NO851929L - Apparat for magnetiske maalinger i borehull. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår magnetiske målinger i en borebrønn og nærmere bestemt bestemmelsen av remanent fossil magnetisme i grunnfjell.

Man vet at man kan oppnå en informasjon om den remanente magnetisme i grunnfjell gjennomboret av et borehull ved å ta opp en rekke grunnfjellprøver til overflaten og deretter utføre en minutiøs magnetisk laboratorieanalyse av disse prøver. Denne fremgangsmåte er lang og kostbar.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tillate en bestemmelse på stedet av grunnfjellets remanente magnetisme ved å senke en sonde for magnetiske målinger ned i borehullet, hvilken sonde er tilknyttet en databehandlingsenhet ved overflaten for således å lokalisere inversjoner i jordens magnetiske feltstyrke som ligger lagret i grunnfjellet og eventuelt å gi hver slik inversjon et spesifikt nummer for gjenkjennelse.

For denne oppgave fremskaffer oppfinnelsen et apparat for magnetiske målinger i borehull av en type som fremgår av den innledende del til det etterfølgende krav 1 og som er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakterise-rende del i dette krav.

Ytterligere særtrekk vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av utførelseseksempler som, uten å skulle virke begrensende, illustreres ved de ledsagende tegninger, idet fig. 1 er et skjematisk totalriss av apparatet, fig. 2 og 3 viser skjematisk apparatets sonde, hvor fig. 4 i større målestokk viser kryostaten, fig. 5 viser stigningsmålerens spolepar, fig. 6, 7, 8, 9 og 10 viser forskjellige ut-førelser av spolepar, fig. 11 viser skjematisk hvordan data mottas av sonden og videreføres til databehandlingsenheten,

og fig. 12 viser skjematisk prinsippgangen i databehandlingsenheten.

På fig. 1 ser man en magnetisk målesonde 1 innrettet for nedsenkning i et borehull og for forskyvning langs dette i den hensikt å utføre en diagrafi og forbundet med databehandlingsenheten 3 på overflaten via en elektrisk kabelforbindelse 2.

Fig. 2 og 3 viser ovenfra og nedad apparatsammenstil-lingen som er omfattet av sonden 1. I sondens øvre parti under dennes hode 4 befinner det seg et rom 5 med elektronisk multipleksinnretning og organer for overføring. Sondens nedre parti danner en kryostat 6 begrenset ved en dobbel vegg 7 av fiberforsterket syntetisk harpiks, og hvor det i det indre av kryostaten 6 finnes en termisk isolerende skjermvegg 8, vist på fig. 4. Kryostaten er termisk isolert ved sin øvre ende ved termisk isolerende tverrvegger 9.

De tre magnetometere innrettet for stigningsmåling er vist ved en plassering av målespolene 10, 11 og 12 for registrering av den magnetiske feltvektorgradients komponent i sondens z-akse og for registrering langs aksene x og y vinkelrett på aksen z og seg imellom ved en såkalt "SQUID"

(Superconducting Quantum Interference Device) 13 med hvilken målespolene er tilknyttet via de respektive koaksialkabler 14, 15 og 16. En koaksialkabel 17 forbinder den superledende målesonde "SQUID" med en elektronisk sammenkoblingsenhet 18, idet koaksialkabelen passerer de termisk isolerende tverrvegger 9. Sammenstillingen av målespoler 10, 11 og 12 for induksjonsmåling omsluttes av en metallskjerm 19.

Mellom kryostaten 6 og sammenkoblingsenheten 18 befinner det seg et apparat 20 for måling av den magnetiske feltstyrke, et apparat 21 for måling av den magnetiske susceptibilitet og en helningsmåler 22. Disse apparater knyttes elektrisk sammen med sammenkoblingsenheten 18.

Kryostaten 6 er omsluttet av flytende helium. Ved for-dampning av det flytende helium vil kryostattrykket opprett-holdes under en sikkerhetsgrense. Det er således mulig å installere et avtrekksorgan som forbinder kryostaten med overflaten. Dette avtrekksorgan kan være utført som et tynt rør i forbindelseskabelen 2 mellom sonden og overflaten.

