Ученые из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН разработали метод, позволяющий ускорить и облегчить изучение грунтов. Он предполагает замену трудоемких лабораторных исследований экспресс-анализами, проводимыми непосредственно во время бурения скважины. Данный подход может использоваться для изучения мерзлых пород, а также при разведке нефти и газа, угля и других полезных ископаемых.
Керн представляет собой небольшой цилиндрический образец горной породы диаметром несколько сантиметров и длиной от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров, который извлекают из недр земли. При строительстве дорог, зданий, сооружений и трубопроводов в зонах распространения сезонной или вечной мерзлоты необходимо тщательно изучать характеристики слоев грунта и залегающих под ними отложений, поскольку именно они определяют надежность и безопасность возводимых конструкций. Полученные керны доставляют на поверхность и передают в лабораторию, где специалисты проводят их изучение: определяют состав пород, оценивают структуру и плотность, сформировавшиеся в течение длительного времени. Полученные данные позволяют инженерам осуществлять грамотное проектирование инфраструктурных объектов.
Вместе с тем, возникает принципиальный вопрос: какие изменения происходят с кернами во время транспортировки в лабораторию? Ведь процесс извлечения нарушает те условия, в которых образец пребывал на протяжении веков. Изменяется температура, воздействие атмосферы влияет на структуру материала, и нередко возникают трещины и деформации. К тому же, проведение лабораторных исследований керна может занять до нескольких месяцев. Поэтому специалисты Института геологии и геофизики Сибирского отделения Российской академии наук предложили проводить измерения непосредственно в скважине, в процессе бурения. Такой подход позволяет сэкономить время и обеспечить высокую точность изучения кернов, поскольку их характеристики максимально соответствуют свойствам пород в естественных условиях.
«Разработанный метод позволяет оценивать электрофизические свойства горных пород непосредственно при бурении с помощью специализированных приборов — тороидальных катушек. Данные устройства представляют собой элементы электрической цепи, напоминающие бублик, вокруг которого плотно намотана тонкая проволока. Тороидальные катушки применяются для создания и измерения компонентов электромагнитного поля. Как правило, они изготавливаются из железа или феррита, материалов, усиливающих полезный сигнал. Метод отличается от общепринятых подходов своей легкостью в реализации и оперативностью анализа», — сообщил старший научный сотрудник ИНГГ СО РАН, кандидат технических наук Игорь Владиславович Михайлов.
В процессе бурения скважины прибор непрерывно фиксирует электрофизические параметры поднимающегося на поверхность керна, передавая полученные сведения оператору. Обработка данных осуществляется с использованием методики, не требующей применения высокопроизводительных вычислительных машин и сложных математических расчетов. Инженер получает нужные показатели практически мгновенно, что существенно сокращает время проведения работ и уменьшает их стоимость. Этот метод эффективен не только для строительных проектов в сибирских и арктических породах, но и для решения разнообразных задач, таких как поиск нефти и газа, угля и других полезных ресурсов. Технология универсальна и может использоваться в различных областях, включая экологический мониторинг.
В настоящее время исследователи испытывают новую методику в лабораторных условиях. Для этого требуется использовать неповрежденный образец горной породы, керн, длиной до метра, и поместить его в специально подготовленную трубу. Вокруг керна, внутри этой трубы, расположена конструкция из двух тороидальных катушек.
Перед проведением экспериментов исследователи выполнили детальное компьютерное моделирование для определения наилучших параметров, включая расстояние между катушками, требуемую частоту излучения и характеристики трубы. В ходе моделирования было установлено, что металлический корпус трубы также оказывает существенное влияние на точность и детализацию измерений.
Устройство функционирует по достаточно простому принципу: первая катушка генерирует электромагнитный сигнал, который распространяется через породу внутри трубы, а вторая фиксирует изменения этого сигнала после его прохождения через слой породы. Собранная информация автоматически обрабатывается с помощью специализированных алгоритмов, что позволяет проводить оперативный анализ электрофизических свойств вдоль керна с высоким пространственным разрешением.
«В настоящее время ведется разработка прототипа нашего прибора – специализированной измерительной системы. Предварительные расчеты продемонстрировали необходимость использования тороидальных катушек конкретной формы и габаритов. На основе этих данных создается геофизическая установка. Далее планируется проведение физических экспериментов: будет осуществлено сопоставление фактических показаний прибора с полученными математическими прогнозами. При условии, что при расчетах были учтены все необходимые параметры, ожидается полное соответствие результатов в пределах допустимой погрешности измерения. Важно не просто фиксировать сигналы с датчиков, а получить детальное представление об изменении электрических характеристик горных пород на протяжении всего образца керна, – отметил Игорь Михайлов.
Данный материал создан при содействии гранта, предоставленного Министерством науки и инноваций Российской Федерации, в рамках проведения Десятилетия науки и технологий.
Автор: Ирина Баранова