Магнитные и немагнитные теории

Магнитные и немагнитные теории

Магнитные поля

Для объяснения магнитного поля Земли существуют несколько теорий:

Теория № 1 Предполагается, что вращение твердой внешней оболочки Земли относительно жидкого металлического ядра должно вызывать слабое магнитное поле, обусловленное наличием электрических токов, которые образуются из-за этого относительного движения земного ядра и ее коры. Предположение о том, что ядро - частично жидкое, подтверждается соответствующими данными. (см. рис. 2-1)

Теория № 2 Аналогично теории № 1. Центральная часть Земли в основном состоит из железа и имеет механические свойства жидкости. Потоки, возникающие в ядре, вызывают образование циркуляции внутренних токов, аналогичных тем, которые наблюдаются на периферии Солнца.

Внутренняя циркуляция этих потоков действует как источник магнитного поля Земли в соответствии с принципом самовозбуждающегося динамо (рис. 2-2). Полное магнитное поле является суммой двух полей, имеющих разную природу:

· основное поле, которое возникает внутри жидкого ядра Земли

· наведенное поле, возникающее вне Земли. Это поле возникает из-за вращения Земли относительно Солнца и под действием циклов солнечной активности.

Рисунок 2-1

Рисунок 2-2

Аспекты наведенного поля

Наведенное поле вызывает следующие изменения полного магнитного поля:

* Изменения столетнего цикла приблизительно 15 гамма / год - слабоменяющиеся. (слабый эффект)

* Суточные изменения порядка 30-40 гамма. (слабый эффект)

* Циклические “двенадцатилетний цикл“ - слабоменяющиеся. (слабый эффект)

* Магнитные бури, в результате которых магнитное поле может изменяться на несколько сотен гамма - существенные изменения.

Собственное магнитное поле Земли простирается на расстояние от поверхности, превышающее ее радиус приблизительно в восемь раз. Район космического пространства, где магнитное поле Земли подвергается действию “солнечного ветра”, называется магнитопаузой На этой “подветренной” стороне, земная магнитосфера сжимается высокоэнергетичными частицами солнечного ветра (см. рис. 2-3).

Эти частицы, движущиеся со скоростью 640 миль в секунду наталкиваются на магнитное поле и резко тормозятся до скорости 400 миль в секунду. Изменения параметров солнечного ветра вызывают изменения магнитного поля Земли. Ударная волна, вызываемая облаком плазмы частиц солнечного ветра, резко сжимает геомагнитное поле на уровне Земли. (см. рис. 2-4). Это сжатие длится в течение нескольких минут и называется магнитной бурей. Затем следует понижение напряженности магнитного поля, которое может продолжаться от 30 сек. до нескольких часов. Обычно на широтах Голф оф Мексико и еще более низких это не вызывает проблем, однако, на Аляске и некоторых районах Северного моря это влияние может сильно осложнить работу.

Рисунок 2-3

Рисунок 2-4

Угол магнитного склонения

Магнитным углом склонения называется угол между касательной к земной поверхности и вектором магнитного поля (рис. 2-6). Это так же угол, образованный между вектором магнитного поля и его горизонтальной составляющей. Диапазон его изменяется от 90⁰ на Северном полюсе до почти 0⁰ в районе экватора. (рис. 2-7). На поверхности Земли существует несколько точек, где склонение равно 90 градусам. Это обусловлено локальными аномалиями и называются они “ черными дырами “.

Приемлемая точность между истинным и измеренным значением угла наклона составляет +/- 0, 75 град. Она оказывается достаточной для нужд измерений координат. (В самых последних модификациях М1, эта величина составляет для горизонтальных стволов +/-0, 75 и +/-0, 50 для других случаев).

