§ 5. Магнитные методы каротажа

Магнитные свойства горных пород определяется содержанием в них ферромагнитных минералов, а также наличием в них химических элемен­тов, обладающих магнитным моментом. Для изучения магнитных свойств горных пород применяется магнитный каротаж.

Одной из разновидностей магнитного каротажа является каротаж естественного магнитного поля (КМП). Магнитное поле Земли для конк­

ретной местности характеризуется вектором напряженности Т, величина и направление которого определяется ее составляющими: X (восточная), У (северная) и Z (вертикальная). Наличие в горных породах скоплений ферромагнитных тел приводит к отклонениям вектора Т от нормальных значений. Сущность КМП заключается в изучении в скважине составля­ющих X, Y и Z. Чувствительным элементом аппаратуры является ка­тушка индуктивности, намотанная на ферромагнитный стержень, по которой пропускается электрический ток. При изменении вектора напря­женности магнитного поля изменяется намагниченность ферромагнит­ного стержня, а следовательно и величина тока в катушке. Для изучения трех составляющих вектора применяются три катушки индуктивности, соответствующим образом ориентированные в пространстве. Регист­рируемое изменение токов в катушках позволяет судить о пересечении скважиной рудного тела или укажет направление, в котором оно рас­положено, если рудное тело скважиной не встречено.

Способность горных пород намагничиваться характеризуется безра­змерной величиной — магнитной восприимчивостью х, представляющей собой отношение намагниченности пород к напряженности намагничи­вающего поля. Метод, основанный на измерении х называется карота­жем магнитной восприимчивости (КМВ). Чувствительным элементом ап­паратуры КМВ является катушка индуктивности, которая выполняет функции как генераторной, так и приемной катушек. Переменный ток частотой 1000 Гц, проходя по катушке, индуцирует в окружающей среде вторичное магнитное поле. Это поле оказывает на катушку обратное действие, пропорциональное магнитной восприимчивости среды, в кото­рой находится катушка.

Применение двухкатушечного зонда позволяет повысить точность определения х и глубинность исследований, что снижает влияние сква­жин. В отличие от КМП метод КМВ отмечает только породы, пересе­ченные скважиной.

На измерении ядерной намагниченности горных пород основан ядерно-магяитный каротаж (ЯМК). Распределение протонов и нейтронов в ядре и их перемещение предопределяют наличие и величину его механического и магнитного моментов. Отношение магнитного мо­мента к механическому называется гиромагнитным отношением. На­ходясь в магнитном поле Земли, магнитные моменты ядер стремятся ориентироваться в направлении вектора этого поля, что ведет к воз­никновению ядерной намагниченности. Однако из-за теплового дви­жения молекул такое состояние ядер неустойчиво и они совершают колебания (прецессируют) вокруг направления магнитного поля Земли, подобно тому, как вращающаяся юла совершает сложное вращательное движение вокруг своей оси.

Если на горные породы действовать постоянным магнитным полем, направление которого отличается от направления магнитного поля Зем­ли, то ядра атомов меняют свою ориентировку и в новом равновесном состоянии прецессируют вокруг суммарного магнитного поля. После прекращения действия поляризующего магнитного поля ядра атомов 38 возвращаются в состояние исходного равновесия, свободно прецессируя вокруг магнитного поля Земли. Частота прецессии зависит от величины гиромагнитного отношения ядер. Возвращение ядер атомов в положение равновесия происходит в течение промежутка времени, которое называ­ется временем релаксации.

Если в исследуемую среду или вблизи нее поместить катушку, то в ней будет индуцироваться ЭДС синусоидальной формы, затухающая во времени—сигнал свободной прецессии (ССП). Амплитуда ССП зави­сит от количества ядер атомов среды, участвующих в свободной прецес­сии. Для характеристики амплитуды ССП при ЯМК используют индекс свободного флюида (ИСФ), который представляет собой отношение начальной амплитуды ССП к начальной амплитуде сигнала в дистил­лированной воде.

Из элементов, слагающих горные породы, только ядра атомов водо­рода, входящего в состав флюидов, обладают достаточно большим гидромагнитным отношением, чтобы создать под действием поляризу­ющего поля ЭДС, которую можно зарегистрировать в условиях скважи­ны. Причем вода, входящая в состав минералов, слагающих породу, очень вязкая нефть, твердые и другие углеводороды, адсорбируемые на поверхности частиц породы, сколь-либо заметного влияния на показа­ния ЯМК не оказывают. Поэтому основным назначением метода явля­ется определение объема пор, содержащих подвижные флюиды.