Лаборатория скважинной геофизики

Лаборатория была образована в структуре созданного в 1958 г. Института геофизики Уральского филиала Академии наук СССР и носила название «лаборатория электроники и геофизического приборостроения» до 1971 г., когда была преобразована в лабораторию скважинной магниторазведки, а с 2004 г. – в лабораторию скважинной геофизики. Становление и развитие лаборатории и метода скважинной магнитометрии связано с именем профессора, доктора геолого-минералогических наук В.Н. Пономарева. В последующие годы руководство лабораторией осуществляли канд. геол.-мин. наук И.И. Глухих (1989-2004 г.г.), докт. техн. наук Ю.Г. Астраханцев (с 2004 г. по настоящее время).

По результатам проведенных исследований сотрудниками лаборатории защищено 8 кандидатских и 4 докторских диссертаций. Их труд отмечен государственными наградами. (В.Н. Пономарев, И.И. Глухих, В.Л. Нехорошков), рядом дипломов, почетных грамот, золотыми и серебряными медалями ВДНХ СССР. Доктору наук В.Н. Пономареву в 1985 году было присуждено почетное звание «Заслуженный деятель науки и техники РФ».

В настоящее время в лаборатории работают 19 сотрудников, из них 1 доктор наук и 3 кандидата наук.

Лаборатория оснащена различным научно – исследовательским и технологическим оборудованием, что позволяет выполнять научно-исследовательские, опытно-методические, технологические и аппаратурно-конструкторские разработки, а также обработку результатов измерений и компьютерное моделирование на современном научно-техническом уровне.

Под руководством и при непосредственном участии доктора наук В.Н. Пономарева в 60-е годы было создано и успешно развивалось новое, уникальное в мировой геофизической науке, направление: векторная скважинная магнитометрия. Начиналась эта работа с разработки двухканального скважинного феррозондового магнитометра для измерения вертикальной составляющей аномального геомагнитного поля и магнитной восприимчивости пород в скважинах на железорудных месторождениях, затем в 1966 г. в лаборатории был разработан четырехканальный скважинный магнитометр КСМ-38 с непрерывной разновременной регистрацией 3-х составляющих геомагнитного поля и магнитной восприимчивости (В.Н. Пономарев – В.Л. Нехорошков).

Появление непрерывных трехкомпонентных измерений магнитного поля и магнитной восприимчивости в скважинах поставило новые задачи разработки теории и методики интерпретации таких измерений. С 1961 г. решением этих вопросов занимается А.Н. Бахвалов. Разработаны способы интерпретации векторов магнитного поля двухмерных и трехмерных магнитных тел, предложены способы определения формы тела, его особых точек и элементов залегания. Изучена возможность интерпретации внутреннего поля и скачков магнитного поля при переходе через границу намагниченного теля с целью определения элементов залегания намагниченных тел. Для определения пространственного положения магнитного тела специально рассчитаны картины векторов магнитного поля. Выполнены работы по программному обеспечению метода скважинной магнитометрии.

Примером эффективности применения векторной скважинной магнитометрии было обнаружение нескольких новых рудных тел в 1964 году в районе Северо-Песчанского месторождения (Северный Урал).

Реализация непрерывных измерений величины магнитной восприимчивости пород, слагающих стенки скважины, позволила решить задачу определения концентрации магнитной минерализации. Установление корреляционных зависимостей между содержанием магнетита и магнитной восприимчивостью по ряду скважин на Уральских, Сибирских и Казахстанских месторождениях показало перспективность статистического подхода. Последующие исследования, выполненные И.И. Глухих, позволили предложить для практического использования магнитный экспресс-метод опробования.

Первое промышленное внедрение экспресс-метода опробования буровзрывных скважин для оценки качества титаномагнетитовых руд было осуществлено на Первоуральском ГОКе.

Для изучения магнитной восприимчивости в лабораторных условиях в естественном залегании (скважина, обнажение), в отбитой горной массе и технологических потоках лабораторией был разработан комплекс технических средств: феррометр МФ-1, МФ-2 «Малыш», МФ-3 и его модификации, «Ковдор», МФТ. Некоторые из этих приборов были приняты Межведомственными и ведомственными комиссиями. Запорожским заводом МЧМ СССР была изготовлена опытная партия приборов МФТ. Наиболее яркий пример максимально эффективного использования преимуществ геофизических методов опробования(в том числе и магнитного) получен на Абаканском рудоуправлении НПО «Сибруда», ставшее в 1969 – 1975 г.г. полигоном испытания новых научных разработок Института геофизики УрО РАН, ВИРГа (НПО «Рудгеофизика») и геологического управления Минчермета СССР.

