Скважинная аппаратура для магнитометрического мониторинга в скважинах подземного бурения

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2000 г.

© Ю.Г. Астраханцев, В.П. Старовойтов,

Н.АхБелоглазова, 2001 ~~ \

УДК 622.831:53.087

Ю.Г. Астраханцев, В.П. Старовойтов,

Н.А. Белоглазова

СКВАЖИННАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ МАГНИТОМЕТРИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

М

агниторазведка во всех ее модификациях является прямым методом при оценке различных рудно-формационных комплексов по характеру магнитной минерализации на различных стадиях геологоразведочных работ и геофизических исследований. Весьма важным моментом в процессе эксплуатации любого железорудного месторождения является подтверждение условий залегания рудных тел и их морфологии, определенных на стадии детальной разведки. Главным признаком категорий разведанности запасов является достоверность оконтуривания, определяющаяся двумя показателями: достоверностью увязки

смежных рудных подсечений и точностью линейной интерполяции контура.

Следовательно, процесс геофизических исследований месторождений железных руд не должен заканчиваться на стадии детальной разведки: представляется целесообразным пролонгировать моделирование источников магнитных аномалий на стадию эксплуатации месторождения.

Сопоставление результатов магнитных съёмок, выполненных в разное время, и информации

о добыче руд за этот же период позволит получить апостериорную оценку точности определения физических и геометрических параметров железорудных тел методом математического моделирования, где исходными данными являются составляющие геомагнитного поля (2, Нх, Ну), магнитная восприимчивость (%) и время (^) [1]. Для точной коррекции модели рудного тела в процессе его

отработки, требуется аппаратура, позволяющая производить измерения необходимых для моделирования параметров с достаточно высокой точностью.

Аппаратура, используемая при магнитометрической съемке и режимных наблюдениях геомагнитного поля в условиях скважин, горных выработок и скважин, пробуренных из горных выработок должна отвечать следующим требованиям:

1) работать при любых углах наклона скважины, так как наибольший интерес часто представляют измерения именно в горизонтальных скважинах;

2) производить измерения всех параметров за

1 спускоподъёмную операцию, так как перемещения скважинного прибора в горизонтальных скважинах сопряжены с большими трудностями;

3) иметь блок накопления информации, так как в настоящее время отсутствуют цифровые каротажные комплексы с автономным питанием, а аккумуляторы ПК не предполагают длительной работы;

4) иметь автономное питание.

С учетом вышеизложенных требований, для решения задач поиска и разведки месторождений железных руд и проведения мониторинга на действующих предприятиях, в Институте геофизики УрО РАН был разработан высокоточный цифровой магнитометр-инклинометр МИ-3802Ш, позволяющий измерять три составляющие геомагнитного поля, магнитную восприимчивость, азимут и зенитный угол скважины за одну спускоподъёмную операцию.

Определение составляющих геомагнитного поля в данном приборе производилось с помощью феррозондов, при стабилизации их положения в плоскости наклона скважины механическими устройствами

(отвесы и вращающиеся рамки) [4, 5]. Регистрация информации производилась на ПК или накапливалась в твердотельной памяти. Прибор МИ-3802Ш был опробован на многих скважинах и горных выработках (рис. 1).

Рис. 1 Пример обработки и интерпретации результатов измерений в горизонтальной скважине, пробуренной из горной выработки: % - магнитная восприимчивость; Z - вертикальная составляющая магнитного поля; Н - горизонтальная составляющая магнитного поля; А - магнитный азимут скважины; ф -зенитный угол скважины; а - горизонтальная проекция вектора Т; б, в - вертикальные проекции вектора Т в меридиональной и широтной плоскостях

В настоящее время в лаборатории разработан прибор новой модификации МИ-3803. Так как, системы приемных катушек со свободно вращающимися рамками очень сложны в изготовлении и эксплуатации, то в новом приборе производится определение положения жестко закрепленных феррозондов относительно вектора силы тяжести с последующим вычислением составляющих вектора геомагнитного поля. Для реализации этого способа использовалась система из трех взаимно ортогональных акселерометров АТ-1305 разработки КБ «Темп» г. Арзамас, что значительно повысило точность и надежность измерений [б].