Man vil følgelig kunne installere en lukket krets som igjen kan kondensere heliumdampen.

I det viste eksempel kombineres installasjonen på den ene side med et stort kammer 23 som er utpumpet før sonden nedsenkes i borehullet og hvilket kammer er forbundet med toppen av kryostaten 6 ved hjelp av en trang rørledning 24 og en ventil 25 tarert til 1.050 mbar som er arbeidstrykket i kryostaten og på den annen side en miniatyrisert innkapslet kompressor 26 og et kammer 27 innrettet for å motta heliumet som kommer fra kammeret 23 og er komprimert med kompressoren 26 når denne er satt i drift ved et trykkmåleapparat 28 så snart et visst trykknivå er registrert i kammeret 23. Kompressoren 26 muliggjør genereringen av et høyt heliumtrykk i kammeret 27 og en eventuell utstrømning utad fra sonden 1

ved en sikkerhetsventil 29. Videre er kammeret 23 knyttet til det ytre med en sikkerhetsventil 30. Disse ventiler 29

og 30 har dessuten et rensesystem som operatøren kan inn-koble ved sondens retur til overflaten hvoretter en utjev-ning mellom det indre og ytre trykk kan foretas før sondens demontering.

Kammeret 23 kan også benyttes alene hvis dets omfang

er tilstrekkelig. Omvendt, når kammeret 27 benyttes alene pumper kompressoren 26 følgelig heliumgassen direkte ut av kryostaten 6 uten hjelp av kammeret 23 som til å begynne med var tomt.

Et gammastråleapparat 31 finnes i rommet 5. De interne elektriske forbindelser mellom på den ene side kryostatens 6 magnetometere, måleapparatene 20, 21 og 22 og på den annen side den elektroniske sammenkoblingsenhet 18 såvel som mellom denne enhet 18 og rommet 5 og mellom apparatet 31 og rommet 5 er ikke vist illustrert for enkelhets skyld.

Hvert av magnetometrene innrettet for stigningsmåling omfatter to spoler 32, 33, identiske,men viklet med motsatt vikleretning og i rett vinkel med den målte komponent av den magnetiske feltstyrkegradient og adskilt seg i mellom med en avstand d langs sondens akse som vist på fig. 5.

Det magnetiske felt B er definert ved tre vektorer med retning som aksene x, y og z i et koordinatsystem, hvor felt-modulen hhv. er B , B og B . Siden jordens magnetiske felt i sedimentærområder som ikke har blitt forstyrret ved men-neskelig aktivitet fremviser en svært svak variasjon med dybden, vil feltvektoren for jordmagnetismen langs z-aksen for sonden være neglisjerbar og de anvendte stigningsmålere av første eller annen orden ser bort fra jordens magnetiske felt og gir en informasjon i henhold til grunnfjellets egen-magnetisme: magnetisme som er indusert av jordmagnetismen i grunnfjellet og remanent magnetisme i dette.

Om man betegner de respektive gradienter

med henholdsvis G , G og G , vil signalet I på utgangen av

x y z x

det gradiometer som måler gradienten til den magnetiske felt-vektorkomponent B være:

nar betegner overflaten av en spole i et plan vinkelrett på x-aksen.

I praksis vil utførelsen av spolene 32 og 33 ikke muliggjøre to eksakt identiske overflater og -L^da plan-heten og parallelliteten av spolene ikke er perfekt og til-koblingstrådene 34 til tross for de forholdsregler som er tatt vil representere parasitflater.

Hvis man betegner disse parasitflater langs koordinat-XV z

aksene hhv. m , nr og m vil overflaten av en spole 32 og overflaten S2en spole 33 kunne uttrykkes på følgende måte:

Gradiometrets signal er følgelig proporsjonalt med: det vil si:

Dette uttrykket er av formen:

.(2) (1) (3)

Leddet (1) representerer den magnetiske feltgradient som skal måles. Leddet (2) representerer effekten av det magnetiske felt B på parasitflåtene. Leddet (3) representerer effekten fra den magnetiske feltgradient på parasit - flatene. Dette siste ledd er lite i forhold til leddene (1) og (2) og kan ses bort fra.