Таблица 2-1

Гольф Мексики	Восток Канады	Море Бофорта	Северное море
50, 000 Гамма	54, 000 Гамма	58, 500 Гамма	50, 000 Гамма

Таблица 2-2

Гольф Мексики	Восток Канады	Море Бофорта	Северное море
59 градусов	70 градусов	84 градусов	70 градусов

Рисунок 2-7

Рисунок 2-9

Угол магнитного склонения

Землю можно представить себе в виде магнитного диполя, ось которого проходит через ее центр. Однако ось этого диполя не совпадает с осью вращения Земли. Угол между магнитным севером и географическим севером (истинным севером) называется магнитным склонением или углом магнитного склонения (рис. 2-8). Он зависит рт местоположения (как от широты, так и от долготы) и может меняться в районах высокой магнитной активности (таких как, например, Аляска). При магнитных измерениях географического направления

или прибавляя этот угол к измеренному. (рис. 2-8).

Рисунок 2-8

Если магнитное склонение - известно, то направление напряженности магнитного поля Земли по отношению к северу может быть вычислено. Углы магнитного склонения к западу от географического севера - отрицательные, а углы магнитного склонения к востоку от географического севера - положительны. Например, 5⁰ к западу можно записать как -5⁰, а к востоку - +5⁰.

Магнитное склонение и напряженность магнитного поля может сильно меняться во время сильной солнечной активности. Также помните, что чем ближе к экватору, тем:

* ниже напряженность магнитного поля.

* больше горизонтальная компонента

* меньше угол склонения.

Магнитные помехи

Существуют два типа магнитных помех:

*Помехи от буровой колонны

*Внешние магнитные помехи, которые могут включать в себя:

*Инструмент, оставленный на дне забоя.

*Близкорасположенная соседняя обсадная колонна.

*Магнитное “горячее пятно” на УБТ.

*Флуктуации магнитного поля Земли.

*Особенности породы (красный железняк, железный колчедан и, возможно, железосодержащие добавки в буровом растворе).

Любое отклонение от ожидаемой величины магнитного поля может быть указанием на наличие магнитной интерференции. Все магнитометрическое оборудование подвержено влиянию магнитной интерференции.

Внешние магнитные помехи могут появляться при прохождении обсаженного участка или при близком соседстве обсадной колонны соседней скважины. В этом случае должны применяться гироскопические системы измерения; особенно в случае реальной опасности столкновения с соседними скважинами.

Рисунок 2-12

Внешние магнитные помехи

При интерференции магнитного поля от внешних источников внешних источников (таких как оставленный в забое инструмент или находящаяся вблизи обсадная колонна) помехи действуют по всем трем осям магнитометра. Поэтому суммарное магнитное поле будет изменяться. Если на немагнитных УБТ есть “горячие пятна”, то полное магнитное поле будет меняться в зависимости от ориентировки, но всякий раз в одном и том же положении КНБК оно будет тем же самым (см. рис. 2-14).

*Не следует ошибочно интерпретировать изменение полного магнитного поля как неисправность датчика магнитометра. Это может быть вызвано магнитной интерференцией.

*Не следует ошибочно интерпретировать изменения показаний координат как неисправность магнитометра или инклинометра. Это может быть обусловлено их пространственной зависимостью.

Гравитационное поле Земли

Рисунок 2-16

Ньютоновский закон гравитации: Любая материальная частица притягивает любую другую с силой, прямопропорциональной произведению их масс и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Гравитационная сила является функцией расстояния от центра тел в выражении 2- 16. Гравитационное поле G в первую очередь зависит от:  Широты (основной фактор)  Глубины/высоты: в зависимости от среднего уровня моря. земной коры.  Местных флуктуаций плотности земной коры. Некоторые изменения в измеренных значениях G в районах связаны с вращением Земли. Поэтому радиус на экваторе – больше чем радиус на любом из полюсов. Величины G изменяются от 0, 997 (на экваторе), до приблизительно 1, 003 на широтах в 90 град. (изменение на 0, 006).

