Исследователи из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН нашли способ ускорить и упростить исследования грунтов, заменив длительные лабораторные анализы экспресс-измерениями прямо в процессе бурения скважины. Такой способ можно будет применять для исследования мёрзлых грунтов, а также разведки нефти и газа, угля и других полезных ископаемых.
Керн — это небольшой столбик горной породы радиусом порядка нескольких сантиметров и длиной от десятков сантиметров до нескольких метров, извлечённый из толщи грунта. Когда строят дороги, здания и сооружения, трубопроводы в районах сезонной или вечной мерзлоты, крайне важно понимать свойства слоев почвы и нижележащих отложений, ведь именно от них зависят прочность и безопасность конструкций. Керны поднимают на поверхность и отправляют в лабораторию. Там исследователи смотрят, как устроены разные слои: из каких пород они состоят, какую структуру и плотность приобрели за долгие годы. Эти знания помогают инженерам правильно проектировать инфраструктуру.
Продольный срез цилиндрического керна осадочных отложений с тонкой слоистостью
Однако возникает важный вопрос: что происходит с кернами, пока их везут в лабораторию? Ведь извлечение образца означает изменение условий, в которых он находился веками. Температура меняется, воздействие атмосферы влияет на материал, иногда даже возникают трещины и деформации. Кроме того, лабораторные измерения керна могут занимать до нескольких месяцев. Поэтому специалисты из ИНГГ СО РАН предложили проводить измерения непосредственно на месте отбора образцов в скважине в процессе бурения. С помощью этого способа можно выиграть время и достичь высокой достоверности изучения выбуриваемых кернов, поскольку их свойства максимально приближены к свойствам пород в естественном залегании.
«Новый способ позволяет определять электрофизические характеристики пород прямо в процессе бурения с использованием специальных устройств — тороидальных катушек. Это элемент электрической цепи, похожий на бублик, вокруг которого плотно обмотана тонкая проволока. Тороидальные катушки используют для генерации и измерения составляющих электромагнитного поля. Обычно такая катушка сделана из специального материала — железа или феррита, который усиливает полезный сигнал. Способ отличается от традиционных подходов своей простотой реализации и быстротой анализа», — рассказывает старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
Во время бурения скважинный прибор непрерывно измеряет электрофизические характеристики движущейся вверх колонки выбуриваемого керна, передавая информацию оператору на поверхности. Данные измерений обрабатываются в рамках подхода, не требующего мощных компьютеров и сложных математических алгоритмов. Инженер получает необходимые показатели буквально в реальном времени, что значительно ускоряет процесс исследований и снижает затраты. Такой способ подходит не только для строительных проектов в сибирских и арктических грунтах, но и для решения широкого круга задач: разведки нефти и газа, угля и других полезных ископаемых. Технология универсальна и применима в разных сферах, включая экологию.
Сейчас учёные проверяют новый способ в лабораторных условиях. Для этого нужно взять полноценный кусок породы — керн длиной до одного метра — и поместить его в специально подготовленную трубу. Внутри этой трубы вокруг керна — конструкция из двух тороидальных катушек.
Перед началом экспериментов исследователи провели подробное компьютерное моделирование, чтобы подобрать оптимальные параметры: расстояние между катушками, нужную частоту излучения и особенности самой трубы. Так, выяснилось, что её металлический корпус тоже играет важную роль в точности и детальности измерений.
Принцип работы прибора достаточно простой: первая катушка создает электромагнитный сигнал, который проходит через породу внутри трубы, а вторая регистрирует, как этот сигнал изменится после прохождения через слой породы. Полученные данные автоматически обрабатываются специальными алгоритмами, позволяющими выполнять экспресс-анализ электрофизических характеристик вдоль керна с высоким пространственным разрешением.
«Сейчас мы разрабатываем макетный образец нашего прибора — специальную измерительную установку. Результаты предварительного расчёта показали, что нам нужны тороидальные катушки определённой формы и размера. Основываясь на этих выводах, мы создаем саму геофизическую установку. Затем перейдём к физическим экспериментам: сравним реальные показания прибора с нашими математическими прогнозами. Если при расчётах учтены все параметры, должно наблюдаться полное совпадение результатов в пределах погрешности измерения. Нам важно не просто записать сигналы с датчиков, а получить точную картину, как меняются электрические свойства пород на протяжении всего интервала керна», — прокомментировал Игорь Михайлов.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Текст: Ирина Баранова.
Источник: «Наука в Сибири».