В 1969 – 1974 г.г. по заданию Министерства черной металлургии СССР в лаборатории скважинной магнитометрии ИГ УНЦ АН СССР создан новый комплекс магнитных измерений в скважинах и подземных горных выработках – шахтно-скважинная магниторазведка, на базе разработанного шахтно- скважинного магнитометра КШСМ-38. Примером эффективности шахтно-скважинной магниторазведки является открытие нового рудного горизонта на Абаканском железном руднике.

До 1973 года скважинная магниторазведка применялась лишь при поисках и разведке железорудных месторождений и титаномагнетитовых месторождений с магнитной восприимчивостью руд 1-2 ед. СИ. В связи с повышением чувствительности скважинных магнитометров, скважинную магниторазведку начинают применять на слабомагнитных объектах – месторождениях бокситов, никеля, золота, алмазов по сопутствующим слабомагнитным минералам.

В 1979 – 1981 г.г. В.Н. Пономаревым и В.Л. Нехорошковым были осуществлены впервые в мировой практике магнитные измерения в океанических буровых скважинах во время 68, 69, 78 рейсов известного американского океанического научно-исследовательского корабля «Гломар Челленджер» в Тихом океане (Костариканский рифт) и в Атлантическом океане (западный склон Срединного Атлантического хребта). Измерения в скважинах, пробуренных в океанических базальтах, позволили решить задачи выявления зон прямой и обратной полярности магнитного поля Земли для проверки теории образования океанической земной коры.

Таким образом, сформировались задачи, решаемые скважинной магнитометрией:

1. Расшифровка природы магнитных аномалий.

2. Поиск тел с повышенной магнитной восприимчивостью в околоскважинном пространстве:
    - определение пространственного положения магнитных масс;
    - построение пространственных моделей магнитных масс.

3. Изучение магнитной минерализации, вскрытой скважиной: - выделение в разрезе скважины зон с повышенными магнитными свойствами; - определение элементов залегания магнитных тел; - определение составляющих намагниченности горных пород и руд в естественном залегании.

4. Определение процентного содержания магнитных минералов.

5. Выделение зон инверсий магнитного поля по разрезу скважин.

6. Контроль азимута и зенитного угла исследуемых скважин.

7. Обнаружение и определение местоположения оставленных в скважине металлических предметов.

8. Отбраковка «ложных» аномалий при использовании в процессе бурения утяжелителя буровых растворов на базе магнитных материалов.

9. Наведение ствола поисковой скважины на ствол аварийной скважины при ликвидации аварии в нефтегазовых скважинах.

С 1973 г. лаборатория скважинной магнитометрии приступила к магнитометрическим исследованиям сверхглубоких скважин (разработка аппаратуры, методики, интерпретации и выполнение магнитометрических исследований).

Магнитометрические исследования в сверхглубоких скважинах потребовали принципиально новых аппаратурных и методических решений, позволяющих проводить измерения геомагнитного поля на больших глубинах (более 12 км) и в условиях повышенных давлений (до 210 МПа) и температур (до 300 С), а также была необходима разработка методики интерпретации геомагнитных аномалий, зарегистрированных в стволах сверхглубоких скважин. Эти проблемы были успешно решены коллективом лаборатории.

Проведены исследования большинства сверхглубоких и глубоких скважин, заложенных в СССР. Это такие, как Кольская СГ-3 (12060 м), Саатлинская (8200 м), Мурунтауская (6800 м), Тимано-Печорская (7500 м), Колвинская (7200 м), Уральская (6050 м), Тырныаузская (4000 м, t = 240 С), Тюменская, Ян-Яхинская (6030 м) и др. Кроме того, проведены магнитометрические исследования спутника скважины КТБ, Германия. (Проект континентального бурения. В разрезе скважины выявлены участки магнитных под, определены их остаточная и индукционная намагниченности, получены сведения об углах и азимуте падения магнитных формаций.

По запланированному в СССР в 1984 г. проекту НИБС (Научно-Исследовательское Буровое Судно) в лаборатории был разработан и изготовлен комплексный скважинный магнитометр для проведения исследований в зоне шельфа, но работа по проекту была прекращена в связи с изменившейся в стране экономической ситуацией.