Данный прибор за одну спускоподъемную операцию производит одновременное измерение трех составляющих вектора геомагнитного поля (2, Нх, Ну), величины магнитной восприимчивости горных пород (X), азимута (Az) и зенитного угла скважины (ф). Полученная информация накапливается в твердотельной памяти, имеющей объем до 1000 значений с последующей выдачей ее на персональный компьютер через интерфейс типа RS-232. При использовании специальных систем доставки может применяться в горизонтальных скважинах. Прибор рассчитан на работу с одножильным бронированным кабелем длиной до 2000 м. В процессе регистрации производится постоянная проверка типов синхронизации и выравнивание полученных данных на «первое слово», что позволяет избежать нежелательных сбоев из-за нарушений в линии «скважинный прибор - наземный пульт»

Основные технические характеристики магнитометра-инклинометра МИ-3803:

диапазон измерения составляющих вектора геомагнитного поля +80000 нТл;

— диапазон измерения магнитной восприимчивости (50 4 20000)-10-5 ед.СИ;

— диапазон измерения зенитных углов

2 4 178°;

основная погрешность измерений •составляющих вектора геомагнитного поля ±0.001-2 (Н) ±20 нТ;

•азимута +1°;

•угла отклонения от вертикали ±10';

— электропитание от двух шахтных аккумуляторов, потребляемый ток 0,8 А;

— потребляемая мощность 15 В-0.8 А;

— условия эксплуатации:

• температура -10 0 - + 100 0 С;

• давление до 20 Мпа;

— габариты:

•скважинный прибор 1800* 38 мм;

• наземный пульт 100* 140 *160 мм;

Программное обеспечение магнитометра-

инклинометра состоит из двух частей.

Программы регистрации и обработки измеренных параметров

Данный блок включает в себя регистрацию измеряемых параметров или с твердотельной памяти или непосредственно с прибора, расчет выходных параметров, автоматический расчет поправочных таблиц и ввод поправок в измеренные и рассчитанные параметры. Программное обеспечение прибора является многооконной интег-

Рис. 2. Сравнение вариаций Н-составляющей геомагнитного поля, измеренных на поверхности и в скважине

рированной средой, дающей возможность работать с прибором в нескольких режимах и оперативно обрабатывать полученные массивы данных. Выходные файлы записываются в LAS-формате, что удобно для последующей распечатки диаграмм с помощью многих известных редакторов. Повышение точности измерений, дающее возможность регистрировать магнитные аномалии, не превышающие 50-100 нТл, производится за счет устранения погрешностей, связанных с неточностью изготовления прибора. Разработанная методика и программное обеспечение производят определение всех поправок, учитывающих несоосность и неортогональность систем первичных преобразователей, учет «нуля» и коэффициентов преобразования которые составляют первичные поправки и корректируют первичные данные. Затем производится прокрутка прибора в инклинометрическом столе при различных азимутах, зенитных и визирных углах. После чего программным путем автоматически вычисляются вторичные поправки, которые вводятся в рассчитанные значения Z, H, Az, ф. Программное обеспечение имеет полную совместимость с персональным компьютером типа Notebook.

Программы интерпретации

Программы этого блока позволяют реализовать в интерактивном режиме построение векторов аномального магнитного поля, расчет азимута и угла наклона границ магнитных сред по скачкам магнитного поля, определение намагниченности горных пород (естественной, наведенной и полной) по измерениям магнитного поля и магнитной восприимчивости пород в естественном залегании, построение гистограмм, вычисления тренда и вычисление среднего значения магнитных параметров по скважине [2].

Весь программно-аппаратурный комплекс позволяет решать следующие задачи:

1. Расшифровка природы магнитных аномалий.

2. Поиск тел с повышенной магнитной восприимчивостью в околоскважинном пространстве:

• определение пространственного положения магнитных тел;

• построение пространственных моделей магнитных тел.

3. Изучение магнитной минерализации, вскрытой скважинами и горными выработками:

• выделение в разрезе скважины зон с повышенными магнитными свойствами;

• определение элементов залегания магнитных тел;

• определение составляющих полной намагниченности горных пород и руд в их естественном залегании;

• изучение генетических особенностей вскрытой магнитной минерализации [8].

4. Контроль азимута и зенитного угла исследуемых скважин.

На рис. 1 приведен пример обработки и интерпретации результатов измерений на примере исследования горизонтальной скважины, пробуренной из горной выработки. По скважине измерены магнитная восприимчивость, составляющие вектора магнитного поля, магнитный азимут и зенитный угол скважины в интервале 0 4 125 м. Используя разработанные в лаборатории алгоритмы, построены аномальные вектора в горизонтальной и двух вертикальных плоскостях, которые позволяют оценить пространственное положение магнитного пласта, подсеченного скважиной.