Klassisk spoleteknikk muliggjør en begrensning av parasitflater til i størrelsen 10 i forhold til nytteflaten. Ved å innføre kompensasjonsinnretninger såsom supraledende sløyfer i nærheten av enkelte vindinger muliggjøres en ytterligere reduksjon av disse parasitflater til en tilsynela--4 -5

tende rest av størrelsesordenen 10 eller 10 i forhold til nytteflaten.

Kalibrering av gradiometret utføres ved.eksperimentelt å bestemme de tilsynelatende parasitære restflater ved å anvende kjente magnetfelt eller gradienter og deretter inn-føre disse bestemte verdier i beregningen av leddet (2) og eventuelt i leddet (3) hvis dette ikke ses bort fra å til slutt ta hensyn til disse korreksjonsfaktorer ved det oppnådde resultat for signalet og således få en nøyaktigere verdi av det søkte ledd (1). Denne beregning blir foretatt i databehandlingsenheten (3).

Ved utførelsen av gradiometerspolene søker man å plassere gradiometrenes sentre på sider så nær hverandre som mulig og å holde avstandene mellom de to spoler i hvert gradiometer så lik som mulig.

Fig. 6 viser en utførelse som også fremgår av eksemplet på fig. 4, hvor spoleparene i de tre gradiometrene er adskilt: spoleparet 35 og 36 for gradienten z ; spoleparet cTz

AH

37 og 38 for gradienten x ; spoleparet 39 og 40 for gradi-cfz

enten y.Denne konfigurasjon har ulempen med å være

usymmetrisk og kreve en gjennomsnittsberegning av disse dybdemålinger da målepunktene ligger spredt, men man vil ha den samme oppløsning i z for hver gradient og det er for-holdsvis lett å beregne effekten fra parasitflater ved hjelp av supraledende sløyfer såsom 41, 42 og 43 når spoleparene er adskilt.

Fig. 7 viser i nærmere detalj konfigurasjonen av spoleparet 38. Man vil se at det i punktet 44 foretas en kryssing av lederne som forbinder spolene 37 og 38 for med dette å kompensere påvirkningen fra det magnetiske felt på den flate som avgrenses mellom disse tilførselsledninger. Punktet 44 befinner seg tilnærmet midt mellom spolene 37 og 38, men plasseringen av dette punkt er justerbar slik at man kan oppnå optimal kompensasjon. Koaksialkabelen 14 går i planet for spolene 37 og 38 på høyde med disse for ikke å påvirke målingen av cfHx. På samme måte går koaksial-

kablene 14 og 15 i planet for spolene 39 og 40 på høyde med disse for ikke å påvirke målingen av f-f H y

cTz

Fig. 8 viser en konfigurasjon i hvilken de tre spolepar er sentrert: spolepar 45 og 46 har en midlere avstand

& H

for gradienten z ; spoleparet 47 og 48 ligger nær hverandre for gradienten x ; spoleparet 49 og 50 ligger fjernt

SZ c5H

fra hverandre for gradienten y_ . Man har videre innført

Sz

kompensasjonssløyfer for effekten av parasittflåtene: 51, 52, 53. Denne konfigurasjon er symmetrisk og muliggjør kompensasjon for parasitflåtene og den har tre sammenfallende måle-punkter. Derimot har de tre gradiometre en forskjellig opp-løsning langs z-aksen.

Fig. 9 viser en konfigurasjon i hvilken de tre spolepar ligger forskjøvet i forhold til hverandre, idet de to spoler i hvert par er separert ved samme avstand: spoleparet

ru

54 og 55 for gradienten z ; spoleparet 56 og 57 for gradienten Y ; spoleparet 58 og 59 for gradienten Hx Det

cTz 6 z

finnes videre kompensasjonssløyfer 60, 61 og 62. I denne konfigurasjon har hvert gradiometer samme oppløsning langs z-aksen og kompensasjonen er lettere å utføre, men målepunktene er noe forskjøvet og systemet er usymmetrisk.