В дополнение к магнитометрическим исследованиям в скважинах выполняется детальное лабораторное изучение распределения носителей намагниченности, особенностей их состава, структуры и свойств в породах разреза Кольской СГ-3, Уральской СГ-4 и Мурунтауской СГ-10 скважин, а для первых двух – изучены магнитные минералы в поверхностных аналогах пород из околоскважинного пространства. Для некоторых глубоких скважин (Воротиловская, Колвинская, Тимано-Печорская, Ново-Елховская, спутник немецкой КТБ) магнитоминералогические исследования выполнены лишь для отдельных интервалов глубин. Аналогичные исследования наиболее распространенных рудных магнитных минералов были проведены на ряде месторождений, преимущественно железорудных, для изучения рудогенеза и формирования рудообразующих систем.

С 2000 г. в лаборатории, совместно с сотрудниками Института физики металлов УрО РАН, выполняются научно-исследовательские работы по использованию современных магнитомягких материалов (аморфных и нанокристаллических) с заданными функциональными свойствами в качестве сердечников первичных преобразователей (феррозондов) скважинных магнитометров-инклинометров. Полученные результаты показали перспективность использования изученных сплавов, позволяющих оптимизировать работу феррозондов и расширить диапазон применения магнитометрической аппаратуры, включая высокотемпературные условия изменений в условиях сверхглубоких скважин и геофизический мониторинг.

В последние годы в лаборатории разрабатываются цифровые скважинные магнитометры-инклинометры, программно совмещенные с компьютерами: МИ-6404 для исследования сверхглубоких скважин, МИ-6002 – для нефтегазовых скважин, МИ-3803 – для поисково-разведочных скважин на рудных месторождениях, МИ-3802 Ш – для скважин подземного бурения.

Разработанный в лаборатории инклинометрический модуль для контроля пространственного положения нефтегазовых скважин в процессе бурения используется в составе аппаратурно-методического комплекса «Горизонт» (разработка ООО НПФ «АМК Горизонт»), который применяется на нефтегазовых месторождениях России и за рубежом.

Востребованы магнитометры-инклинометры при проведении аварийных работ: на нефтегазовых месторождениях для наведения ствола поисковой скважины на ствол аварийной скважины; для обнаружения и определения местоположения металлических предметов, оставленных в скважине при бурении или при проведении геофизических исследований.

Магнитометр СТМ-120 используется в качестве магнитометра - вариометра при геофизическом мониторинге Уральской и Кольской сверхглубоких скважин, а также в условиях геофизической обсерватории «Арти».

В лаборатории выполняются работы по разработке наземного трехкомпонентного феррозондового магнитометра с использованием совместимого с ним навигатора, методики выполнения наземной магнитной съемки с этим прибором.

Проведена работа по созданию и метрологической аттестации стандартных образцов величины магнитной восприимчивости горных пород в скважинах. Образцы переданы заказчику и имеются в лаборатории.

С 1996 года тематика лаборатории расширилась. Началась разработка цифровой аппаратуры и соответствующей методики для проведения геоакустического каротажа в сверхглубоких и нефтегазовых скважинах (Астраханцев Ю.Г., Белоглазова Н.А., Троянов А.К.).

Разработанные аппаратурно-программные комплексы позволяют решать следующие задачи.

1.Определение динамического состояния вскрытого сверхглубокими скважинами массива пород.

2. Определение профиля притока в нефтегазовых скважинах.

3. Определение заколонных и межколонных перетоков.

4. Определение негерметичности колонны.

5. Определение характера нефтегазоводонасыщенности вскрытых и невскрытых перфорацией пластов коллекторов (на качественном уровне).

6. Определение водонефтяного и газонефтяного контакта.

Для изучения тектонофизической природы нарушенных зон в рудных и сверхглубоких скважинах были разработаны цифровой аппаратурно-программный комплекс и соответствующая методика, основанные на измерении естественного электромагнитного излучения пород в диапазоне 45 – 100 кГц.

Применение данной аппаратуры и методики позволило, например, в Уральской сверхглубокой скважине СГ-4, выявить трещиноватые зоны, наиболее чувствительные к воздействию внешних деформационных процессов.

В 2005 г. планируется проведение работ по совершенствованию аппаратурно-программного комплекса для магнитометрических исследований глубоких и сверхглубоких скважин, включая магнитометр-вариометр, и аппаратурно-программного комплекса для измерения геоакустических сигналов в скважинах с целью повышения их термостабильности и надежности. Будут продолжены работы по изучению полосовых магнитных аномалий акватории океана на примере полигона скважин 501, 504 Восточно-Тихоокеанской рифтовой системы, где имеются результаты трехкомпонентных скважинных измерений, а также по анализу данных режимных скважинных измерений магнитного поля с магнитометром-вариометром. По наземному трехкомпонентному магнитометру будут подготовлены инструктивные документы и проведена метрологическая оценка.