Таким образом, повышение эффективности шахтно-скважинной магнитометрии связано как с разработкой новой магнитометрической аппаратуры, так и с разработкой методики обработки и интерпретации результатов измерений, а также с разработкой программного обеспечения.

С целью углубленного исследования строения геомагнитной среды и процессов, протекающих в земной коре, в лаборатории скважинной магнитометрии разработан трехкомпонентный цифровой магнитометр-вариометр СТМ-120, позволяющий проводить вариационные измерения составляющих магнитного поля. Прибор разработан в двух вариантах: наземном и скважинном. Одновременные режимные измерения двух приборов на поверхности и в скважине или горной выработке дают информацию о поведении во времени как внешнего магнитного поля, так и внутреннего. Сравнение этих полей позволяет судить о влиянии горных пород на магнитное

поле.

Прибор построен по схеме феррозондового магнитометра на 2-й гармонике, на базе блока высокоточных акселерометров.

Информация из скважинного снаряда на поверхность передается по одножильному кабелю в стандарте RS232 и записывается на персональный компьютер.

• Диапазон измерений составляющих магнитного поля ±64000 нТл.

• Точность измерений

±20 нТл.

• Предельная рабочая температура 120°С

• Цикл измерений

6 сек.

Программное обеспечение прибора позволяет принимать информацию с отображением ее на дисплей в цифровом виде, производить первичную обработку устранять случайные выбросы и вводить ряд поправок в рассчитанные данные Ъ, Н, Т, D и сохранять выходные файла в LAS-формате. Дальнейшее построение диаграмм вариаций магнитного поля производится стандартными графическими редакторами. Прибор испытывался в

лаборатории-обсерватории Института геофизики. В геолаборатории НПЦ «Кольская сверхглубокая» проводились одновременные измерения двумя приборами - на поверхности и в скважине на глубине 630 м с 11 по 14 декабря 2000 года. Результаты измерений Н-составляющей и вычисленной разницы между ними представлены на рис. 2.

1. Афанасьев Б.М., Грищенко В.А., Долгаль А.С., Муха-метшин А.Н., Панов В.В., Садур О.Г. 2000, Геофизический мониторинг при эксплуатации железорудных месторождений: Геофизика, 2, 55-61.

2. Астраханцев Ю.Г., Бело-глазова Н.А., Иголкина Г.В., Глухих И.И. 1998, Повышение эффективности шахтно-скважинной магнитометрии: Г орная геофизика. Материалы международной конференции, С-Петербург, СПБ.: ВНИМИ. 22-26.

3. Астраханцев Ю.Г., Иголкина Г. В., Белоглазова Н.А., 1998,Скважинный магнитометр для геодинамических станций:

Проблемы геодинамики, сейсмичности и минералогении подвижных поясов и платформенных областей литосферы. Материалы международной конференции, Екатеринбург, Институт геофизики УрО РАН, 17.

4. Астраханцев Ю.Г. Блок

первичных преобразователей

скважинного магнитометра инклинометра. Патент РФ №2063052.

5. Астраханцев Ю.Г. Блок

первичных преобразователей

скважинного магнитометра инклинометра. Патент РФ №2065184.

6. Миловзоров Г.В. Построение инклинометров с трехкомпонентным феррозондовым и акселерометрическим датчиком/

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации. - Уфа, 1997. 66.

7. АстраханцевЮ.Г., Пономарев В.Н. Устройство для измерения магнитной восприимчивости горных пород/ Патент РФ№129315.

8. Бахвалов А.Н., Иголкина Г.В. Математическое моделирование внутреннего магнитного поля неоднородно намагниченных тел с целью определения их намагниченности// Прикладная геофизика.- М.: Недра. Вып119, 1988, с 88-93.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

/"

Астраханцев Юрий Геннадьевич - ст. научный сотрудник, кандидат технических наук, Институт Геофизики Уральского отделения РАН.

Старовойтов Владимир Петрович - инженер-электронщик, Институт Г еофизики Уральского отделения РАН.

Белоглазова Надежда Анатольевна - инженер-программист, Институт Геофизики Уральского отделения

РАН.

РАН.