Fig. 10 viser en sammenflettet konfigurasjon av spolene 63 og 64 for gradienten z , av spoleparet 65 og 66

S H 6 Z

for gradienten x og spoleparet 67 og 68 for gradienten 5 H éz

y_'idet en spole 63, 65, 67 fra hvert par er montert i

6 z

en første isolerende blokk 69 og den andre spole 64, 66, 68 fra hvert par er montert i en annen isolerende blokk 70. I denne konfigurasjon har hvert gradiometer samme oppløsning langs z-aksen, målepunktene er sammenfallende og systemet er symmetrisk, men kompensasjon for bidraget fra parasit - flatene er svært vanskelig å få realisert fysisk: slik kompensasjon kan da i praksis utføres ved beregninger.

Måling av magnetisk feltstyrke er nødvendig av to grunner. Først og fremst må det magnetiske felt som oppstår i borehullet ved magnetisme indusert fra jordmagnetisme i grunnfjellet beregnes og det medfører at man må kjenne jordmagnetismens feltvektor for å multiplisere denne med retningsvektoren for den magnetiske susceptibilitet. Videre vil ikke tolkningen av gradiometermålingene være mulig hvis man ikke kjenner posisjonen av sonden i forhold til den kjente posisjon som består av retningen mot magnetisk nordpol og vertikalhøyden.

Den vektor som måles med apparatet 20 er den magnetiske feltvektor i borehullet, men den kan betraktes som å være jordens magnetiske feltvektor med en tilstrekkelig tilnærmelse for de to anvendelser som er beskrevet.

Denne magnetiske feltvektor kan f.eks. måles ved en av de to følgende fremgangsmåter. Ifølge en første fremgangsmåte, måler man tre komponenter Bv, Bv, B for dette feltet (f.eks. med sonder av typen "fluxgate" eller av tynnfilmtype),

-4

idet den oppnådde nøyaktighet blir av størrelsen 10 . Ifølge en annen fremgangsmåte bestemmer man retningen for det magnetiske felt ved den stilling en sonde av typen "fluxgate" eller av tynnfilmtypen inntar, en stilling som da vil være vinkelrett på den søkte retning og hvor størrelsen blir målt med et nukleært presisjonsmagnetometer. Hvis det ønskes en enda nøy-aktigere måling, noe som vanligvis ikke er påkrevet, kan man tenke seg å plassere et magnetometer i kryostaten 6.

Målingen av den magnetiske susceptibilitet kan utføres hvis man tenker seg at de sedimentære grunnfjell har en isotrop magnetisk susceptibilitet, idet de klassiske metoder for slik måling, eksempelvis metoden ved induksjonssonder med an-vendelse av en vekselstrøm med en frekvens som velges slik at målingen ikke forstyrrer de øvrige målinger. Man benytter et sett sender-mottaker med passende avstand for å kunne måle ved undersøkelseshøyder og dybder sammenlignbare med de for gradiometrene.

Man kan her vise til litteratur utgitt av G. Clerk og

B. Frignet "Diagraphies de conductivité électrique et suscep-tibilité magnétique avec la sonde å induction Romulus"

(Application en recherches miniéres - Actes du 7e colloque européen de diagraphies - Paris, 1981). I det tilfelle hvor den magnetiske susceptibilitet ikke med tilstrekkelig god tilnærmelse kan betraktes som isotrop, må det forutses en måling av susceptibilitetskomponentene %x, Xy og %z langs de respektive koordinatakser. Magnetismen I som induseres i

grunnfjellet blir følgelig dekomponert langs X, Y og Z-aksen:

<J>x = Bx • *x

<J>y By * 2

J=B %

z z z

Man har vist skjematisk fig. 11 hvordan de ulike data samles i sonden 1 og overføres til databehandlingsenheten 3. Der finnes også den elektroniske enhet 5 hvor multipleks-omforming og overføring foretas og til hvilken data fra gammastråleapparatet 13, helningsmåleren 22, 11 SQUID"-sondene 13, måleapparatet 20 for magnetisk feltstyrke, apparatet 21 for måling av magnetisk susceptibilitet og også et aksialt forskyvningsakselerometer 71, ikke vist på fig. 2 eller 3 og som ikke nødvendigvis er påkrevet. Koaksialkabelen 2 mulig-gjør utveksling av signaler mellom sondens 1 kapsling 5 og en innretning 72 for de-multipleksbehandling og oppsamling i overflatens elektroniske enhet 3. Sonden 1 mottar således kommandoer fra overflaten og overfører de oppsamlede data til overflaten. Den elektroniske innretning 72 viderefører de mot-tatte data til en kalkulatorenhet 73 som behandler disse data ifølge et program.

