние магнитных муфт на измеренный азимут скважины.

7. Рассмотрены вопросы, возникающие при синхронных измерениях вариаций геомагнитного поля в скважине и на поверхности. Повышение чувствительности и стабильности магнитометров-вариометров, разработанных в лаборатории, решалось аппаратурно-программным способом, что позволило проводить такие измерения с чувствительностью сопоставимой с обсерваторскими наблюдениями.

8. С помощью программно-методического обеспечения, разработанного для магнитометров-вариометров, впервые проведены синхронные измерения вариаций геомагнитного поля на Кольской и Уральской сверхглубоких скважинах в системе «поверхность-скважина», что представляет большой научный интерес.

9. Разработанный программно-методический комплекс совместно с аппаратурой использовался при научных исследованиях в Кольской,.

Уральской сверхглубоких скважинах и скважине Outocumpu (Финляндия), нефтяных скважинах (Когалымское управление геофизических работ) и в производственных организациях, таких как, ПГО «Дальгеофизика» (г. Хабаровск), ВНИИГИСе, Краснокамском управлении геофизических работ, ПГО «Узбекгеофизика», Уральском филиале АО «Казпромгеофизика», (г. Уральск), ОАО «Севергазгефизика», (г. Н-Уренгой), ООО «Регис», (г. Благовещенск) и др. и показал свою эффективность при решении, как научных, так и производственных задач.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В последние годы в лаборатории скважинной геофизики разрабатывается трехкомпонентные магнитометры нового класса, обладающие более высокой точностью измерений и надежностью в эксплуатации по сравнению с предыдущими разработками. Принципиально новые приборы, построенные по принципу использования двух или трех жесткозакрепленных в корпусе скважинного снаряда феррозондов и устройств определения их ориентации в плоскости наклона скважины (разработанные устройства или акселерометры), потребовали и принципиально нового подхода к их настройке и созданию программного обеспечения.