Уменьшение G тоже видно при увеличении глубины скважины. Скорость изменения составляет приблизительно 0, 0005 на 10000 футов. Вам понадобилось бы спуститься на глубину в 20000 футов, чтобы заметить изменение G на 0, 001. Другими словами, если бы величина G на поверхности была бы точно равна 1000, то на глубине в20000 футов она равнялась бы 0, 999. Местные флуктуации плотности Земной коры - практически можно не учитывать. Другие расхождения в измеренных значениях G связаны с инструментальными погрешностями инклинометра. Они могут быть из - за:

* Температурной чувствительности

* Ошибками из-за неправильной установки осей

* Погрешностями в электронной цепи.

* Шоковых нагрузок на инклинометр из-за вибрации, связанной с бурением.

Магнитная интерференция

Во время процесса бурения ствола скважины стальные компоненты бурильной колонны намагничиваются. Магнитные устройства для измерения искривления ствола, помещенные в бурильной колонне, будут подвержены воздействию намагниченных компонентов бурильной колонны: поэтому устройства для измерения искривления ствола скважины всегда помещаются в немагнитные секции бурильной колонны для изоляции их от намагниченных стальных компонентов. Длина немагнитного промежутка, необходимого для защиты от интерференции, зависит от различных факторов:

1) Сила поля магнитного полюса намагниченной стальной бурильной колонны выше

и ниже датчика.

2) Направления ствола скважины по отношению к магнитному северу или югу.

3) Наклон ствола скважины.

4) Географическое положение (которое относится к углу падения)

Сила магнитного полюса

Ввиду того, что бурильная колонна (а возможно лишь долото) вращается в пределах природного магнитного поля Земли, сама бурильная колонна становится магнитом. Поскольку бурильная колонная чрезвычайно длинная по сравнению с ее диаметром, магнитные полюса колонны могут считаться изолированными дискретно-точечными источниками магнетизма. Эти точечные источники располагаются в самом конце секции бурильной колонны: обычно принимается, что интерференция будет увеличиваться в 4 раза при расстоянии до 6 футов и в 9 раз при расположении на расстоянии лишь в 4 фута.

Сила магнитных полюсов бурильной колонны зависит от отдельных стальных компонентов, составляющих ее. Гриндрод и Вольф (Конференция по бурению в Новом Орлеане, 1983 г.) представили магнитные величины силы полюса для четырех различных забойных компоновок. Обобщенные значения для выбранных конфигураций бурильной колонны:

КОМПОНЕНТ	МИКРОВЕБЕРЫ	ЭЛЕКТРОМАГ.ЕДИНИЦЫ
Верхн. бур. колонна	800 мкВб	6360 ЭМЕ
Долото, Навидрил или изогнутый переводник	300 мкВб	2400 ЭМЕ
Долото, наддолотный стабилизатор, короткая муфта (герметичн. сборка)	200 маВб	1600 ЭМЕ
Долото и наддолотный стабил	120 мкВб	100 ЭМЕ

Следует отметить, что магнитные значения были определены Гринродом и Вольфом при работе с лабораторией Шел Ойл Эксплорэйшн в начале 1980 годов. Принимается, что эти магнитные значения вероятно более точные чем цифры И. Дж. Блайзе (период 1971 г.), которые отражают магнитные силы в виде гораздо меньших величин. Инженеры должны изменить свои существующие программы, чтобы они отражали эти более современные значения.

Географическое положение

Географическое положение должна также приниматься во внимание при уяснении эффекта магнитной интерференции, вызванной намагниченными компонентами колонны. Как указано ранее, нивелированное магнитное чувствительное устройство воспринимает горизонтальную компоненту магнитного поля Земли. Амплитуда горизонтальной компоненты магнитного поля Земли изменяется с изменением географического положения.