Fig. 12 viser skjematisk de operasjoner som kan ut-føres i kalkulatorenheten 73. Operasjonene er hovedsakelig: - en multiplikasjon av den magnetiske feltvektor B definert ved komponentene B^, B , B^ med den magnetiske susceptibilitet som på forhånd er lagret i en hukommelse 74 for deretter å kunne holde regning med de ulike målestør-relsene og sammenligne den relative verdi for X_ med målingen som tilsvarer måleverdien for gradienten 8B z ,

8z

idet samtlige øvrige målinger sammenholdes med denne samme måleverdi ved hjelp av et organ for programmering av hukom-melsen 75 til hvilket man har ført data fra akselerometret 71, den utførte multiplikasjon med multiplikatoren 76 fra hvis utgang man oppnår den induserte magnetiske vektor j definert ved sine kompr onenter: J x , J y , J z;

- en målekorreksjon for gradientene G , G , G for

J ^ x' y' z

det magnetiske felt i et apparat 77 som kan betegnes "nume-risk karakterisering" og som mottar data fra et orienterings-bestemmende organ 78 for sonden og som holder rede på leddet 2, tidligere definert, som tilsvarer den effekt som de parasitære overflater på spolene utgjør, for å danne de korri-gerte gradientverdier G , G og G ;

^ ^ xc y c z c

- en hukommelse for gradientmålingene G og G i

^ ^ xc r yc hukommelsene 79 og 80 for å oppnå måleverdiene for G og

^ctrxcm 3

G som sammenholdes med måleresultatet ifølge programmet ycmv-i r vi organet 75 og som igjen er avhengig av forskjellen mellom de ulike målinger; - en filtrering og integrasjon av måleresultatene for gradientene i en integrator 81 som fra en kalibrator 82 mottar kalibreringsresultater fra målinger utført utenfor borehullet eller i dette ved hjelp av interne normaler for magnetisk feltstyrke eller gradienter og som gir komponentene A , A , A for den magnetiske feltstyrkevektor A; - en subtraksjon mellom vektorene og J i en subtraktor 83 som gir den naturgitte remanente magnetiske vektor

"R* ved sine komponenter R , R , R slik:

r x' y' z

R = A - J, R = A y - J,R = A z - J ;

x x x y y y z z z

- tilførsel av de geografiske koordinater i en ko-ordinatomformer 84 som mottar informasjoner fra stillings-bestemmende organer for sonden 78 og fra en hukommelses-enhet 85 for den magnetiske vinkel eller deklinasjon som er gitt under kalibreringsforløpet, idet komponentene for den induserte magnetiske feltvektor føres til blokken vist som 86 og komponentene for den remanente magnetiske feltvektor føres til blokken vist som 87.

Organet 78 mottar data fra helningsmåleren 22 og det apparat som måler komponentene B og B for det magnetiske felt. I tilfellet hvor en vulkansk formasjon eller grunnfjellet er sterkt magnetisert vil det ikke være mulig å bestemme stillingen for sonden i forhold til det lokale magnetiske felt med tilstrekkelig nøyaktighet. I et slikt tilfelle vil det være nødvendig å anvende et ytterligere uavhengig organ 88 for stillingsbestemmelse såsom et gyro-skop i stedet for eller i tillegg til det beskrevne orien-teringsorgan.

Det finnes videre et lagringsorgan 89 for å lagre de gitte data fra gammastråleapparatet 31 for deretter å føre de til blokken 90 for bidrag til måleresultatet.

I løpet av forberedende forsøk har man konstatert at apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse kan spore magnetiske inversjoner i grunnfjellets remanente magnetisme svært godt, noe som vil gi et betydelig vekstpotensial for den magnetiske stratigrafi.

Claims (8)

1. Apparat for magnetiske målinger i borehull, omfattende en sonde (1) for magnetiske målinger med en gene-relt langstrakt form omkring en akse og som inkluderer sensorer for måling av den magnetiske feltstyrkevektor (20) og innrettet for å plasseres langs borehullet for kontinuerlig registrering som en funksjon av dybden visse magnetiske egen-skaper for grunnfjellet som er gjennomboret av et borehull, en databehandlingsenhet (3) innrettet for plassering på overflaten over borehullet og med elektrisk kabelforbindelse (2) mellom sonden og databehandlingsenheten for å tilføre denne enhet de data som leveres fra sonden, i hvilken et øvre parti omfatter omformningsorganer (5) for elektriske størrelser og i hvilket nedre parti det finnes en kryostat (6) holdt ved en superledende temperatur og som inkluderer i det minste ett kryogen-magnetometer innrettet for stigningsmåling, karakterisert ved at kryostaten (6) omfatter tre magnetometre (10,11,12) innrettet for stigningsmåling i forhold til sondens akseretning, idet sonden (1) også omfatter sensorer for måling av grunnfjellets (21) magnetiske susceptibilitet og ved at databehandlingsenheten (3) omfatter en integrator (81) for utførelse av matematisk integrasjon av de data som kommer fra magnetometrene innrettet for stigningsmåling, en multiplikator (76) for å utføre multiplikasjon av data mottatt fra målingen av den magnetiske feltvektor (20) med verdien for den magnetiske susceptibilitet målt med sensorene for dette formål og en subtraktor (83) for å trekke dette produkt fra integrasjonsresultatet gitt av integratoren (81) for å oppnå en informasjon om den remanente magnetisme i grunnfjellet og spesielt med tanke på magnetisk inversjon.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at databehandlingsenheten (3) også omfatter et korreksjonsapparat (77) for gradientmålin gene fra magnetometrene (10, 11, 12), idet korreksjonsappa-ratet mottar informasjoner om det magnetiske felt og sondens (1) retning og deretter beregner den parasitære effekt som magnetfeltet bevirker på hvert magnetometer som en følge av disses begrensede nøyaktighet.

3. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at databehandlingsenheten (3) også omfatter lagringsorganer (74, 79, 80) for visse målinger og et organ for lagerprogrammering (75) for å sam-menstille samtlige utførte målinger til et målesett.

4. Apparat ifølge krav 1, i hvilket de tre magnetometre (10, 11, 12) innrettet for stigningsmåling hvertomfat-ter et par spoler, karakterisert ved at disse spolepar (35 - 36, 37 - 38, 39 - 40) er adskilt seg imellom og anordnet etter hverandre.

5. Apparat ifølge krav 1, i hvilket de tre magnetometre innrettet for stigningsmåling hvert omfatter et par spoler, karakterisert ved at hvert av spoleparene (45 - 46, 47 - 48, 49 - 50) har sine spoler plassert symmetrisk i forhold til et felles sentrum for alle tre spoleparene.

6. Apparat ifølge krav 1, i hvilket de tre magnetometre innrettet for stigningsmåling.hvert omfatter et par spoler, karakterisert ved at de tre spolepar (54 - 55, 56 - 57, 58 - 59) er forskjø vet seg imellom, idet de to spoler i hvert par har samme avstand fra hverandre.

7. Apparat ifølge krav 1, i hvilket kryostaten (6) inneholder flytende helium, karakterisert ved at en rørledning (24) forsynt med en tarert ventil (25) forbinder kryostatens (6) topp med et første hulrom (23) inne i sonden (1).

8. Apparat ifølge krav 1, i hvilket kryostaten (6) inneholder flytende helium, karakterisert ved at sonden (1) omfatter et trykkammer (27) til hvilket er forbundet en kompressor (26) innrettet for under trykk å kunne innføre den helium som eventuelt fordamper i kryostaten (6) til trykkammeret (27).