Горизонтальная компонента магнитного поля Земли является максимальной вблизи (магнитного) экватора, и минимальной вблизи Северного и Южного Полюсов. Только горизонтальная компонента этого магнитного поля воздействует на нивелированный магнитный датчик, служащий для индикации азимута (например, компас или датчик). По мере увеличения широты к северу или к югу от экватора, угол падения магнитного поля Земли увеличивается. Это увеличивает эффект вертикальной компоненты магнитного поля Земли и уменьшает эффект горизонтальной компоненты. Таким образом, любой магнитный датчик должен реагировать на уменьшающуюся горизонтальную компоненту, по мере перемещения на север или на юг от экватора, и поэтому более вероятна его подверженность интерференции от других эффектов горизонтальных полей. Следовательно, магнитный датчик может воспринимать Магнитный Север легче у экватора, чем вблизи Полюсов, ввиду сильной естественной горизонтальной силы, воздействующей на датчик. При наличии силы интерференции, она оказывает более ощутимый эффект на направленные показания, взятые вблизи Полюсов, чем на показания, взятые вблизи экватора. Т.е. вектор Магнитного Севера (Н) будет меньше у Полюсов, поэтому воздействие 1Гц на Восток или Запад будет даже более существенным.

Следует уяснить, что увеличение или уменьшение магнитных интерференций у различных географических положений не является следствием увеличения или уменьшения интерферирующей силы намагниченной бурильной колонны, а обусловлено увеличением или уменьшением горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Любое уменьшение природного поля Земли позволяет полю бурильной колонны оказывать большее воздействие.

Чувствительные устройства измеряют НАКЛОН И НАПРАВЛЕНИЕ скважины, а также ВЫСОКУЮ СТОРОНУ И МАГНИТНУЮ ОРИЕНТАЦИЮ МАРКИРОВОЧНОЙ МЕТКИ забойной компоновки. При наличии магнитной интерференции некоторые из этих датчиков подвергаются воздействию. Поскольку ОРИЕНТАЦИЯ МАРКИРОВОЧНОЙ

МЕТКИ ВЫСОКОЙ СТОРОНЫ И НАКЛОН измеряются акселерометрами и весьма независимы от Магнитного Севера, они воздействию не подвергаются. Однако, МАГНИТНАЯ ОРИЕНТАЦИЯ МАРКИРОВОЧНОЙ МЕТКИ И НАПРАВЛЕНИЕ скважины связаны с Магнитным Севером и любая погрешность в определении Магнитного Севера приводит к их ошибочным значениям.

Длина немагнитных УБТ

После обсуждения силы поля магнитного полюса бурильной колонны, наклона ствола скважины, направления ствола скважины и географического положения могут быть выведены уравнения для определения соответствующей длины немагнитных УБТ и расстояния. Азимут от Магнитного Севера может быть установлен с помощью магнитных приборов. например, компаса. Наклон ствола скважины может быть точно измерен оборудованием с датчиком ускорения. Угол падения (горизонтальная сила магнитного поля) может быть определен с помощью карт магнитного наклона, графиков или таблиц.

Введение

При ненарушенной магнитной среде магнитный компас будет центрировать себя относительно горизонтальной компоненты магнитного поля Земли. Если магнитное поле Земли нарушено каким-либо посторонним магнитным полем, то это сказывается на показании азимута у магнитных компасов. По мере уменьшения горизонтальной компоненты магнитного поля Земли (например, в сторону Северного и Южного Полюсов), компас будет становиться более чувствительным к любому постороннему магнитному полю. Посторонние магнитные поля могут вызываться, например, магнитными бурями, отложениями магнитных минералов, намагничиванием бурильной колонны, талевыми канатами и обсадными трубами в соседних скважинах. Магнитная интерференция воздействует на показания азимута магнитных приборов для измерения искривления скважины. Следовательно, погрешности азимута, вызванные магнитной интерференцией, должны уменьшаться до приемлемого значения обычно, менее 0, 25°. Для достижения приемлемой погрешности азимута, магнитные приборы для измерения искривления скважины спускаются в немагнитных УБТ. Количество немагнитных УБТ, подлежащих использованию, и положение прибора в них должны тщательно продумываться. Неправильный выбор может привести к ошибочным результатам измерения.

Магнитное поле земли

Земля может считаться магнитом, окруженным магнитным полем. По определению, вектор силы поля направлен внутрь Земли у магнитного Северного Полюса и из Земли у магнитного Южного Полюса. Близко к экватору линии поля параллельны поверхности Земли, а у магнитных полюсов они почти вертикальны. Для практических целей магнитное поле Земли разлагается на горизонтальную и вертикальную компоненту.

Падение

Угол между линиями магнитного поля Земли и горизонталью называется падением. Падение находится в диапазоне от 90° у Южного Полюса, равно нулю у экватора, и до +90° у Северного Полюса.

Сила магнитного поля

Общая сила магнитного поля Земли (В_Т) выражается в микроТеслах (мкТ) изменяется от 40 мкТ у магнитного экватора для 60 мкТ у магнитных полюсов. Горизонтальная компонента (В_N) вектора магнитного поля находится в диапазоне от 40 мкТ у экватора (В_N = B_T) до 0 мкТ у магнитных полюсом. Данные по силе магнитного поля могут быть получены в местном департаменте топографии.

Определения и термины, используемые при измерении

Ось х-ов - ось, перпендикулярная бурильной колонне в направлении изогнутого переводника (ориентация маркировочной метки).

Ось у-ов - ось, перпендикулярная бурильной колонне и оси х-ов.

Ось z - Ось, параллельная бурильной колонне (х, у и z образуют ортогональную систему правостороннего вращения).

Гравитационный угол ориентации маркировочной метки (высокой стороны)- угол между высокой стороной ствола и осью х-ов.

В – вектор магнитного поля Земли.в

В_Х - скалярный компонент вектора магнитного поля Земли вдоль оси х.

В_Y - скалярный компонент вектора магнитного поля Земли вдоль оси у.

В_Z - скалярный компонент вектора магнитного поля Земли вдоль оси z.

В_OXY - скалярный компонент В в плоскости, перпендикулярной стволу скважины.

B_T - общая сила магнитного поля

B_N- горизонтальная компонента магнитного поля Земли.

Магнитный угол ориентации маркировочной метки (m ) - угол между векторной компонентой В в плоскости ху (В_OXY) и осью х-ов.

Угол наклона (I) -угол между бурильной колонной и вертикалью.

Азимут (А) -угол между горизонтальной векторной компонентой В и проекцией оси z на горизонтальную плоскость.

g - местный вектор силы тяжести.

g_x - скалярная компонента гравитационного вектора Земли вдоль оси х-ов.

g_y - скалярная компонента гравитационного вектора Земли вдоль оси у-ов.

g_z - скалярная компонента гравитационного вектора Земли вдоль оси z.

g_oxy- компонента g в плоскости, перпендикулярной стволу скважины.

Магнитные и немагнитные теории

Магнитные поля

Для объяснения магнитного поля Земли существуют несколько теорий:

Теория № 1 Предполагается, что вращение твердой внешней оболочки Земли относительно жидкого металлического ядра должно вызывать слабое магнитное поле, обусловленное наличием электрических токов, которые образуются из-за этого относительного движения земного ядра и ее коры. Предположение о том, что ядро - частично жидкое, подтверждается соответствующими данными. (см. рис. 2-1)

Теория № 2 Аналогично теории № 1. Центральная часть Земли в основном состоит из железа и имеет механические свойства жидкости. Потоки, возникающие в ядре, вызывают образование циркуляции внутренних токов, аналогичных тем, которые наблюдаются на периферии Солнца.

Внутренняя циркуляция этих потоков действует как источник магнитного поля Земли в соответствии с принципом самовозбуждающегося динамо (рис. 2-2). Полное магнитное поле является суммой двух полей, имеющих разную природу:

· основное поле, которое возникает внутри жидкого ядра Земли

· наведенное поле, возникающее вне Земли. Это поле возникает из-за вращения Земли относительно Солнца и под действием циклов солнечной активности.

Рисунок 2-1 Рисунок 2-2